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dq065 机器人 系统 设计

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生箜 塑 煤 矿 机 械 7 5 文 章 编号 ： 1 0 0 3 0 7 9 4( 2 0 0 5 ) 1 0 0 0 7 5 0 3 A u t o C A D V B A与M A T L A B混合编程开发机器人仿真系统* 梁飞华。 。邓宇。 。邢镇容 ( 1 茂名学院 ，广东 茂名 5 2 5 0 0 0 ；2 太原理工大学 ，太原 0 3 0 0 2 4 ) 摘 要 ：介绍应用 V B A与 M A T L A B进行混合编程开发机器人仿真系统的方法。该方法以A u t o C A D V B A为开发环境 ， M A T L A B作为后 台矩阵计算 引擎， A u t o C A D作为 图形显示界 面。 以六转动 关节机器人为例 ， 阐述 了系统开发过程 中的关键技术， 给 出了部分程序代码 ， 并介绍 了仿真软件 系 统 的结构 。 关键词 ：机 器人仿 真 ； A u t o C A D V B A； M A T L A B ；混合编程 中图 号 ：T P 3 9 1 9 1 引言 随着微机技术和计算机图形学的迅速发展， 对 仿真系统功能的要求越来越高， 多个软件间的混合 编程方法越来越多地被应用于仿真软件的开发。本 文以 E T一1 8 H E R O六关节机器人为仿真对象， 基于 A u t o C A D软件环境 ， 利用 V B A二次开发工具与科学 计算软件 M A T L A B进行混合编程 ， 形成一个集机器 人三维实体参数化造型、 图形示教及轨迹规划等多 种功能于一体的机器人运动学动态仿真系统。在程 序设计方面， 采用模块化设计 ， 应用菜单技术， 实现 了系统 的功能 ， 用户界面友好。 2系统设 计与 实现 2 1 系统 设计 2 1 1 A u t o C A D及 V B A优 点 A u t o C A D V B A有 以下几点好处 ： 易学易用 ； V B A运行在 A u t o C A D相同的处理空间， 使程序运 行非常快 ； 对话框构建快速 、 高效 ， 允许 开发者快 速地定制程序原形 和收到设计 的及时反馈 ； 工程 可以单独存在 ， 亦可以嵌入在图形中， 这给开发者在 发行它们的应用程序时以极 大的灵活性 ； 大大强 化了 A u t o C A D与数据库的通讯能力 ； 提供 了与其 它应用程序的应用集成 ， 可 以利用其它应用程序的 对象库实现对其它应用程序的控制 ， 例如 M i c r o s o f t Wo r d和 E x c e l 等。所 以， A u t o C A D V B A开发环境 的 应 用也 更 为广泛 。 2 1 2使用 V B A编程 的基本步骤 ( 1 ) 启动 A u t o C A D， 打开工具 ( T O O L S ) 菜单及宏 ( M a c ro) 子菜单 ， 选择 V B A编辑 器。 则进 入 V B A环 境 。 ( 2 ) 创建用户窗体及有关模块、 定义操作对象变 量并初始化 ， 在工程资源管理器中可 以查看 到当前 * 广东省茂名学院 自然科学基金( 2 0 3 2 0 6 ) 文献标识 码 ：A 活动图文对象 T h i s d r a w i n g ， 它是一专用对象， 只代表 当前工程的活动图文对象 ， 也就是说 。 不管新建或打 开哪个工程 ， 也不管工 程打开多少 文档 。 都用 T h i s d r a w i n g 这个专 用词指 向它所 在的 A u t o C A D环境 的 当前的活动图文对象。 ( 3 ) 实体对象的创建与编辑 在创建实体对 象之前 ， 要确定实体将放于何 处 ， 即是模型空间、 图纸空间， 还是存放在块 中。 不论 在哪个对象中创建实体。 都要先引用这个对象。 创建基本实体。用 A d d E n t i t y n a me形式的方 法 ， 即“ 创建( A d d ) ” +“ 实体名字( E n t i t y N a m e ) ” 。 实体对象的编辑 。实体编辑是 V B A编辑 中 最常用的操作 ， 这些编辑操作包括复制 、 移动 、 删 除 等。在编辑对象前必须对其引用。 