利用虚拟仿真技术辅助机器人

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1、关于利用虚拟仿真技术辅助机器人维修示教的探讨周政华(山西华泽铝电有限公司电解厂)摘要:利用机器人虚拟仿真技术，可使检修人员在系统离线状态下对机器人进行编程，并以三维图形方式显示出机器人实际运行轨迹，这样通过离线编程平台进行新系统的测试，既避免了应用上的风险，保证了机器人系统的安全性，同时又降低了新程序应用的测试成本，并可以作为培训系统供检修人员进行虚拟操作使用。关键词：虚拟仿真离线编程机器人1引言在实际设备运行过程中存在许多影响正常生产状态的因素，而如何优化生产过程，减少这些因素所造成的损失，而仿

2、真技术可以将设备放在一个虚拟环境中，通过对已出现或未知的问题进行模拟，为找出解决此类问题提供了便捷的方法，这样不仅可以减少检修时间，保证生产的正常，也可以保证操作安全。而机器人离线技术的出现以及虚拟仿真技术的发展，正是应这样的要求，不仅可以将人从危险和恶劣的环境中解脱出来，也可以解决远程控制中的通信延时问题，同时利用机器人仿真技术可直观显示出机器人实际运行轨迹，而且不占用机器人作业时间，有利于提高经济效益。2仿真基本理论机器人仿真技术分为两大类：第一大类是设计机器人时所必须具有的结构分析和运动分析

3、仿真包括：(1)机器人的物理特性，比如形状等；(2)是机器人的动态特性，比如加速度、速度等，这需要参考机器人本身的动力学方程，而这个方程用来描述机器人的运动轨迹和特性。2.1机器人的结构仿真主要是对机器人进行物理特性仿真，在虚拟环境中是以三维实体模型表现的，可以用市面上较常用的Pro/E、UG、CATIA等三维设计软件进行建模。2.2机器人的运动学仿真是通过对建立的的函数模型，然后利用ADMAS、Matlab等专业软件对模型进行运动分析，例如图2.1为一台串联六自由度关节式机器人。图2.1两个相邻

4、坐标系i与i-1间的齐次变换矩阵(i=1,2,3…,6)为其中:ai-1为杆长；di为杆件偏距；qi为关节变量。经运动学整解，可得到机器人末端的位姿，而已知机器人末端的位姿，经过运动学反解可求得对应六个关节的角度，这样就可利用仿真系统在关节空间中控制机器人的各种位姿。2.3第二大类是机器人控制系统仿真，进行如下控制功能仿真：1）单关节PID控制；1）分解运动的速度控制；2）分解运动的加速度控制；3）计算力矩控制；4）最优控制；5）解耦控制；6）自适应控制；7）变结构控制；8）多机器人协调控制；9）

5、柔性运动控制等；对机器人控制系统的仿真的重点是如何让机器人根据传感器传回来的数据模拟出实际的运动轨迹,并可以对急停装置、连图2.2为一台六自由度机器人的控制系统图锁等)、驱动控制、系统输入输出、传感器跟踪等状态实施仿真。3虚拟仿真系统简介现场使用的虚拟系统包括如下内容：1）三维虚拟软件系统；2）机器人虚拟模型，软件接口（主要将现有设备的运行参数返回给虚拟系统）；3）仿真系统与控制界面的交互控制，包括键盘交互、离线编程等；4）机器人的碰撞检测；5）机器人工作环境，包括现场模型、视图控制、多视角检测等

6、。3.1离线编程系统离线编程系统将工业加工过程所需要的三维信息通过CAD模型、三维测量仪器输入到交互式机器人系统软件，根据输入信息该模块自动产生机器人运动轨迹和程序，并针对不同的作业过程设置相应的过程参数，对生产过程进行控制。采用离线编程避免了生产过程的中断，提高了设备使用率，与常用的手工在线逐点机器人编程法相比较，该模块的使用将大大缩短编程时间。目前有很多公司都提供基于图形界面的离线编程解决方案，而且与我们现场所需的机器人虚拟仿真系统与离线编程系统的要求也最为接近，这里作为重点进行分析。基于虚拟

7、控制器技术的离线编程系统，可以向离线编程系统中导入各种类型的机器人和外部轴设备，这些机器人具备和真实机器人同样的机械结构和控制软件，因此您可以在离线编程系统中模拟机器人的各种运动、控制过程，全程对生产过程时间及周期进行准确测算、碰撞检测等。3.1.1MVC系统构架MVC(Model、View、Controller)模型-视图-控制器系统，主要为离线编程系统提供信息的输入输出，包括以下三个层次：模型层：是指抽象的控制对象的数学或者程序模型，如机器人的D-H模型，以及自定义的一个关键的MyRobot类

8、作为控制对象。例如图2.1所示。视图层：指GUI用户界面、虚拟环境、数据报表等；机器人的虚拟工作环境一般来说都比较结构化（除了在室外工作的机器人），很多因素基本可以忽略。而在仿真环境中，重点是仿真传感器将根据传感器的位置返回环境数据，比如距离和角度，然后将这些数据传输仿真系统得路径规划或是导航控制程序，用来计算出所需的控制量，然后将这些控制量发送给仿真机器人，计算出执行这些指令之后的状态，比如虚拟环境中的位置和角度，以及移动速度和旋转角度。图3.2显示了仿真系统中各模块之间的关系。