基于VC平台的服务机器人运动控制与仿真方法.pdf

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1、基于VG平台髓服务栅器人运动控制与仿真方法丰口黄万永口屠大维1,2口江济良。1．上海大学机电工程与自动化学院上海2000722．上海市智能制造及机器人重点实验室上海200072摘要：提出了在VC平台下实现服务机器人虚拟运动控制和仿真的有效方法，该方法通过OpenGL建立服务机器人及环境模型．并采用树形数据结构进行快速存储和驱动；它是一个采用MVC结构的开放式体系，能够嵌入其它平台的C／C++算法和3D模型：通过定义机器人的连杆坐标系建立机器人的运动学模型，引入设计模式中的“观察者”模式，建立仿真

2、系统中各种软件模块之间的实时信息更新机制．实现机器人运动的实时分析、计算、虚拟控制和仿真。以正在研究的服务机器人为例．结合智能语义规划方法，演示了虚拟倒水作业仿真过程，验证了该方法的有效性。关键词：服务机器人运动控制虚拟仿真中图分类号：THl13．2：TP391文献标识码：A文章编号：1000—4998(2014)08—0030—05机器人仿真技术为机器人的设计和研究提供了一1服务机器人仿真系统的实现步骤个高效、便利的手段。是机器人学研究中的一项重要内容。迄今为止，国内外进行了大量的机器人仿真方

3、法和1．1仿真模型的构建与存储仿真系统的研究．主要研究工作都集中在3D制图软虚拟机器人是以现实的服务机器人为蓝本．借助构中尺件仿真模块的应用、MATLAB仿真以及OF，enGL仿OpenGL3D强大的图形接口．完成机器人基本模型的真If_5等方面绘制如图1所示．机器人的几何模型由若干个部件模3D制图软件包括UG、Pro／E等主要应用于产品型拼装而成．部件间的相互位置关系由装配信息(关节的设计和分析．仿真只在虚拟制造和虚拟加工领域应的结构参数和运动参数)唯一确定．装配信息包括关节用较广，其目的主要

4、在于制作动画、展示加工过程；类型、关节之间相对坐标关系、关节取向等。虚拟服务可扩展性低．不具备开放性。MATLAB在机器人领域机器人模型包括底座、中间躯干、模块化双臂、头部，为应用比较广泛．能够借助MATLAB的强大算法进行仿了真实验。但MATLAB具有两大先天的缺陷，一是它在和3D图形显示方面有着明显的不足．无法直观地表达树出机器人的末端位姿和工具手姿态．很难判断出机器个人与外部环境之间的干涉或碰撞[]：另一个是它作为。。——一个独立的数学计算平台．缺少与外部控制系统的接动口一制．般只应用于算

5、法的验证[8]。OpenGL是计算机图形技术领域的集大成者．它独立于硬件与窗口系统．运具有内核小、运行快、可移植等特点，并能够与VC平台“无缝”链接．因此被广泛应用于虚拟仿真系统的开发[]。笔者针对3D制图软件和MATLAB的不足．采用OpenGL3D图形接口建立服务机器人虚拟仿真模型．通过对仿真体系结构、系统的通信方法、3D模型的驱动、运动学算法等的设计，建立服务机器人虚拟仿真控制平台。该平台可以进行虚拟机器人的实时运动控制、轨迹规划、状态监控、虚拟漫游、虚拟示教等工作，并能够结合智能规划方法

6、完成虚拟倒水等仿真作业国家自然科学基金资助项目(编号：51075252)收稿日期：2014年1月I团2014／8机械制造52卷第600期中的各种任务，用户可以通过操控仿真机器人在仿真破坏．同时也消除了内存在不同线程和类之间快速切环境中完成相应的任务换中导致乱序的风险1．2仿真系统体系结构1．4仿真系统的运动控制为了使仿真系统能够真正模拟真实机器人的控制根据手臂硬件连接结构和D—H(Dena、，it—和操作过程。并能够与虚拟机器人相连完成模拟真实Hartenberg)参数描述方法．建立双臂服务机器

7、人六自机器人的控制过程．因此必须采用合理的仿真体系结由度手臂的连杆坐标系模型．如图4所示．并得到其构，保证仿真系统的可靠性和对机器人仿真的真实性D—H参数。D—H参数和各关节范围列于表l中。表1服务机器人手臂D—H参数仿真系统的体系结构如图3所示仿真系统采用C~i-Ia／，l／mmd]mmOi关节运动范围MVC(Mode1ViewController)结构设计。使控制器、视90。O0—180。

8、2(O)<+180。真系统控制器的输入可以是键盘(鼠标)、屏幕点动、遥90。OO一120。<03(O)<+120。控操作控制器等：这些输人产生的空间位移和方向转-90。OL2=276．5—180。<(O)<+18O。换是一个空间矢量．这个空间矢量为机器人的目的矢90。OO一120。<(O)<+120。量。通过对这个目的矢量的输入进行位置计算、运动学-90。O厶=345．2-180。<06(0)<+180。计算、限制监测计算等来驱动相应的模型．最后通过业其中，表示相邻Z轴之间的转角，a表示相邻Z务