2 1 3 V B A与 M a t l a b 6 0的混合编 程 通过对 MA T L A B应用程序 接 口的分析 ， 可 以发 现 MA T L A B提供了客户 服务器 ( C l i e n t S e r v e r ) 功能。 利用其中的动态数据交换( D D E ) 服务功能和 A c t i v e X 自动化( O L E自动化) 服务功能 ， 可以实现在 V B A中 对 M A T L A B函数 的调用 ， 并通过 m x A r r a y s ( MA T L A B 中的基本数据类型) 与 M A T L A B工作空间交换数据 ， 从而增强 V B A的数值计算能 力和数据 的可视化能 力 。下面介绍在 V B A程序 中调用 M A T L A B的方法。 ( 1 ) M A T L A B的 A c t i v e X自动化服务功能 A c t i v e X自动化 ( O L E自动化 ) 协议 是一种允许 一个应用程序( 控制端) 去控制 另一个应用程序( 服 务器端) 的协议。由于 V B A支持 A c t i v e X 自动化控 制端协议 ， M A T L A B支持 A c t i v e X自动化服务器端协 议， 如果已经建立一个 V B A应用程序和 M A T L A B之 问的 A c t i v e X自动化 连接， 在一个 V B A应用程序 中 就可以调用 M A T L A B的命令 ， 向 MA T L A B传送或从 MA T L A B接收矩阵数组。 维普资讯 7 6 A u t o C A D V B A与M A T L A B 混合编程开发机器人仿真系统梁飞华， 等 2 0 0 5年第 1 0期 利用 A c t i v e X编程思想 ， 将 V B A与 Ma t l a b 6 0进 行无缝连接 ， 使编程更快捷、 更专业、 更灵 活。混合 编程思路为 ： 用 V B A进行用户接 口、 数据获得 的编 程 ， 在数据处理、 复杂图形绘制时 ， 通过 A c t i v e X接口 使用 M a t l a b ， 将 Ma t l a b处理的结果 回传给 V B A 。简 而言之： 即前台是 V B A编程 ， 后 台是 M a t l a b辅助。 如图 1 所 示 。 基 于A u t o C A D 的V B A 编程平台 v e X 对象 回传M A T 理数据 理结果 l 姒 T L B 处 理 平 台l 图 1 VB A与 MA T L AB的 混 合 编 程 关 系 Fi g 1 Re l a l i o ns h i p o f pr o g r a m ( 2 ) M a t l a b的 A c fi v e X接口介绍 Ma t l a b的 A c t i v e X接 口使其 能 同时支持 A c t i v e 客户和服务器的应用。针对上文混合编程的思路 ， 在本文中，仅对其作为 A c t i v e服务器这一应用进行 介绍。A c t i v e 服务器 ，即表示 M a t l a b可以被任何可 作 A c t i v e X容 器的 Wi n d o w s程序加载并控制。Ma t 1 a b 6 0安装后 ，即在 Wi n d o w s 注 册 表 中注册了一个 A c fi v e X接 口项 Ma t l a b A p p l i c a t i o n 。它支持 5个方法 ： E x e c u t e ： 此方法的定义为： B S T R Exe c u t e ( i n B S T R C o rn m n d ) 用在 Ma t l a b中执行一条语句。它接受一个 Ma t l a b的命令字符串作为参数 ， 在 M a t l a b工作 区内执行 这条命令 ， 并返回输出字符串， 命令生成的图形窗口 将显示在屏幕上。 G e t F u l l Ma t r i x ： 此方法 的定 义为 ： v o i d G e t F u l l Ma t r i x ( i n B S T R N a m e ， i n B S T R Wo r k s p a c e ， i n ， o u t s A F E A R R A Y ( d o u b l e ) * p r ， i n ， o u t S A F E A R R A Y ( d o u b l e ) * p i ) 此方法用来将 Ma t l ab 中的一个矩阵变量传送到 V B程序的一个 1 维或 2维数据组中。