一種機器人仿真系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種機器人仿真系統(tǒng)，其包括機器人控制器，所述機器人控制器內(nèi)部能夠加載針對機器人的仿真程序，在該機器人控制器內(nèi)設置有真實機器人控制單元、輔助用的真實應用程序控制單元、數(shù)字機器人模型單元、通用分析平臺接口、半物理模型狀態(tài)寄存器以及遠程進程控制接口，該仿真系統(tǒng)還包括獨立的通用計算機平臺和外部設備，在通用計算機平臺內(nèi)設置有仿真監(jiān)控界面。通過采用本發(fā)明提供的仿真系統(tǒng)，提高整個仿真模擬工作的效率及可靠性，并且在獲取真實環(huán)境下機器人的動態(tài)性能參數(shù)情況下，準確地真實地對機器人運動進行仿真模擬。
【專利說明】一種機器人仿真系統(tǒng)
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種仿真系統(tǒng)，特別地涉及一種機器人仿真系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在工業(yè)機器人的設計及應用過程中，經(jīng)常需要用到機器人仿真系統(tǒng)，通過仿真來模擬機器人的狀態(tài)及性能參數(shù)，從而給設計人員提供有效的設計參考，給應用人員以直觀的機器人反饋。當前，比較常用的此類系統(tǒng)主要有兩大類型，一類通過在普通通用計算機平臺上建立完整的仿真環(huán)境來實現(xiàn)，其中包括虛擬機器人控制器，虛擬機器人及虛擬工作環(huán)境。另外一類仿真系統(tǒng)中，包含了整個機器人硬件系統(tǒng)，并在此基礎上額外地設計了一套適用于仿真和分析的輔助軟件，以實現(xiàn)使用要求。
[0003]在應用過程當中，第一類仿真系統(tǒng)中的模型一般都比較粗糙，在真實的環(huán)境中存在的很多因素都無法被包含到模型中去，例如:機器人各個關節(jié)處的真實摩擦，機器人在工作環(huán)境中所受到的干擾，與其他外部事件的耦合及同步等。因此，基于此類仿真系統(tǒng)所得到的結(jié)果數(shù)據(jù)，只在機器人運動學相關的技術(shù)層面上具有參考意義，在機器人動力學性能層面上，無法反映出比較有價值的結(jié)果。這類系統(tǒng)一般適合用來在應用過程中驗證機器人的運行軌跡是否符合預期。
[0004]第二類仿真系統(tǒng)使用了完全真實的硬件系統(tǒng)，通過輔助工具實現(xiàn)模擬。如中國專利CN101751004A，描述了一種利用真實機器人及機床在環(huán)的仿真系統(tǒng)，可視化地模擬設備在環(huán)境中的運行狀態(tài)及性能。但是由于真實的機器人系統(tǒng)在物理上有很多性能極限，因此無法利用此種系統(tǒng)來獲得機器人在極限狀態(tài)下的性能。例如:一般機器人每個關節(jié)都設有機械式位置限制，一旦機器人強行越過該限位，將對機器人造成不可恢復的損害，甚至引發(fā)危險。每個關節(jié)的運行速度和加速度也有限制，同樣也無法得到在限制范圍之外的機器人的動態(tài)性能。這類系統(tǒng)一般適合于驗證所測試之機器人在極限約束之內(nèi)的動態(tài)性能。
[0005]以上兩類系統(tǒng)的缺點是在仿真模擬過程中，無法最大化地獲得機器人在全環(huán)境及約束范圍內(nèi)的真實動態(tài)性能，整個應用過程中的效率也比較低下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是為了解決上述仿真系統(tǒng)的問題而設計的。為了驗證輸入數(shù)據(jù)的有效性及合理性，設計了純軟件仿真模塊，以提高整個仿真模擬工作的效率及可靠性。與機器人相關的可分離硬件設置在仿真環(huán)路中，獲取真實環(huán)境下機器人的動態(tài)性能參數(shù)。輔助以通用數(shù)值分析軟件平臺接口，方便對仿真數(shù)據(jù)進行處理及分析。
