機器人系統(tǒng)仿真

　　1英文

　　機器人系統(tǒng)仿真

　　【simulationofrobotsystem】

　　2簡介

　　通過計算機對實際的機器人系統(tǒng)進行模擬。機器人系統(tǒng)仿真可以通過單

　　仿真機器人

　　機或多臺機器人組成的工作站或生產(chǎn)線。仿真可以通過交互式計算機圖形技術(shù)和機器人學(xué)理論等，在計算機中生成機器人的幾何圖形，并對其進行三維顯示，用來確定機器人的本體及工作環(huán)境的動態(tài)變化過程。通過系統(tǒng)仿真，可以在制造單機與生產(chǎn)線之前模擬出實物，縮短生產(chǎn)工期，可以避免不必要的返工。在使用的軟件中，工作站級的仿真軟件功能較全，實時性高且真實性強，可以產(chǎn)生近似真實的仿真畫面；而微機級仿真軟件隨實時性和真實性不高，但具有通用性強、使用方便等優(yōu)點。目前機器人系統(tǒng)仿真所存在的主要問題是仿真造型與實際產(chǎn)品之間存在誤差，需要進一步的研究解決。

　　3發(fā)展概況

　　國外很早便認(rèn)識班機器人仿真在機器^研究和應(yīng)用方面的重要作用，并從70年代開始進行了這方面的研究工作．在許多從事機器人研究的部門都裝備有功能較強的機器人仿真軟件系統(tǒng)，它們?yōu)闄C器人的研究提供了靈活和方便的工具倒如，美國Cornell大學(xué)開發(fā)了一個通用的交互式機器人圖形仿真系統(tǒng)INEFFABELLE，它不是針對某個具體機器人，而是利用它可以很容易建立所需要的機器人及環(huán)境的模型，并且具有圖形顯示和運動的功能。西德Saarlandes大學(xué)開發(fā)了一個機器人仿真系統(tǒng)R0BsIM，它能進行機器人系統(tǒng)的分析、綜合及離線編程，美國Maryland大學(xué)開發(fā)了一個機械手設(shè)計和分析的工具DYNAMAN，它能產(chǎn)生機械手的動力學(xué)模型．根據(jù)需要可以自動產(chǎn)生F0RTRAN的仿真程序，同時也可產(chǎn)生符號表示的雅可比矩陣MIT開發(fā)了一個機器人CAD軟件包OPTARMⅡ，它可用于時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃的研究。Michigan大學(xué)開發(fā)了一個機器人圖形編程系統(tǒng)——PR0GREss，其特點是菜單驅(qū)動和光標(biāo)控制，并能有219圖形符號來仿真外界的傳感器和執(zhí)行部件，以使用戶獲得更加接近真實的編程環(huán)境．

　　自80年代以來國外已建成了許多用于機器人工作站設(shè)計和離線編程的仿真系統(tǒng)，例如美國McAuto公司開發(fā)了機器人仿真系統(tǒng)PLACE，它主要用于機器人工作站的設(shè)計；PIRensselaerPolytechnicInstitute)研制了GRASPCalma公司在GRAsP的基礎(chǔ)上開發(fā)了Robot—SIM軟件，它主要用于工作站設(shè)計和機器人選型。通用電氣公司的研究開發(fā)部對Robot-SIM進行丁改進工作。Intergraph公司也研制了一個機器人仿真系統(tǒng)，它更加強調(diào)機器人的動力學(xué)特性和控制系統(tǒng)對精度及整個性能的影響。Computervision公司開發(fā)了軟件包obographix，它具有產(chǎn)生機器人工作路徑、仿真機器人運動及碰撞檢測等多種功能。目前它能對8種常用的機器人進行仿真。Autosimu]ations公司研制了兩個機器人仿真軟件包AutoMod和AutoGramAutoGram是利用GPSS仿真語言的建模軟件，AutoMod是圖形顯示軟件。Deneb公司開發(fā)了IGRIP軟件，它主要用于工作站設(shè)計和離線編程SRI國際部研制了仿真軟件包RCODE，它具有幾乎實時的碰撞檢測功能西德Kadsruke大學(xué)建立了機器人仿真系統(tǒng)ROSI和ROS2。法國LAMM開發(fā)了CARO系統(tǒng)，它主要強調(diào)三維數(shù)據(jù)庫設(shè)計技術(shù)，快速性及能在小機器上運行是其追求的目標(biāo)。以色列OSHAP公司推出了ROBCAD，它主要用于工作站設(shè)計和離線編程，并能將程序下裝到系統(tǒng)內(nèi)。在以上舟紹的軟件中．大部分已經(jīng)商品化，并已在很多生產(chǎn)和研究部fJ獲得了廣泛應(yīng)用。