其中 N a m e 指 定了 Ma t l a b中的矩阵变量名 ； Wo r k s p a c e 指定 了该矩 阵变量所在的 Ma t l a b工作 区， 一般用 “ b a s e ” 表示 ； p r 是指 向 V B程序中的实部数据组 ， p i 是指 向虚部数 据 。 P u t F u l l Ma t r i x 此方法 的定 义为 ： v o i d P u t F u l 1 M a t r i x( i n B S T R N a m e ， i n 姗Wo r k s p a c e ， i n ， o u t s A F E A R R A Y ( d o u b l e ) * p r ， i n ， m n s A F E A R R A Y ( d o u b l e ) * p i ) 此方法用于将 V B程序的一个 1 维或 2维数据 组传送到 Ma t l a b的矩阵变量中去。 M i n i m i z e C o m m a n d Wi n d o w 此方法用于使 Ma t l a b命令行 ( C o m m a n d ) 窗 口最 小化， 其定义为： v o i d Mi n i m i z e C o m m a n d Wi n d o w ( )可以直接调用。 M a x i m i z e C o m m a n d Wi n d o w 此方法用于使 M a t l a b命令行 ( C o m ma n d ) 窗 口最 大化， 其定义为： v o i d Ma x i m i z e C o m m a n d Wi n d o w ( )可以直接调用。 Ma t l a b对象的的这些方法 ， 在支持 A c t i v e X的应 用程序 中都可以直接调用。因此工作中可以在 V B 等高级语言中都能进行应用。同时各种编程语言也 可以根据 自身工作 的不同， 创建 自己操纵 M a t l a b的 方法。 ( 3 ) V B A与 M a d a b 6 0基于 A c t i v e X的混合编程 使用 V B A与 M a t l a b 6 0的混合 编程 ， 首先应在 应用程序中创建 A c t i v e X对象 ： D i m Ma t l a b a s O b j e c t S e t Ma t l a b =C r e a t e O b j e c t ( “ Ma t l a b A p p l i c a t i o n ” ) 然 后 可以运用 上节介 绍 的 5种方法 对 Ma t l a b 进 行操作 ， 传递数据 ， 执行命令 ， 获得数据 ， 最大、 最小 化 M a t l a b等。语句简单方便 。 2 2系统的 结构和功 能 如图2所示， 系统主要模块有 ： 三维造型模块、 单步示教模块 、 动 画仿真模块、 轨迹规划模块、 数据 记录模块及当前位姿模块。该系统可实现的功能主 要有 ： ( 1 ) 在建立机器人数学模型 的基础 上， 构造 了 E T一1 8 H E R O的机器人 的几何模型 ， 能在微机 上显 示其三维图形 ； 并且可以按照用户通过对话框输入 的尺寸修改模 型， 在交 互方式 下， 实 现 了 E T一1 8 H E R O的参数化三维造 型。( 2 ) 能够 在关 节空间和 笛卡尔空间中进行机器人运动学 的单步示教， 并可 实现机器人各个关节的连续动画显示。( 3 )可在屏 幕上显示其各状态机器人各关节的关节变量和手爪 位姿的具体数值 ， 并将示教数据写入数据文件。( 4 ) 能够在笛卡尔空间中进行轨迹规划仿真。给定机器 人手爪的起始、 终止位姿 ， 就可按照直线插补及圆弧 插补方法， 在屏幕上显示出各个动态插补状态。 维普资讯 2 0 0 5年第 l 0期 A u t o C A D V B A与M A T L A B 混合编程开发机器人仿真系统梁飞华， 等 7 7 图 2 机器人仿真 系统结构框图 Fi g 2 S t r u c t u r e d i a g r a m o f s i mu l a t i o n s y s t e m A u t o C A D系统加载 的机器人菜单如图 3所示 ， 其中造型模块运行结果如图 4所示。 图 3机器 人 粟 单 F i g 3 Ro b o t I n e i l u 3结语 本文给出的是一个机器人的参数化造型和仿真 系统 ， 该系统以 E T一1 8 H E R O机器人为仿真对象， 以 实体造型技术进行了机器人的几何造型。