利用虚拟仿真技术辅助机器人
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。
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；d i 为杆件偏距； i 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；
2） 分解运动的速度控制；
3） 分解运动的加速度控制；
4） 计算力矩控制；
5） 最优控制；
6） 解耦控制；
7） 自适应控制；
8） 变结构控制；
9） 多机器人协调控制；
10） 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。
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。
3.1.1 MVC 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。
图3.2仿真系统各部分之间的关系
控制层：指根据业务流程组织的相对集中的控制算法，比如运动学引擎、场景视图控制器、文档管理和分析器等，其中模型的运动仿
真引擎主要提供以下功能：1、各种设备的关节运动、回到零位运动；
2、单机器人设备和协调运动设备的目标点运动、圆弧运动、沿路径移动；3、路径运动运动方式和仿真步长设定等，尤其路径功能是离线编程的一大特点，使得机器人工具的运动过程能可视的记录下来，以便于用户的编辑。路径内容包括各路径点处机器人辅助轴关节角值、机器人极坐标意义下的TCP （Tool Centre Point）位姿，参数等。
3.2 路径跟踪方式
一般机器人路径跟踪方式为直线和圆弧跟踪
直线跟踪方式应用的情况较多，它又分为切线和弦线两种，其中切线跟踪方式是机器人通过在不同位置对不同直线的跟踪来达到对曲线的跟踪。但注意的是跟踪时的误差累计，在编程时应及时清零，保证跟踪精度。例如图3.3所示为线性跟踪的误差分析，用采样点O i 处的切线 SO i 来逼近曲线 O i-1O i ，由于机器人在运动过程中对控制指令有滞后现象，当采样点A 位于切线与曲线之间时，移动机器人将误认为产生了右偏差，控制器将产生向左的纠偏指令，从而导致误差加大，而且随着滞后现象的加剧，跟踪误差将随之加大。
图3.3 切线跟踪方式
圆弧跟踪方式相当于用分段圆弧来拟合曲线路径, 该方法在一定程度上改善了切线跟踪和弦线跟踪的不足，路径跟踪精度有一定的提高，但由于分段跟踪圆弧的曲率在路径跟踪中是不变的，因此当路径采样圆弧与分段跟踪圆弧的曲率半径差别较大时，尤其是当路径采样圆弧出现直线、采样点位于二者之间时，机器人也会产生远离期望路径的纠偏指令，使得跟踪误差加大。
下面以图3.4为一机器人在输送线上对物体的跟踪方式，输送跟踪系统的硬件包括输送机(Conveyor)、同步开关(Synchronization Switch)、编码器(Encoder)、控制柜(Controler)、机器人(Robot)。在输送跟踪过程中，机器人TCP(Tool Centre Point) 将自动分配到输送的物体上。当物体通过同步开关或通过一段距离，机器人将对物体进行操作。
图3.4 输送线物体跟踪坐标系统图
在上述基础上还可实现机器人的多重运动，即两台机器人在同一生产线上工作，除共同使用一个编码器外，各机器人都有独立的控制器和控制程序。
图3.5机器人抓取物体的仿真实例图
4 结论
利用机器人虚拟仿真技术可完成运动轨迹、控制程序的仿真。它充分利用了机器人离线线示教简单、直观的优点，同时又借助于计算机软硬件的最新技术，尤其将虚拟现实技术用于机器人示教，因而具有安全、高效、成本低等优点，同时机器人虚拟仿真系统不仅可作为日常维修使用，又可作为修理人员的培训之用。
参考文献：
1、张爱红、 张秋菊 基于虚拟现实技术的机器人示教方法 江南大学学报(自然科学版) 2003.9[3] 1671一7147(2003)03一0258一0
2、罗阿妮、张家泰、刘贺平 利用adams 仿真分析五自由度机械手 计算机仿真 2005.7[7]
3、李波. 机器人三维运动仿真［J ］. 机器人，1999，21（7）：44 - 46
4、薛定宇, 陈阳泉. 系统仿真技术与应用. 北京:清华大学出版社,2002
5、熊有伦. 机器人技术基础[M ]. 武汉:华中理工大学出版社,1997
6、机器人虚拟仿真系统初步研究
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)
二OO 七年九月