[0007]具體而言，為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種機器人仿真系統(tǒng)，其包括機器人控制器，所述機器人控制器內(nèi)部能夠加載針對機器人的仿真程序，在該機器人控制器內(nèi)設置有真實機器人控制單元、輔助用的真實應用程序控制單元、數(shù)字機器人模型單元、通用分析平臺接口、半物理模型狀態(tài)寄存器以及遠程進程控制接口，該仿真系統(tǒng)還包括獨立的通用計算機平臺，在通用計算機平臺內(nèi)設置有仿真監(jiān)控界面，同時將仿真監(jiān)控軟件安裝在通用計算機平臺上，該仿真系統(tǒng)還包括外部設備，其與機器人控制器相連接，外部設備用于進行半物理硬件在環(huán)仿真。
[0008]優(yōu)選的是，數(shù)字機器人模型單元能夠測量計算得到機器人系統(tǒng)中的力及扭矩狀態(tài)。
[0009]優(yōu)選的是，機器人控制器是通過其內(nèi)部的遠程進程控制接口來與通用計算機平臺進行通信的，這樣能夠使得安裝在通用計算機平臺上的仿真軟件可以獲得進入機器人控制器中數(shù)字機器人模型單元及半物理模型狀態(tài)寄存器進行讀取的權(quán)利，從而獲得所有機器人模型相關參數(shù)。
[0010]優(yōu)選的是，所述外部設備包括減速器、伺服電機和編碼器。
[0011]優(yōu)選的是，該機器人仿真系統(tǒng)還設有時鐘、定時器和采樣計算單元，其中，通過仿真系統(tǒng)提供的時鐘和定時器從而實現(xiàn)對程序真實運行時間的控制，使得數(shù)字模型與外部事件之間的同步性能可以達到物理系統(tǒng)應用級別的要求。
[0012]優(yōu)選的是，所述仿真系統(tǒng)能夠進行機器人運動仿真，具體是在機器人控制器內(nèi)部單獨進行仿真或者通過與機器人控制器進行通信的通用計算機平臺進行仿真。
[0013]優(yōu)選的是，上述仿真包括兩個層面的仿真，一種為純軟件層面的軟件仿真，第二種是包含半物理模型的硬件在環(huán)仿真。
[0014]優(yōu)選的是，上述軟件仿真通過仿真系統(tǒng)中機器人控制器內(nèi)部的數(shù)字機器人模型單元進行軟件仿真，其中數(shù)字機器人模型單元是與真實機器人具有相同幾何參數(shù)的數(shù)字對象，所述仿真的軟件前端為三維圖形交互式界面。
[0015]優(yōu)選的是，半物理硬件在環(huán)仿真通過數(shù)字機器人模型單元結(jié)合包含在仿真系統(tǒng)中的真實機器人上的外部設備而進行，從而最大化地模擬得到機器人運行過程中的動態(tài)參數(shù)，分析機器人的運動性能及極限。
[0016]本發(fā)明還提供一種采用上述任一項技術(shù)方案中的機器人仿真系統(tǒng)的仿真方法，具體步驟如下:
[0017]仿真過程從開始步驟SI啟動，首先進入步驟S2進行軌跡數(shù)據(jù)導入處理，導入到軌跡數(shù)據(jù)可以分為三種類型，一種是導入三維設計或仿真軟件中的機器人軌跡數(shù)據(jù)，第二種是通過機器人示教器示教的軌跡數(shù)據(jù)，第三種是通過解析機器人語言程序獲得的軌跡數(shù)據(jù)；然后進入步驟S3即需要確定是否進行軟件仿真，如果選擇“是”則進入到步驟S4 ;在步驟S4處要對所獲得的軌跡數(shù)據(jù)進行軌跡二次處理操作，這種處理操作能夠使數(shù)據(jù)在速度域和加速度域上更加平滑化，以使得處理后的數(shù)據(jù)在速度域和加速度域上是平滑的，也就是在機器人關節(jié)空間中，這兩個域上的值是連續(xù)的，從而可以使得機器人的驅(qū)動部件只需提供連續(xù)變化的扭矩及速度，避免引起不必要的機械振動；二次處理操作完畢后，進入到步驟S5進行軟件仿真，步驟S5完成后，便已經(jīng)完成了對輸入數(shù)據(jù)的校驗，同時也對機器人的運行過程中的各種狀態(tài)有了先驗知識；然后進入步驟S6選擇是否進行半物理模型硬件在環(huán)仿真，如果選擇“是”，則跳轉(zhuǎn)到S8進行半物理模型硬件在環(huán)仿真，此