專(zhuān)利名稱(chēng)：便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低成本、高性能，能簡(jiǎn)便、快速地開(kāi)發(fā)便攜式機(jī)器人的“便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器”。
由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需要和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)水平的提高，許多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域都應(yīng)用了工業(yè)機(jī)器人。隨著這種高科技產(chǎn)品進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，已從根本上改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式。目前，工業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)方式直接制約著工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用和推廣，快速、靈活的開(kāi)發(fā)方式不但直接促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用和推廣，而且直接決定工業(yè)機(jī)器人完成生產(chǎn)作業(yè)的柔性化。
開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人，包括工業(yè)機(jī)器人硬件和控制軟件開(kāi)發(fā)兩部分。工業(yè)機(jī)器人硬件開(kāi)發(fā)一般包括生產(chǎn)作業(yè)分析、方案確定、結(jié)構(gòu)幾何分析、運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)特性分析、圖紙繪制等步驟，這些分析工作，對(duì)工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)要求很高。工業(yè)機(jī)器人控制軟件開(kāi)發(fā)，即對(duì)工業(yè)機(jī)器人編程，都是在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件的支持下進(jìn)行。具體有幾種方式機(jī)器人語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)編程，是采用類(lèi)似Basic語(yǔ)言編程方式開(kāi)發(fā)機(jī)器人控制程序。由于目前開(kāi)發(fā)的機(jī)器人語(yǔ)言絕大多數(shù)是根據(jù)專(zhuān)用機(jī)器人而單獨(dú)開(kāi)發(fā)的，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)通用的機(jī)器人語(yǔ)言；離線編程是在離線的情況下進(jìn)行機(jī)器人軌跡規(guī)劃的編程方法，其基本系統(tǒng)是基于CAD數(shù)據(jù)的圖形系統(tǒng)。利用CAD數(shù)據(jù)生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，目前國(guó)內(nèi)外多數(shù)仍處于研究階段。示教編程是目前使用最普遍的方法，這種方法編制程序是在工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，操作人員可以手扶工業(yè)機(jī)器人按給定運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)；或操作示教盒的按鈕驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人按給定運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，將給定運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)化為機(jī)器人各關(guān)節(jié)軸的角度信息，記錄進(jìn)主控微型計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器；復(fù)現(xiàn)給定運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，主控微型計(jì)算機(jī)從內(nèi)存讀出相應(yīng)信息，采用插補(bǔ)算法和機(jī)器人逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，將運(yùn)動(dòng)軌跡中間點(diǎn)的位置和姿態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)關(guān)節(jié)軸應(yīng)旋轉(zhuǎn)的角度信息，并向從微型計(jì)算機(jī)或單片計(jì)算機(jī)發(fā)出控制命令，驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)軸，在一定精度范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)示教的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于要滿足實(shí)時(shí)控制的需要，對(duì)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置提出了很高的要求，在示教和復(fù)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，都必須利用主控微型計(jì)算機(jī)。