機(jī)器人系統(tǒng)仿真

　　1英文

　　機(jī)器人系統(tǒng)仿真

　　【simulationofrobotsystem】

　　2簡(jiǎn)介

　　通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行模擬。機(jī)器人系統(tǒng)仿真可以通過(guò)單

　　仿真機(jī)器人

　　機(jī)或多臺(tái)機(jī)器人組成的工作站或生產(chǎn)線。仿真可以通過(guò)交互式計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和機(jī)器人學(xué)理論等，在計(jì)算機(jī)中生成機(jī)器人的幾何圖形，并對(duì)其進(jìn)行三維顯示，用來(lái)確定機(jī)器人的本體及工作環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。通過(guò)系統(tǒng)仿真，可以在制造單機(jī)與生產(chǎn)線之前模擬出實(shí)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(jí)的仿真軟件功能較全，實(shí)時(shí)性高且真實(shí)性強(qiáng)，可以產(chǎn)生近似真實(shí)的仿真畫(huà)面；而微機(jī)級(jí)仿真軟件隨實(shí)時(shí)性和真實(shí)性不高，但具有通用性強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。目前機(jī)器人系統(tǒng)仿真所存在的主要問(wèn)題是仿真造型與實(shí)際產(chǎn)品之間存在誤差，需要進(jìn)一步的研究解決。

　　3發(fā)展概況

　　國(guó)外很早便認(rèn)識(shí)班機(jī)器人仿真在機(jī)器^研究和應(yīng)用方面的重要作用，并從70年代開(kāi)始進(jìn)行了這方面的研究工作．在許多從事機(jī)器人研究的部門(mén)都裝備有功能較強(qiáng)的機(jī)器人仿真軟件系統(tǒng)，它們?yōu)闄C(jī)器人的研究提供了靈活和方便的工具倒如，美國(guó)Cornell大學(xué)開(kāi)發(fā)了一個(gè)通用的交互式機(jī)器人圖形仿真系統(tǒng)INEFFABELLE，它不是針對(duì)某個(gè)具體機(jī)器人，而是利用它可以很容易建立所需要的機(jī)器人及環(huán)境的模型，并且具有圖形顯示和運(yùn)動(dòng)的功能。西德Saarlandes大學(xué)開(kāi)發(fā)了一個(gè)機(jī)器人仿真系統(tǒng)R0BsIM，它能進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)的分析、綜合及離線編程，美國(guó)Maryland大學(xué)開(kāi)發(fā)了一個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)和分析的工具DYNAMAN，它能產(chǎn)生機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)模型．根據(jù)需要可以自動(dòng)產(chǎn)生F0RTRAN的仿真程序，同時(shí)也可產(chǎn)生符號(hào)表示的雅可比矩陣MIT開(kāi)發(fā)了一個(gè)機(jī)器人CAD軟件包OPTARMⅡ，它可用于時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃的研究。Michigan大學(xué)開(kāi)發(fā)了一個(gè)機(jī)器人圖形編程系統(tǒng)——PR0GREss，其特點(diǎn)是菜單驅(qū)動(dòng)和光標(biāo)控制，并能有219圖形符號(hào)來(lái)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(shí)的編程環(huán)境．