時經(jīng)過二次處理后的數(shù)據(jù)直接傳遞給半物理硬件在環(huán)仿真直接使用，這樣就可以大大節(jié)省仿真所消耗的時間，同時也可以在次過程中過濾出不適合于物理模型的輸入數(shù)據(jù)，防止由極端輸入指令引起的物理系統(tǒng)的損壞，如果在步驟S6中選擇“否”則進入步驟SlO結(jié)束本次仿真任務；此夕卜，如果在步驟S3中選擇“否”，即不首先進行軟件仿真，則跳轉(zhuǎn)到步驟S7首先對軌跡數(shù)據(jù)進行二次處理操作，然后直接進入步驟S8進行半物理模型硬件在環(huán)仿真，步驟S8結(jié)束后進入到步驟S9，在步驟S9中需要在得到有效結(jié)果后判斷是否要進行軟件仿真，如果選擇“是”則跳轉(zhuǎn)到步驟S5處進行軟件仿真，如果選擇否，則進入步驟SlO直接結(jié)束本次仿真任務。
[0018]為了提高仿真的效率和精度，本發(fā)明首先設計了系統(tǒng)的數(shù)字模型，其中包括機器人控制器模型，機器人本體數(shù)字模型。其次，設計了機器人負載以及所有的外部接口。
[0019]在通用計算機平臺上構(gòu)建了機器人控制器模型，移植了真實機器人控制器所使用的控制算法，軟件前端為三維交互式圖形界面。對數(shù)字機器人模型的操作完全經(jīng)由該虛擬控制器控制，操作方式也與操作真實的機器人類似。創(chuàng)建機器人虛擬工作環(huán)境，以模擬真實機器人的工作環(huán)境。
[0020]本發(fā)明還實現(xiàn)了機器人運動學的正解與逆解運算，在獲取了機器人運動軌跡后，首先解算機器人運動學方程的逆解。獲取機器人末端執(zhí)行器的位置之后，計算各個關節(jié)軸的對應角度位置。利用計算結(jié)果，更新界面中的機器人三維模型的狀態(tài)。然后在下一個計算循環(huán)中，通過計算機器人運動學正解，將機器人當前各個關節(jié)軸的坐標，轉(zhuǎn)化為機器人在對應迪卡爾坐標中的位置并將結(jié)果與上個計算周期的命令位置進行對比，檢驗機器人是否得到了正確的控制。在此過程中，通過觀察機器人三維模型的狀態(tài)來檢測機器人是否按照預先設定的方式運行，例如:檢測機器人運動軌跡，機器人與環(huán)境的干涉情況，機器人與外部時間的同步性等。
[0021]此外，在本發(fā)明中，虛擬控制器的軌跡的輸入方式是多樣性的，主要包含:通過導入三維設計或仿真軟件中的機器人軌跡數(shù)據(jù)，通過機器人示教器示教，通過解析機器人語言程序獲得軌跡數(shù)據(jù)。經(jīng)由其中任意一種方式獲得的機器人軌跡數(shù)據(jù)，都要經(jīng)過二次處理，以使處理后的數(shù)據(jù)在速度域和加速度域上連續(xù)平滑，即在機器人關節(jié)空間中，這兩個域上的值是連續(xù)的。使得機器人的驅(qū)動部件只需提供連續(xù)變化的扭矩及速度，從而避免激發(fā)機器人的振動模態(tài)。在軟件仿真中，二次處理后的數(shù)據(jù)可以直接傳遞給機器人的半物理仿真模塊直接使用，這樣就有效降低了仿真時間，同時過濾了不適合于物理模型的輸入數(shù)據(jù)，防止由錯誤的輸入指令而引起的物理系統(tǒng)損壞。
[0022]數(shù)字模型也實現(xiàn)了對外部事件的同步，通過系統(tǒng)提供的時鐘和定時器實現(xiàn)對程序真實運行時間的控制，使得數(shù)字模型與外部事件之間的同步性能可以達到與物理系統(tǒng)相同級別的要求。
[0023]為了調(diào)節(jié)該環(huán)節(jié)的仿真效率和仿真精度，數(shù)字化機器人控制器還可以對經(jīng)過二次處理的軌跡數(shù)據(jù)進行再次采樣?？梢栽诒３植蓸泳嚯x不變的情況下，通過增加采樣周期來提高仿真速度。也可以在保持采樣周期不變的情況下，通過減小采樣距離來提高仿真精度。
[0024]機器人數(shù)字模型還包含簡單的機器人動力學模型，通過數(shù)值求解動力學方程的方法，計算并觀測機器人在運動軌跡上運行時，所需提供的關節(jié)驅(qū)動扭矩大小。