上述的工業(yè)機(jī)器人硬件開(kāi)發(fā)和控制軟件開(kāi)發(fā)方式不僅要求高配置的微型計(jì)算機(jī)，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)系統(tǒng)價(jià)格高；而且對(duì)開(kāi)發(fā)人員的工業(yè)機(jī)器人、微型計(jì)算機(jī)、機(jī)器人語(yǔ)言和CAD應(yīng)用等專(zhuān)業(yè)知識(shí)，都提出了較高的要求。并且，在工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)作業(yè)方式改變或生產(chǎn)作業(yè)工藝改進(jìn)后，再次開(kāi)發(fā)控制軟件的周期長(zhǎng)，不適應(yīng)生產(chǎn)作業(yè)柔性化的要求。事實(shí)上，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，有很大一類(lèi)生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)，由于受生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和生產(chǎn)作業(yè)方式的限制，需要一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、便于攜帶和靈活移動(dòng)的便攜式機(jī)器人來(lái)完成。一般地，便攜式機(jī)器人完成生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)是按順序進(jìn)行，完成生產(chǎn)作業(yè)的運(yùn)動(dòng)軌跡是給定的；或者運(yùn)動(dòng)軌跡可分解為多種單一運(yùn)動(dòng)軌跡的組合，可以對(duì)各單一運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制而合成給定的運(yùn)動(dòng)軌跡。并且生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中末端操作器始終不與外界相接，僅需對(duì)便攜式機(jī)器人進(jìn)行位置控制。由于關(guān)節(jié)型機(jī)器人占用空間位置小，其關(guān)節(jié)型手臂型手臂由大臂、小臂、手腕構(gòu)成，使關(guān)節(jié)型手臂可以折疊，結(jié)構(gòu)緊湊；關(guān)節(jié)型手臂伸展后生產(chǎn)作業(yè)空間大，安裝在關(guān)節(jié)型手臂上的末端執(zhí)行器甚至可以越過(guò)障礙完成生產(chǎn)作業(yè)，是便攜式機(jī)器人首選的機(jī)型。為降低便攜式機(jī)器人生產(chǎn)成本和縮短控制軟件開(kāi)發(fā)周期，便攜式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)一般采用步進(jìn)電機(jī)，控制方式多為基于單片微型計(jì)算機(jī)的開(kāi)環(huán)控制。如沿用上述現(xiàn)有技術(shù)開(kāi)發(fā)便攜式機(jī)器人和控制軟件，是不必要的。現(xiàn)在，機(jī)器人正向著多領(lǐng)域、小型化、經(jīng)濟(jì)型方向發(fā)展，廣大技術(shù)人員既熟悉本專(zhuān)業(yè)技術(shù)，又初步掌握微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用知識(shí)，是研制和推廣機(jī)器人應(yīng)用的主要技術(shù)力量，急需一種低成本、高性能，能簡(jiǎn)便、快速地開(kāi)發(fā)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)工具。
本發(fā)明是針對(duì)采用現(xiàn)有技術(shù)開(kāi)發(fā)便攜式機(jī)器人和控制軟件，存在機(jī)器人開(kāi)發(fā)系統(tǒng)價(jià)格高，開(kāi)發(fā)控制軟件周期長(zhǎng)，并且對(duì)開(kāi)發(fā)人員工業(yè)機(jī)器人、微型計(jì)算機(jī)、機(jī)器人語(yǔ)言和CAD應(yīng)用等專(zhuān)業(yè)知識(shí)要求高的不足。為滿足廣大技術(shù)人員結(jié)合本專(zhuān)業(yè)工作實(shí)際，開(kāi)發(fā)便攜式機(jī)器人和控制軟件的需要，提供一種“便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器”。其主要目的是以低價(jià)格的便攜式機(jī)器人開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，簡(jiǎn)便、快速地開(kāi)發(fā)便攜式機(jī)器人及控制軟件。