　　自80年代以來(lái)國(guó)外已建成了許多用于機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)和離線編程的仿真系統(tǒng)，例如美國(guó)McAuto公司開(kāi)發(fā)了機(jī)器人仿真系統(tǒng)PLACE，它主要用于機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)；PIRensselaerPolytechnicInstitute)研制了GRASPCalma公司在GRAsP的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了Robot—SIM軟件，它主要用于工作站設(shè)計(jì)和機(jī)器人選型。通用電氣公司的研究開(kāi)發(fā)部對(duì)Robot-SIM進(jìn)行丁改進(jìn)工作。Intergraph公司也研制了一個(gè)機(jī)器人仿真系統(tǒng)，它更加強(qiáng)調(diào)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性和控制系統(tǒng)對(duì)精度及整個(gè)性能的影響。Computervision公司開(kāi)發(fā)了軟件包obographix，它具有產(chǎn)生機(jī)器人工作路徑、仿真機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及碰撞檢測(cè)等多種功能。目前它能對(duì)8種常用的機(jī)器人進(jìn)行仿真。Autosimu]ations公司研制了兩個(gè)機(jī)器人仿真軟件包AutoMod和AutoGramAutoGram是利用GPSS仿真語(yǔ)言的建模軟件，AutoMod是圖形顯示軟件。Deneb公司開(kāi)發(fā)了IGRIP軟件，它主要用于工作站設(shè)計(jì)和離線編程SRI國(guó)際部研制了仿真軟件包RCODE，它具有幾乎實(shí)時(shí)的碰撞檢測(cè)功能西德Kadsruke大學(xué)建立了機(jī)器人仿真系統(tǒng)ROSI和ROS2。法國(guó)LAMM開(kāi)發(fā)了CARO系統(tǒng)，它主要強(qiáng)調(diào)三維數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)技術(shù)，快速性及能在小機(jī)器上運(yùn)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(jì)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(guó)內(nèi)從80年代后期起，許多單位也開(kāi)始從事機(jī)器人仿真技術(shù)的研究工作。在國(guó)家高技術(shù)計(jì)劃自動(dòng)化領(lǐng)域智能機(jī)器凡號(hào)題中，清華大學(xué)浙江大學(xué)、沈陽(yáng)自動(dòng)化所及上海受大等單位承擔(dān)了機(jī)器人系統(tǒng)仿真的研制任務(wù)，取得了多項(xiàng)研究成果，本文后面還將對(duì)此工作專門(mén)介紹。哈工大、北航、國(guó)防科大等單位承擔(dān)了機(jī)器人機(jī)構(gòu)仿真的任務(wù)，攝后也研制成功一個(gè)大型的機(jī)器人仿真軟件。fl；fl，，還有不少單位針對(duì)某一具體方面進(jìn)行了廣泛深入的機(jī)器人仿真技術(shù)的研究。

　　4機(jī)器人本身的設(shè)計(jì)和研究

　　機(jī)器人仿真主要應(yīng)用在兩個(gè)方面一是機(jī)器人本身的設(shè)計(jì)和研究，這里機(jī)器人本身包括機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及機(jī)器人的控制系統(tǒng)，它們主要包括機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。各種規(guī)劃和控制方法的研究等。機(jī)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(jī)器人設(shè)計(jì)和研究的部門(mén)和高等學(xué)校。機(jī)器人仿真的第二個(gè)方面的主要應(yīng)用是那些以機(jī)器人為主體的自動(dòng)化生產(chǎn)線，它包括機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)、機(jī)器人的選型、離線編程和碰撞檢測(cè)等。機(jī)器人可為此提供既經(jīng)濟(jì)又安全的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的手段，它的用戶主要是那些使用機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)部門(mén)。目前，用于這方面的機(jī)器人仿真系統(tǒng)最常見(jiàn)的ROBCAD和IGRIP。下面以機(jī)器人離線編程為例來(lái)說(shuō)明機(jī)器人仿真系統(tǒng)的應(yīng)用。機(jī)器人是一種通用機(jī)械，通過(guò)重新編程，它可以完成不同的工作任務(wù)當(dāng)機(jī)器人改變工作任務(wù)時(shí)，通常需中斷機(jī)器人的當(dāng)前工作，先對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教編程，然后機(jī)器人按照新的程序執(zhí)行新的工作．若借助于機(jī)器人仿真系統(tǒng)就可首先在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行離線編程，然后將編好的程序裝到機(jī)器人中，機(jī)器人便可按照新的程序執(zhí)行新的工作，因此機(jī)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(jì)又安全。利用機(jī)器人仿真系統(tǒng)進(jìn)行離線編程在國(guó)外已十分普遍，它是機(jī)器人仿真系統(tǒng)應(yīng)用最普遍和最典型的例子。

　　5機(jī)器人的教學(xué)和培訓(xùn)