　　國內(nèi)從80年代后期起，許多單位也開始從事機器人仿真技術(shù)的研究工作。在國家高技術(shù)計劃自動化領(lǐng)域智能機器凡號題中，清華大學(xué)浙江大學(xué)、沈陽自動化所及上海受大等單位承擔(dān)了機器人系統(tǒng)仿真的研制任務(wù)，取得了多項研究成果，本文后面還將對此工作專門介紹。哈工大、北航、國防科大等單位承擔(dān)了機器人機構(gòu)仿真的任務(wù)，攝后也研制成功一個大型的機器人仿真軟件。fl；fl，，還有不少單位針對某一具體方面進行了廣泛深入的機器人仿真技術(shù)的研究。

　　4機器人本身的設(shè)計和研究

　　機器人仿真主要應(yīng)用在兩個方面一是機器人本身的設(shè)計和研究，這里機器人本身包括機器人的機械結(jié)構(gòu)以及機器人的控制系統(tǒng)，它們主要包括機器人的運動學(xué)和動力學(xué)分析。各種規(guī)劃和控制方法的研究等。機器人仿真系統(tǒng)可為這些研究提供靈活和方便的研究工具，它的用戶主要是從事機器人設(shè)計和研究的部門和高等學(xué)校。機器人仿真的第二個方面的主要應(yīng)用是那些以機器人為主體的自動化生產(chǎn)線，它包括機器人工作站的設(shè)計、機器人的選型、離線編程和碰撞檢測等。機器人可為此提供既經(jīng)濟又安全的設(shè)計和試驗的手段，它的用戶主要是那些使用機器人的產(chǎn)業(yè)部門。目前，用于這方面的機器人仿真系統(tǒng)最常見的ROBCAD和IGRIP。下面以機器人離線編程為例來說明機器人仿真系統(tǒng)的應(yīng)用。機器人是一種通用機械，通過重新編程，它可以完成不同的工作任務(wù)當(dāng)機器人改變工作任務(wù)時，通常需中斷機器人的當(dāng)前工作，先對機器人進行示教編程，然后機器人按照新的程序執(zhí)行新的工作．若借助于機器人仿真系統(tǒng)就可首先在仿真系統(tǒng)上進行離線編程，然后將編好的程序裝到機器人中，機器人便可按照新的程序執(zhí)行新的工作，因此機器人可不必中斷當(dāng)前的工作，從而提高了生產(chǎn)效率，而且這種方法既經(jīng)濟又安全。利用機器人仿真系統(tǒng)進行離線編程在國外已十分普遍，它是機器人仿真系統(tǒng)應(yīng)用最普遍和最典型的例子。

　　5機器人的教學(xué)和培訓(xùn)

　　機器人仿真系統(tǒng)的另外一個應(yīng)用是它可以用于機器人的教學(xué)和培訓(xùn)。機器人是一個比較昂貴的設(shè)備，在進行機器人教學(xué)時，不可能用許多實際的機器人來作為教學(xué)和培訓(xùn)的試驗設(shè)備，機器人仿真系統(tǒng)可為此提供一個方便和靈活的試驗工具和手段。