本發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的由PC微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)系統(tǒng)、輸入接口電路、輸出功率驅(qū)動(dòng)電路，以及控制電源構(gòu)成開(kāi)發(fā)器硬件；和開(kāi)發(fā)的“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件一起，共同組成便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器。開(kāi)發(fā)便攜式機(jī)器人時(shí)，首先應(yīng)用便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器，在“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件支持下，按生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)和給定的生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化便攜式機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真便攜式機(jī)器人完成生產(chǎn)作業(yè)的運(yùn)動(dòng)軌跡，規(guī)劃便攜式機(jī)器人回程運(yùn)動(dòng)路徑，自動(dòng)編輯便攜式機(jī)器人控制程序，以*.dxf文件形式保存圖形資料；對(duì)比各開(kāi)發(fā)方案后，再選擇最佳方案加工便攜式機(jī)器人樣機(jī)；然后將單片機(jī)系統(tǒng)、輸入接口電路、輸出功率驅(qū)動(dòng)電路，按控制需要安裝到便攜式機(jī)器人的大臂、小臂、手腕等執(zhí)行元件處，PC微型計(jì)算機(jī)和單片機(jī)系統(tǒng)連接。構(gòu)成開(kāi)發(fā)者、仿真開(kāi)發(fā)器、便攜式機(jī)器人一體化開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)者通過(guò)仿真開(kāi)發(fā)器實(shí)際操作、調(diào)試便攜式機(jī)器人，復(fù)現(xiàn)完成生產(chǎn)作業(yè)的運(yùn)動(dòng)軌跡和動(dòng)作。調(diào)試完畢將控制程序固化在存貯器EPROM內(nèi)，*.dxf圖形文件由AutoCAD軟件讀入繪制出機(jī)械圖紙，完成便攜式機(jī)器人的開(kāi)發(fā)。
采用上述技術(shù)方案的便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器，在“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件支持下優(yōu)化便攜式機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，仿真便攜式機(jī)器人完成生產(chǎn)作業(yè)的運(yùn)動(dòng)軌跡，規(guī)劃便攜式機(jī)器人回程運(yùn)動(dòng)路徑，自動(dòng)編輯便攜式機(jī)器人控制程序，以*.dxf文件形式保存圖形資料，由AutoCAD軟件讀入繪出機(jī)械圖紙，聯(lián)機(jī)調(diào)試便攜式機(jī)器人，簡(jiǎn)便、快速地開(kāi)發(fā)出便攜式機(jī)器人和控制軟件。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，既避免了重復(fù)修改、重新加工便攜式機(jī)器人樣機(jī)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和時(shí)間損失，又提高了便攜式機(jī)器人開(kāi)發(fā)質(zhì)量，縮短了開(kāi)發(fā)周期。滿足了廣大技術(shù)人員結(jié)合本專(zhuān)業(yè)工作實(shí)際，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)型便攜式機(jī)器人和控制軟件的需要。使用486型PC微型計(jì)算機(jī)作為仿真開(kāi)發(fā)器主機(jī)，采用性價(jià)比高的電子元器件制作單片機(jī)系統(tǒng)、輸入接口電路、輸出功率驅(qū)動(dòng)電路，降低了便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器的價(jià)格，使這一具有較高科技含量的便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器和離線編程方式能在中、小企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用和推廣。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行具體描述，其中

圖1是便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器硬件主視圖。
圖2、圖3、圖4、圖5分別是“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件開(kāi)發(fā)界面。
圖1所示的微型計(jì)算機(jī)1采用486型PC微型計(jì)算機(jī)，基本配置為CPU芯片486DX、內(nèi)存8MB、軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器1.44MB、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器270MB、顯示卡、VGA單色顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)，操作系統(tǒng)為Dos6.20或Windows3.2/95。