　　機(jī)器人仿真系統(tǒng)的另外一個(gè)應(yīng)用是它可以用于機(jī)器人的教學(xué)和培訓(xùn)。機(jī)器人是一個(gè)比較昂貴的設(shè)備，在進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)時(shí)，不可能用許多實(shí)際的機(jī)器人來(lái)作為教學(xué)和培訓(xùn)的試驗(yàn)設(shè)備，機(jī)器人仿真系統(tǒng)可為此提供一個(gè)方便和靈活的試驗(yàn)工具和手段。

　　6遙控操作機(jī)器人

　　機(jī)器人仿真對(duì)于遙控操作機(jī)器人有著特殊的應(yīng)用。1993年德國(guó)空間研究機(jī)構(gòu)在美國(guó)的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)上進(jìn)行了搭載試驗(yàn)，其中一項(xiàng)內(nèi)容便是地面操作人員對(duì)在航天飛機(jī)上的空間機(jī)器人進(jìn)行遙控操作由于從地面到空間的信號(hào)傳輸往返時(shí)間達(dá)7秒鐘。對(duì)于這么大的延時(shí)，通過(guò)手控操作來(lái)遙控機(jī)器人顯然是非常困難的。解決這個(gè)大延時(shí)間題的唯一有效的途徑是利用三維圖形實(shí)時(shí)仿真。即通過(guò)對(duì)空間機(jī)器人及周?chē)h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，建立一個(gè)虛擬的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，操作人員對(duì)仿真圖形進(jìn)行操作。由于操作人員與仿真圖形之間不存在延時(shí)，因而這種控制是非常容易的。而實(shí)際的機(jī)器人則在幾秒鐘后跟著仿真圖形的動(dòng)作而動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了地面控制人員對(duì)空問(wèn)機(jī)器人的遙控操作，有效地解決了大時(shí)延的問(wèn)題。這里機(jī)器人三維實(shí)時(shí)圖形仿真起到了關(guān)鍵的作用。目前我國(guó)已開(kāi)始從事這方面的研究工作。

　　7仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)軟件OpenGL技術(shù)

　　隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，三維實(shí)體建模技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。OpenGL是OpenGraphicsLibrary的縮寫(xiě)，它是SGI公司開(kāi)發(fā)的一套高性能圖形處理系統(tǒng)。OpenGL的特點(diǎn)包括：硬件無(wú)關(guān)性，可以在不同的平臺(tái)上實(shí)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(kù)函數(shù)被封裝在OpenGL32.d11動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中，從客戶應(yīng)用程序發(fā)布的對(duì)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(jìn)一步進(jìn)行處理，然后傳遞給DDI(DeviceDriverInterface)，最后傳遞給視屏驅(qū)動(dòng)程序。

　　微軟機(jī)器人仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)（MRDS）

　　微軟機(jī)器人開(kāi)發(fā)工作室（MicrosoftRoboticsDeveloperStudio，以下簡(jiǎn)稱MRDS）使機(jī)器人愛(ài)好者，研究人員和商業(yè)開(kāi)發(fā)者能夠更容易的在多種硬件平臺(tái)下建立機(jī)器人的應(yīng)用程序。MRDS軟件開(kāi)發(fā)包包含一個(gè)輕量級(jí)的，面向服務(wù)的運(yùn)行時(shí)，一套可視化編輯和模擬工具以及開(kāi)發(fā)示例代碼和開(kāi)發(fā)指南。在美國(guó)，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(duì)水下機(jī)器人（潛艇）在水下的工作情況進(jìn)行了仿真。學(xué)者亞歷杭德羅.門(mén)德斯（AlejandroMendez）博士建立了機(jī)器人三維模型，將其嵌入到微軟工業(yè)機(jī)器人仿真平臺(tái)的仿真環(huán)境中，來(lái)分析虛擬機(jī)器人的行為。在中國(guó)，臺(tái)灣淡江大學(xué)學(xué)者劉寅春（PeterLiu）將MRDS應(yīng)用于安全機(jī)器人的仿真。大陸學(xué)者對(duì)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(lái)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(jī)器人和仿人機(jī)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(jī)器人模型定義系統(tǒng)（MDS）和機(jī)器人模擬仿真控制系統(tǒng)（SCS）。南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院將MRDS用于多機(jī)器人系統(tǒng)編隊(duì)控制研究等。