　　6遙控操作機器人

　　機器人仿真對于遙控操作機器人有著特殊的應(yīng)用。1993年德國空間研究機構(gòu)在美國的哥倫比亞號航天飛機上進行了搭載試驗，其中一項內(nèi)容便是地面操作人員對在航天飛機上的空間機器人進行遙控操作由于從地面到空間的信號傳輸往返時間達7秒鐘。對于這么大的延時，通過手控操作來遙控機器人顯然是非常困難的。解決這個大延時間題的唯一有效的途徑是利用三維圖形實時仿真。即通過對空間機器人及周圍環(huán)境進行實時仿真，建立一個虛擬的現(xiàn)實環(huán)境，操作人員對仿真圖形進行操作。由于操作人員與仿真圖形之間不存在延時，因而這種控制是非常容易的。而實際的機器人則在幾秒鐘后跟著仿真圖形的動作而動作，從而實現(xiàn)了地面控制人員對空問機器人的遙控操作，有效地解決了大時延的問題。這里機器人三維實時圖形仿真起到了關(guān)鍵的作用。目前我國已開始從事這方面的研究工作。

　　7仿真平臺開發(fā)軟件OpenGL技術(shù)

　　隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，三維實體建模技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。OpenGL是OpenGraphicsLibrary的縮寫，它是SGI公司開發(fā)的一套高性能圖形處理系統(tǒng)。OpenGL的特點包括：硬件無關(guān)性，可以在不同的平臺上實現(xiàn)；建模方便，可以構(gòu)建相當(dāng)復(fù)雜的幾何造型；出色的編程特性，由于OpenGL可以集成到各種標(biāo)準(zhǔn)視窗和操作系統(tǒng)中，因此基于OpenGL的三維仿真程序有良好的通用性和可移植性。

　　OpenGL的庫函數(shù)被封裝在OpenGL32.d11動態(tài)鏈接庫中，從客戶應(yīng)用程序發(fā)布的對OpenGL函數(shù)的調(diào)用首先被OpenGL32處理，在傳給服務(wù)器后，被Winsrv.dll進一步進行處理，然后傳遞給DDI(DeviceDriverInterface)，最后傳遞給視屏驅(qū)動程序。

　　微軟機器人仿真平臺的開發(fā)（MRDS）

　　微軟機器人開發(fā)工作室（MicrosoftRoboticsDeveloperStudio，以下簡稱MRDS）使機器人愛好者，研究人員和商業(yè)開發(fā)者能夠更容易的在多種硬件平臺下建立機器人的應(yīng)用程序。MRDS軟件開發(fā)包包含一個輕量級的，面向服務(wù)的運行時，一套可視化編輯和模擬工具以及開發(fā)示例代碼和開發(fā)指南。在美國，德克薩斯大學(xué)約翰.普雷沃斯特（JohnPrevost）等在MRDS仿真環(huán)境中對水下機器人（潛艇）在水下的工作情況進行了仿真。學(xué)者亞歷杭德羅.門德斯（AlejandroMendez）博士建立了機器人三維模型，將其嵌入到微軟工業(yè)機器人仿真平臺的仿真環(huán)境中，來分析虛擬機器人的行為。在中國，臺灣淡江大學(xué)學(xué)者劉寅春（PeterLiu）將MRDS應(yīng)用于安全機器人的仿真。大陸學(xué)者對MRDS的研究較少，哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院的王宏、張東來等，上海交通大學(xué)尹航、言勇華分別將MRDS應(yīng)用于工業(yè)機器人和仿人機器人的仿真。浙江大學(xué)黃立等人在MRDS的基礎(chǔ)上定義了機器人模型定義系統(tǒng)（MDS）和機器人模擬仿真控制系統(tǒng)（SCS）。南京理工大學(xué)自動化學(xué)院將MRDS用于多機器人系統(tǒng)編隊控制研究等。