圖1所示2為單片機(jī)系統(tǒng)，圖1所示3為輸出功率驅(qū)動(dòng)電路，圖1所示4為輸入接口電路。實(shí)施例1中，單片機(jī)系統(tǒng)由芯片8031、輸入輸出接口芯片8255、地址鎖存器74LS373、地址譯碼器74LS138、程序存貯器2764、數(shù)據(jù)存貯器6264、串行通訊MC1488、MC1489、按鍵和兩組雙列二十腳插座組成，共四組。實(shí)施例2中，單片機(jī)系統(tǒng)由芯片AT89C52、輸入/輸出接口芯片82C55、串行通訊MC1488、MC1489、按鍵和兩組雙列二十腳插座組成，共四組。輸出功率驅(qū)動(dòng)電路3由輸入單列三腳插頭、光電藕合4N25、集成驅(qū)動(dòng)74LS06和74LS07、功率放大管TIP126、開(kāi)關(guān)控制管TIP127、輸出單列六腳插座組成，共八組。輸入接口電路4由輸入單列三腳插座、光電藕合4N25、TOP12、輸出單列四腳插頭組成，共八組。設(shè)置啟動(dòng)、停止按鈕控制單片機(jī)系統(tǒng)。設(shè)置兩只指示燈，一只接入單片機(jī)系統(tǒng)，一只接入輸出功率驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)安裝需要，單片機(jī)系統(tǒng)、輸入接口電路、輸出功率驅(qū)動(dòng)電路分別單獨(dú)制作單元電路模塊。根據(jù)控制便攜式機(jī)器人的需要，分別安裝在大臂、小臂、手腕等執(zhí)行元件處，構(gòu)成機(jī)電一體化功能模塊，兩者之間通過(guò)兩組雙列二十腳并行電纜插頭連接。
單片機(jī)系統(tǒng)在選定單片機(jī)芯片、輸入/輸出接口芯片、地址鎖存器、地址譯碼器、程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器、通訊接口、按鍵后，地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線、片選信號(hào)可按規(guī)定連接，其具體方法和單片機(jī)應(yīng)用的一般步驟，本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員對(duì)此已相當(dāng)熟悉，不再贅述。僅對(duì)輸入/輸出接口芯片8255或82C55的地址分配，輸入接口電路模塊、輸出功率驅(qū)動(dòng)單元電路模塊作說(shuō)明。8255或82C55的每一路輸入、輸出端口均經(jīng)光電藕合與外圍電路連接。8255或82C55的PA0和PA1口、PA2和PA3口、PA4和PA5口、PA6和PA71、PB0和PB1口、PB2和PB3口、PB4和PB5口、PB6和PB7口為八組輸出端口。PC0、PC1、PC2、PC3口作開(kāi)關(guān)控制，PC4、PC5、PC6、PC7口接光電藕合檢測(cè)器，通過(guò)兩組雙列二十腳插座與并行電纜插頭和輸入接口電路模塊、輸出功率驅(qū)動(dòng)單元電路模塊連接。輸入接口電路模塊具有相同的電路結(jié)構(gòu)，輸入單列三腳插座(接檢測(cè)元件)連接光電藕合4N25、TOP12連接輸出單列四腳插頭(接單片機(jī)系統(tǒng))。輸出功率驅(qū)動(dòng)單元電路模塊，具有相同的電路結(jié)構(gòu)。以控制步進(jìn)電機(jī)為例8255或82C55的PB0口輸出的信號(hào)接輸入單列三腳插頭連接光電藕合4N25，經(jīng)隔離后的信號(hào)接集成驅(qū)動(dòng)74LS06一個(gè)單元，和74LS07的一個(gè)單元。PB1口輸出的信號(hào)接同一輸入單列三腳插座連接另一只光電藕合4N25，經(jīng)隔離后的信號(hào)接集成驅(qū)動(dòng)74LS06的另一個(gè)單元，和74LS07的另一個(gè)單元。四個(gè)單元的輸出信號(hào)分別推動(dòng)四只功率放大管TIP126，放大后的電流經(jīng)輸出單列六腳插座連接步進(jìn)電機(jī)。PC0口輸出的信號(hào)接同一輸入單列三腳插座連接光電藕合4N25，經(jīng)隔離后的輸出接集成驅(qū)動(dòng)74LS06的一個(gè)單元，其輸出信號(hào)推動(dòng)開(kāi)關(guān)控制管TIP127，控制步進(jìn)電機(jī)接入高電壓驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。
圖1所示5為控制電源包括一組6V蓄電池，一組12V蓄電池。
為便于廣大技術(shù)人員結(jié)合本專(zhuān)業(yè)工作實(shí)際，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)型便攜式機(jī)器人時(shí)，能輔助機(jī)器人硬件開(kāi)發(fā)時(shí)的結(jié)構(gòu)幾何分析、運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)特性分析、圖紙繪制等設(shè)計(jì)工作；和擺脫控制軟件開(kāi)發(fā)人員大量、重復(fù)書(shū)寫(xiě)匯編語(yǔ)言，這種既枯燥，又易出錯(cuò)的控制程序開(kāi)發(fā)方式；以及適應(yīng)便攜式機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)改變或生產(chǎn)作業(yè)工藝改進(jìn)后，快速開(kāi)發(fā)控制程序的需要，開(kāi)發(fā)了“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件。開(kāi)發(fā)便攜式機(jī)器人時(shí)，在便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器上運(yùn)行“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件，進(jìn)入如圖2所示的開(kāi)發(fā)主界面，用鼠標(biāo)單擊菜單進(jìn)入各個(gè)子菜單。
