机器人教学仿真系统设计

【摘要】开发了具有友好人机交互界面的机器人运动学仿真系统，该系统具有示教仿真和抓取控制两大功能，可以完成机器人空间运动的实时仿真。

【关键词】机器人;运动学;遗传算法;OpenGL;计算机仿真

1.机器人教学仿真系统的主要功能

机器人实验教学要求学生通过实验，掌握机器人的空间运动，熟悉机器人示教编程功能。

本图形仿真系统针对机器人试验教学的要求，以日本安川公司所生产的YASKAWA MOTOMAN UP-6 工业机器人为研究对象，在Visual C++ 6.0平台上，利用OpenGL对机器人实体建模，创建了机械手三维图形模型，实现了机器人空间运动的仿真过程和机器人教学的示教仿真功能。该仿真系统图形功能丰富，可视性强。充分利用VC和OpenGL的图形功能，用三维立体图形进行仿真。系统的操作性和可靠性强，采用了模块化结构。

该仿真系统基本功能有：运动仿真，示教仿真和学习帮助。

（1）运动仿真：可以通过界面上的各关节对应的控制键按钮来驱动机械手各关节的运动，使机器人末端执行器到达所要求的的空间位置和姿态，实现机器人的空间运动仿真。本仿真系统，还可以通过编制简单的指令程序来驱动机械手作相应的运动。

（2）示教仿真：在机器人实验课程中，工业机器人的实验是用示教盒对机械手进行示教编程来完成的。为了使学生能够以示教方式参与编程，开发了与图形动态交互的示教盒。本系统可以采用示教调试和编程再现的方法来实现机械手三维运动的仿真过程。

（3）学习帮助：该软件提供了丰富的帮助功能，在帮助模块中，对机器人的指令代码做了详细的说明，提供了一个友好的用户界面。

2.机器人运动仿真的实现

机器人实验要求学生通过对示教盒的操作，掌握机器人的基本运动操作，掌握简单的程序编制，了解机器人示教编程。本文针对机器人实验教学的具体内容，开发了机器人运动仿真平台。

仿真平台的具体功能有：

根据YASKAWA MOTOMAN UP-6 机器人的实际操作，在该图形仿真系统中， S、L、U、R、B、T轴（其转角即机械手杆件的六个关节角）的正反运动分别由界面上相应的控件按钮来驱动。

为了实现YASKAWA MOTOMAN UP-6机器人示教盒的相应的运动功能，在该仿真系统中设计了“开始” 、“恢复” 控件，如图1 所示。“开始” 控件可使机械手从初始位置移动到目标位置;“恢复” 控件可使机械手从当前位置回到初始位置。为实现机械手从初始位置移动到目标位置，本文利用Windows计时器来控制关节运动，要使机械手从初始位置开始移动到目标位置时，启动计时器，将关节角度传送给OpenGL变换矩阵中对应的控制变量，驱动机械手各个关节作相应的运动，从而使机械手完成给定的运动和任务。当机械手完成任务时，程序关闭计时器。

应用本仿真系统时，还可输入机器人指令来驱动机械手作相应的运动，通过编制指令来实现机器人不同的空间运动，实现不同的任务。

图1

要实现机器人的空间运动仿真，使末端执行器到达某个空间位置和姿态，驱动机械手各关节作相应的角度的运动，必须要建立机器人运动学方程。机器人手臂是由许多关节和连杆构成的，机械手在三维空间上的位姿由各关节的角位移所决定，机器人运动学模型用于表达各关节角位移和机械手位姿之间的关系。机器人运动学模型的建立以及运动学正解、逆解的求法将在下文中给出。

本文根据机器人关节连杆几何参数的定义，求得了机器人机械手的关节连杆参数，建立了机器人的正运动学方程，并求出了关节角度为某一个确定的值时，机械手末端执行器的位姿矩阵。

图2 机器人示教仿真界面

3.机器人示教仿真的实现

工业机器人的示教实验要求：操作者使用示教盒，按动轴操作器，使各轴分别动作，形成所需的位姿后，记录一个示教点的位置数据，同时记录一条运动命令。逐点示教之后，就构成了一个作业任务。

为使学生熟悉YASKAWA MOTOMAN UP-6机器人的示教操作，本仿真系统在上述运动仿真功能模块基础上，开发了机器人示教仿真功能，将上述各个功能组合在一起。机器人示教仿真界面如图2所示，示教仿真模仿了在线示教的功能。对YASKAWA MOTOMAN UP-6 机器人而言，对世界坐标系中可到达的每一个点，都可求出相应的机械手6个关节的角度值。应用本系统时，可以采用示教调试和编程再现的方法来实现机械手三维运动的仿真过程。首先示教调试，使机械手从某一位置，以某种姿态到达另一位置，并完成一定的任务，机械手的每一个关节的运动都由界面上一个相应的按钮来控制，在调试的同时记录下各个关节的运动过程，并可在界面上实时显示每个关节的角度值。然后编程再现，根据记下的数据，可再现机器人的运动过程。

参考文献

[1]余达太，马香峰等.工业机器人应用工程（第1版）[M].北京：冶金出版社，1999.

[2]蒋新松主编.机器人学导论[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1994：221-229.

[3]John J.Craig.Arc Welding Simulation Simplifies Programming.Robotics World.1987（3）：24-25.

[4]John Owens.Task Planning in Robot Simulation.Industrial Robot.1996，23（5）：21-24.

基金项目：海南省科技兴海项目（XH201316）“基于无人飞行器的近海藻类检测装置”;海南省自然科学基金项目（611133）“认知无线电及其在海南信息化进程中的相关问题研究”。

作者简介：

韩建文（1979―），男，硕士，讲师，主要研究方向：电子信息、通信技术等。

雷红（1978―），硕士，讲师，主要研究方向：信号处理。

孙志雄（1974―）， 硕士，副教授，主要研究方向：EDA 技术在通信系统中的应用。