[0025]本系統(tǒng)中的另外一種模型為硬件在環(huán)的機器人模型，系統(tǒng)含有真實機器人上的某些關鍵零部件，例如真實的機器人控制器，機器人伺服系統(tǒng)，減速系統(tǒng)以及機器人負載。這樣就可以在建立的模型中，最大化地模擬得到機器人運行過程中的真實動態(tài)參數(shù)，分析機器人的運動性能極限。
[0026]機器人控制器主要負責對機器人驅(qū)動系統(tǒng)的控制，等同于控制一臺真實的機器人。因為真實機器人上所采用的機器人伺服系統(tǒng)和減速系統(tǒng)都被包含在模型中了。為機器人配置不同的負載，調(diào)節(jié)驅(qū)動器的參數(shù)，完成對模型的響應測試。
[0027]驅(qū)動鏈中的減速系統(tǒng)可以配置與真實機器人上完全相同的型號，這樣就把物理系統(tǒng)中的不確定動力學影響因素包含到系統(tǒng)中，如:轉(zhuǎn)動關節(jié)的摩擦，這主要來自關節(jié)軸減速系統(tǒng)；減速系統(tǒng)的效率；減速系統(tǒng)扭矩傳遞的穩(wěn)定性等。通過直接辨識的方法得到機器人真實的動態(tài)模型。
[0028]加載在各個關節(jié)上的負載也是及其重要的影響系統(tǒng)響應的因素。真實機器人在運行過程中，對應各個關節(jié)軸上的負載是時變的，因此對于單關節(jié)來說，其模型也是時變的。在本發(fā)明中，為各個關節(jié)配置了可動態(tài)配置的負載。也就是說，在模型運行過程中，這類負載的大小是可以根據(jù)需求實時改變的。這樣就模擬了機器人在正常運行過程中的負載變化情況，同時可以實現(xiàn)了一些在真實機器人上無法實現(xiàn)的極端負載，最終能夠獲得機器人在極端負載情況下動態(tài)性能。
[0029]建立在這兩種機器人模型上的仿真模擬是依靠一個仿真管理單元實現(xiàn)的。軟件數(shù)字模型作為單獨的一個模塊，被動態(tài)地加載到機器人控制器中，通過與控制器的接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞，例如經(jīng)過二次處理的軌跡數(shù)據(jù)等。通過遠程進程控制接口，將仿真系統(tǒng)的監(jiān)控模塊實現(xiàn)在通用計算機平臺之上。通過有好的控制界面，非常方便地實現(xiàn)了在兩種仿真模式中進行切換。通過中斷的方式，實現(xiàn)真實的外部事件與軟件數(shù)字模型動作的直接同
止/J/ O
[0030]整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后處理部分除了一些可以直接觀測到的測量之外，均由通用數(shù)值分析工具來處理，例如:Matlab。這樣在模塊中建立了運行時數(shù)據(jù)存儲模塊，所有被測量均存儲為統(tǒng)一格式，通過平臺接口傳遞到外部存儲設備中，以供分析。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是根據(jù)本發(fā)明中一個代表性實施例的機器人仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖圖；
[0032]圖2是根據(jù)本發(fā)明中一個代表性實施例的機器人仿真的步驟流程圖；
[0033]圖3是根據(jù)本發(fā)明中一個代表性實施例的硬件在環(huán)仿真中外部設備調(diào)用的示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面將參考附圖1和2對本發(fā)明中一個詳細的代表性實施例進行描述。圖1是本發(fā)明所述的一種機器人仿真系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施例，該仿真系統(tǒng)包括機器人控制器1，所述機器人控制器I內(nèi)部能夠加載針對機器人的仿真程序，在機器人控制器I中安裝有仿真工具軟件，從而在仿真系統(tǒng)工作時可以實時檢測機器人的狀態(tài)數(shù)據(jù)；在該機器人控制器I內(nèi)設置有真實機器人控制單元2、輔助用的真實應用程序控制單元3、數(shù)字機器人模型單元5、通用分析平臺接口 9、半物理模型狀態(tài)寄存器以及遠程進程控制接口 4，其中，數(shù)字機器人模型單元5能夠測量計算得到機器人系統(tǒng)中的力及扭矩狀態(tài)。