圖3為優(yōu)化便攜式機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)界面，根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)對(duì)象和生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，輸入期望的便攜式機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)，選擇提示的生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡?！氨銛y式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”將以輸入的便攜式機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)和給定的生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡，建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算各個(gè)關(guān)節(jié)軸的角度轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)；以隨機(jī)搜索法按便攜式機(jī)器人的靜力矩、慣矩、剛度和最佳減速比等項(xiàng)目，以提高便攜式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)特性為目標(biāo)值進(jìn)行優(yōu)化，給出便攜式機(jī)器人優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，并以數(shù)據(jù)文件形式保存。
圖5為仿真便攜式機(jī)器人生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡界面，生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)始終跟蹤給定的運(yùn)動(dòng)軌跡。為得到真實(shí)的仿真，對(duì)便攜式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程求逆解，使運(yùn)動(dòng)軌跡上的目標(biāo)位姿，轉(zhuǎn)換為肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度值。應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理，繪出便攜式機(jī)器人生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡仿真圖形如圖5所示，在開(kāi)發(fā)界面中直觀地觀察便攜式機(jī)器人完成生產(chǎn)作業(yè)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。觀察到仿真的運(yùn)動(dòng)軌跡不符合完成生產(chǎn)作業(yè)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，可以通過(guò)修改便攜式機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)再仿真。對(duì)通過(guò)生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡仿真的便攜式機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)值，以數(shù)據(jù)文件形式保存，圖形數(shù)據(jù)以*.dxf圖形文件形式保存。
圖4為規(guī)劃便攜式機(jī)器人回程運(yùn)動(dòng)路徑界面，完成生產(chǎn)作業(yè)后，便攜式機(jī)器人的回程運(yùn)動(dòng)路徑，可以在開(kāi)發(fā)界面中直觀地規(guī)劃路徑。大臂、小臂、手腕為機(jī)電一體化功能模塊，可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或組合驅(qū)動(dòng)，對(duì)應(yīng)著仿真圖形的大臂、小臂、手腕。根據(jù)提示，選擇單步或組合運(yùn)動(dòng)命令，仿真大臂、小臂、手腕的運(yùn)動(dòng)，就對(duì)應(yīng)著真實(shí)的大臂、小臂、手腕的單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或組合驅(qū)動(dòng)。便攜式機(jī)器人按選擇命令作仿真運(yùn)動(dòng)如圖4所示。如仿真運(yùn)動(dòng)發(fā)生碰擦，可撤消選擇命令，退回到上一次仿真。再重新選擇命令，再次作仿真運(yùn)動(dòng)。通過(guò)一次次的仿真運(yùn)動(dòng)，可以規(guī)劃出回程運(yùn)動(dòng)路徑，規(guī)劃出的回程運(yùn)動(dòng)路徑以數(shù)據(jù)文件形式保存。
圖5為自動(dòng)編輯便攜式機(jī)器人控制軟件界面(同一圖面形式)，將便攜式機(jī)器人完成生產(chǎn)作業(yè)需要的動(dòng)作，分解為大臂、小臂、手腕的單體運(yùn)動(dòng)和組合運(yùn)動(dòng)，分別編寫(xiě)、調(diào)試了模塊化程序并以數(shù)據(jù)文件形式保存。根據(jù)提示和生產(chǎn)作業(yè)工藝的要求，將通過(guò)生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)仿真和回程運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃保存的數(shù)據(jù)文件調(diào)入，在可視化的開(kāi)發(fā)界面中運(yùn)行如圖5所示，連續(xù)仿真生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)和回程運(yùn)動(dòng)路徑的全過(guò)程。在仿真的同時(shí)，自動(dòng)編輯成控制程序的初程序。利用編輯軟件略作修改，形成控制程序的源程序。便攜式機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)改變或生產(chǎn)作業(yè)工藝改進(jìn)后，可再次快速開(kāi)發(fā)控制程序，適應(yīng)了便攜式機(jī)器人生產(chǎn)作業(yè)柔性化的需要。