系统能在 微机上显示机器人的三维图形 ， 可 以按照用户给出 的尺寸修改模型， 在交互方式下 ， 实现 E T一1 8 H E R O 的参数化造型 ； 该系统能够在关节空间和笛卡尔空 间中进行运动学的图形仿真 ，还能进行点到点直线 插补轨迹的动画显示 ， 机器人的动作可以示教再现 ， 也可以由程序设定。该系统选 用 A u t o C A D V B A语 言编程 ， 程序采用模块 化设 计方法 ， 应用 了菜 单技 术。其特点： ( 1 ) 低硬件要求 ； ( 2 ) 三维图形 的高质 量； ( 3 ) 实时性 ； ( 4 ) 易开发性。 图 4 E T一1 8 H E R O造型模块 运行 结果 Fig 4 Th e r e s ul t o f mo d e l i ng 参考文献 ： 1 蔡 自兴 机器人学 M 北京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 0 2 梁飞华 A u t o C A D V B A与 M A T L A B环境 下的机 器人 运动 学仿 真 D 太原 ： 太原理工大学 ， 2 0 0 3 3 赵志诫 基 于 V B与 MA T L A B的直流调速 系统仿真软件 开发 J 电气传动 自动化 ， 2 0 0 2 ， ( 1 ) ： 3 7 4 0 4 王跃强 V B程 序中实现调 用 MA T L A B的方法 J 计 算机应 用 ， 2 0 0 1 。 2 1 ( 2 ) ： 9 5 9 6 5 李波 机器人三维运动仿真 盯 机器人 ， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 7 ) ： 4 44 6 作者简介 ：梁飞 华 ( 1 9 6 8一) ， 广 东 茂 名 人 ， 讲 师 ， 硕 士 ， 从 事 C A D C A M及 计算 机 仿 真 等 领 域 的 教 学 与 科 研 工 作 T e l ： 0 6 6 8 2 9 2 3 9 1 7 E ma i l ： f e ih u a O 0 6 1 6 3 c 0 m 收稿 日期 ： 2 0 0 5 0 6 0 3 Au t o CAD VBA M i x e d t h MAT L AB Pr o g r a m t o De v e l o p Ro b o t i m ul at m n y s t e m LI ANG Fe i hu a ，DENG yu*，XI NG Zhe nt o n g 2 ( 1 Ma o m i n g C o l l e g e ， Ma o mi n g 5 2 5 0 0 0， C h i n a ； 2 T a i y u a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，T a l y u a n 0 3 0 0 2 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n t r o d u c e t h e me tho d a p p l y VBA a n d MAT LAB mi x e d p r o g r a m t o d e v e l o p the rob o t s i mu l a t i o n s y s t e m T h a t me thod u s e d Au t o CAD VB A 日 L s the d e v e l o p me n t e n v i ron me n t 。MATLAB a s the b a c k s t a g e ma t r i x c a l c u l a t i o n e n g i n e。AU- t o C A D日 L s t h e g r a p h i c d i s p l a y i n t e r f a c e E x a m p l e d w i th t l I e 8 i x t u r n i n g j o i n t robot 。 e x p a t i a t i n g t h e k e y t e c h n i q u e s i n t h e s y s t e m d e v e l o p me n