利用計(jì)算機(jī)仿真的方法，可以在PC微型計(jì)算機(jī)顯示器上反復(fù)對(duì)比開(kāi)發(fā)方案。選擇最佳方案后，以*.dxf圖形文件形式保存圖形文件，由AutoCAD軟件讀入繪制出機(jī)械圖紙，加工便攜式機(jī)器人樣機(jī)，既避免了多次、重復(fù)加工樣機(jī)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和時(shí)間損失，又提高了便攜式機(jī)器人開(kāi)發(fā)質(zhì)量，縮短了開(kāi)發(fā)周期。
為檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)仿真生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡，和便攜式機(jī)器人真實(shí)生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡之間的差異，可以實(shí)際調(diào)試便攜式機(jī)器人。按控制需要，將單片機(jī)系統(tǒng)、輸入接口電路模塊、輸出功率驅(qū)動(dòng)電路模塊分別安裝到各執(zhí)行元件處，其間通過(guò)兩組雙列二十腳并行電纜插頭連接。輸入接口電路模塊連接檢測(cè)元件，輸出功率驅(qū)動(dòng)電路模塊連接步進(jìn)電機(jī)，PC微型計(jì)算機(jī)和單片機(jī)系統(tǒng)連接，組成開(kāi)發(fā)者、仿真開(kāi)發(fā)器、便攜式機(jī)器人一體化開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。將自動(dòng)編輯的便攜式機(jī)器人控制程序源程序在PC微型計(jì)算機(jī)上匯編，匯編后的控制程序通過(guò)PC微型計(jì)算機(jī)的通訊接口輸入到單片機(jī)系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)者通過(guò)仿真開(kāi)發(fā)器操作、調(diào)試便攜式機(jī)器人按給定的運(yùn)動(dòng)軌跡完成生產(chǎn)作業(yè)。調(diào)試便攜式機(jī)器人符合生產(chǎn)作業(yè)要求后，將控制程序固化在存貯器EPROM內(nèi)，完成便攜式機(jī)器人的開(kāi)發(fā)。便攜式機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)改變或生產(chǎn)作業(yè)工藝改進(jìn)后，可在“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件支持下，再次自動(dòng)編輯、匯編、調(diào)試控制程序，重新將控制程序固化在存貯器EPROM內(nèi)，快速完成便攜式機(jī)器人的再次開(kāi)發(fā)，滿足了便攜式機(jī)器人生產(chǎn)作業(yè)柔性化的要求。
控制方案是基于全軟件的開(kāi)環(huán)控制，由輸入單片機(jī)系統(tǒng)的控制程序控制，單片機(jī)系統(tǒng)具有多種功能作可編程控制器對(duì)生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程作順序控制，依次對(duì)便攜式機(jī)器人完成生產(chǎn)作業(yè)的各個(gè)工序進(jìn)行控制；在各個(gè)工序中，作步進(jìn)電機(jī)的加、減速、換相、相序分配、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制；輸入信號(hào)經(jīng)輸入接口電路模塊輸入單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)輸出的控制信號(hào)，經(jīng)輸出功率驅(qū)動(dòng)電路模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；或經(jīng)輸出功率驅(qū)動(dòng)電路模塊作開(kāi)關(guān)控制。
以上所述的僅是采用本發(fā)明原理，能簡(jiǎn)便、快速開(kāi)發(fā)便攜式機(jī)器人的“便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器”實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干變型和改進(jìn)，也應(yīng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器，所述的便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器包括PC微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)系統(tǒng)、控制電源，其特征是具有輸入接口電路模塊、輸出功率驅(qū)動(dòng)電路模塊和“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件；在“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件支持下，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，完成優(yōu)化便攜式機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真便攜式機(jī)器人完成生產(chǎn)作業(yè)的運(yùn)動(dòng)軌跡，規(guī)劃便攜式機(jī)器人回程運(yùn)動(dòng)路徑，自動(dòng)編輯便攜式機(jī)器人控制程序，以*.dxf圖形文件保存圖形數(shù)據(jù)等設(shè)計(jì)工作；根據(jù)控制需要，安裝單片機(jī)系統(tǒng)、輸入接口電路模塊、輸出功率驅(qū)動(dòng)電路模塊到便攜式機(jī)器人各執(zhí)行元件處，通過(guò)電纜相互連接，PC微型計(jì)算機(jī)和單片機(jī)系統(tǒng)連接；組成開(kāi)發(fā)者、仿真開(kāi)發(fā)器、便攜式機(jī)器人一體化開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，通過(guò)仿真開(kāi)發(fā)器操作、調(diào)試便攜式機(jī)器人按給定的運(yùn)動(dòng)軌跡完成生產(chǎn)作業(yè)，調(diào)試便攜式機(jī)器人符合生產(chǎn)作業(yè)要求后，將控制程序固化在存貯器EPROM內(nèi)，*.dxf圖形文件由AutoCAD軟件讀入繪制出機(jī)械圖紙，完成便攜式機(jī)器人的開(kāi)發(fā)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器，其特征是單片機(jī)系統(tǒng)由MCS-51系列單片機(jī)芯片和外圍電路組成；單獨(dú)制作單元電路模塊，安裝在執(zhí)行元件處；由控制程序控制，具有多種功能作可編程控制器對(duì)生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程作順序控制，在各個(gè)工序中，對(duì)各執(zhí)行元件作小信號(hào)輸出控制；輸入信號(hào)經(jīng)輸入接口電路模塊輸入單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)輸出的控制信號(hào)，經(jīng)輸出功率驅(qū)動(dòng)電路模塊驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器，其特征是輸入接口電路由輸入單列三腳插座、光電藕合集成塊、輸出單列四腳插座組成，單獨(dú)制作單元電路模塊，安裝在執(zhí)行元件處，將輸入信號(hào)輸入單片機(jī)系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器，其特征是輸出功率驅(qū)動(dòng)電路由輸入單列三腳插座、光電藕合集成塊，集成驅(qū)動(dòng)集成塊、功率放大管、開(kāi)關(guān)控制管、輸出單列六腳插座組成，單獨(dú)制作單元電路模塊，安裝在執(zhí)行元件處，將驅(qū)動(dòng)電壓輸出到執(zhí)行元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器，其特征是控制電源包括一組電壓為6V的蓄電池，和一組電壓為12V的蓄電池，兩組蓄電池在電路上沒(méi)有連接，電壓為6V的蓄電池通過(guò)一條電纜和單片機(jī)系統(tǒng)連接，電壓為12V的蓄電池通過(guò)另一條電纜和輸入接口電路模塊與輸出功率驅(qū)動(dòng)電路模塊連接，將單片機(jī)系統(tǒng)和輸入接口電路模塊與輸出功率驅(qū)動(dòng)電路模塊在電路上分離開(kāi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器，其特征是“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件優(yōu)化便攜式機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)，是以輸入的便攜式機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)和給定的生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡，建立數(shù)學(xué)模型，以隨機(jī)搜索法按便攜式機(jī)器人的靜力矩、慣矩、剛度和最佳減速比等項(xiàng)目，以提高便攜式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)特性為目標(biāo)值進(jìn)行優(yōu)化，給出便攜式機(jī)器人優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，以數(shù)據(jù)文件形式保存。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器，其特征是“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件仿真便攜式機(jī)器人完成生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡，是對(duì)便攜式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程求逆解，使運(yùn)動(dòng)軌跡上的目標(biāo)位姿，轉(zhuǎn)換為肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度值，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，仿真便攜式機(jī)器人完成生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)通過(guò)生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡仿真的便攜式機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)，以數(shù)據(jù)文件形式保存，圖形數(shù)據(jù)以*.dxf圖形文件形式保存。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器，其特征是“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件規(guī)劃便攜式機(jī)器人回程運(yùn)動(dòng)路徑，是以仿真運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著機(jī)電一體化功能模塊真實(shí)運(yùn)動(dòng)的方式，選擇單步或組合運(yùn)動(dòng)命令，便攜式機(jī)器人按選擇命令作仿真運(yùn)動(dòng)，規(guī)劃出便攜式機(jī)器人回程運(yùn)動(dòng)路徑以數(shù)據(jù)文件形式保存。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器，其特征是“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件自動(dòng)編輯使攜式機(jī)器人控制程序，是將便攜式機(jī)器人完成生產(chǎn)作業(yè)需要的動(dòng)作，分解為大臂、小臂、手腕的單體運(yùn)動(dòng)和組合運(yùn)動(dòng)，分別編寫(xiě)、調(diào)試模塊化程序并以數(shù)據(jù)文件形式保存；給定生產(chǎn)作業(yè)工藝條件，在可視化的開(kāi)發(fā)界面中調(diào)入數(shù)據(jù)文件運(yùn)行，連續(xù)仿真生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)和回程運(yùn)動(dòng)路徑的全過(guò)程，在仿真的同時(shí)，自動(dòng)編輯成控制程序的初程序。
10.一種如權(quán)利要求1所述的便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器的實(shí)用用途，其特征在于該用途用于開(kāi)發(fā)便攜式機(jī)器人，包括以下步驟A.運(yùn)行“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件，在開(kāi)發(fā)界面中開(kāi)發(fā)便攜式機(jī)器人；B.在優(yōu)化便攜式機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)界面，以隨機(jī)搜索法優(yōu)化便攜式機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)；C.在仿真便攜式機(jī)器人完成生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡界面，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，仿真便攜式機(jī)器人完成生產(chǎn)作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡，以*.dxf圖形文件形式保存便攜式機(jī)器人圖形數(shù)據(jù)；D.在規(guī)劃便攜式機(jī)器人回程運(yùn)動(dòng)路徑界面，選擇單步或組合運(yùn)動(dòng)命令，規(guī)劃便攜式關(guān)節(jié)型機(jī)器人回程運(yùn)動(dòng)路徑；E.在自動(dòng)編輯便攜式機(jī)器人控制軟件界面，給定生產(chǎn)作業(yè)工藝條件，仿真生產(chǎn)作業(yè)軌跡和回程運(yùn)動(dòng)路徑的全過(guò)程，自動(dòng)編輯成控制程序的初程序；F.在PC微型計(jì)算機(jī)上，由AutoCAD軟件讀入*.dxf圖形文件，繪制出機(jī)械圖紙；G.在PC微型計(jì)算機(jī)上，匯編控制程序源程序，將匯編后的控制程序輸入到單片機(jī)系統(tǒng)；H.安裝單片機(jī)系統(tǒng)、輸入接口電路模塊、輸出功率驅(qū)動(dòng)電路模塊到便攜式機(jī)器人各執(zhí)行元件處，連接電纜，實(shí)際調(diào)試便攜式機(jī)器人；I.在PC微計(jì)算機(jī)上，將調(diào)試正確的控制程序，固化在存貯器EPROM內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低成本、高性能的便攜式機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)器。由PC微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)系統(tǒng)、輸入接口電路模塊、輸出功率驅(qū)動(dòng)電路模塊、控制電源和“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件組成。在“便攜式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”工具軟件支持下,應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真方法,簡(jiǎn)便、快速地開(kāi)發(fā)便攜式機(jī)器人和控制軟件。
文檔編號(hào)B25J11/00GK1382565SQ0110736
公開(kāi)日2002年12月4日 申請(qǐng)日期2001年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月20日
發(fā)明者陳炯 申請(qǐng)人:陳炯