[0035]該仿真系統(tǒng)還包括獨立的通用計算機平臺6，在通用計算機平臺6內(nèi)設置有仿真監(jiān)控界面7，同時將仿真監(jiān)控軟件安裝在通用計算機平臺6上，這樣，機器人控制器I與通用計算機平臺6之間能夠通過仿真監(jiān)控界面7交互完成仿真任務，具體地，機器人控制器I是通過其內(nèi)部的遠程進程控制接口 4來與通用計算機平臺6進行通信的，這樣能夠使得安裝在通用計算機平臺6上的仿真軟件可以獲得進入機器人控制器I中數(shù)字機器人模型單元5及半物理模型狀態(tài)寄存器進行讀取的權(quán)利，從而獲得所有機器人模型相關參數(shù)。該仿真系統(tǒng)還包括外部設備8，其與機器人控制器I相連接，外部設備8用于進行半物理硬件在環(huán)仿真，其包括減速器、伺服電機和編碼器等。
[0036]此外，在該機器人仿真系統(tǒng)中還設有時鐘、定時器和采樣計算單元，通過仿真系統(tǒng)提供的時鐘和定時器從而實現(xiàn)對程序真實運行時間的控制，使得數(shù)字模型與外部事件之間的同步性能可以達到物理系統(tǒng)應用級別的要求。
[0037]通過采用上述仿真系統(tǒng)，無論是在機器人控制器I內(nèi)部單獨進行仿真，還是通過與機器人控制器I進行通信的通用計算機平臺6進行仿真，該仿真系統(tǒng)中進行的仿真程序包括兩個層面的仿真，一種為純軟件層面的軟件仿真，第二種是包含半物理模型的硬件在環(huán)仿真，通常來講，為了驗證輸入數(shù)據(jù)的有效性及合理性，可以先進行純軟件層面的仿真，這樣可以在仿真過程中剔除掉一些不良的輸入數(shù)據(jù)，提高單次仿真的成功率，接下來進行的半物理模型硬件仿真可以將真實物理世界中的影響因素包含到仿真中去，以此來提高仿真的真實性。
[0038]具體而言，上述仿真任務中軟件仿真的核心是與真實機器人控制器單元2相匹配的算法，具體通過仿真系統(tǒng)中機器人控制器I內(nèi)部的數(shù)字機器人模型單元5進行軟件仿真，其中數(shù)字機器人模型單元5是與真實機器人具有相同幾何參數(shù)的數(shù)字對象。該仿真的軟件前端為三維圖形交互式界面，對數(shù)字模型機器人的操作完全經(jīng)由該機器人控制器1，操作方式也與操作真實的機器人類似，可以為機器人創(chuàng)建虛擬的工作環(huán)境，以模擬真實機器人的生產(chǎn)環(huán)境，其中，軟件仿真的算法部分主要實現(xiàn)機器人運動學的正解與逆解計算，具體地，在獲取了機器人運動軌跡后，首先解算機器人運動學方程的逆解，也就是在獲取機器人末端執(zhí)行器的位置之后，計算各個關節(jié)軸的對應角度位置并利用計算得到的結(jié)果數(shù)據(jù)，更新界面中的機器人三維模型的狀態(tài)，然后在下一個計算循環(huán)中，通過計算機器人運動學正解，將機器人當前各個關節(jié)軸的坐標，轉(zhuǎn)化為機器人在對應迪卡爾坐標中的位置并將結(jié)果與上個計算周期的命令位置進行對比，檢驗機器人是否得到了正確的控制。在此過程中，同時可以通過觀察機器人三維模型的狀態(tài)來檢測機器人是否按照預先設定的方式在運行，例如:機器人運動軌跡，機器人與環(huán)境干涉，機器人與外部時間的同步性等。
[0039]在上述硬件在環(huán)仿真環(huán)節(jié)中，機器人用的外部設備8是包含在仿真系統(tǒng)內(nèi)的，例如伺服電機，減速器以及機器人負載等，這樣在仿真過程中就可以最大化的模擬出機器人運行時的真實動態(tài)響應，例如，如機器人轉(zhuǎn)動關節(jié)的摩擦等真實存在又很難用數(shù)值手段模擬的因素就能夠很方便地囊括進仿真系統(tǒng)了。
[0040]具體而言，半物理硬件在環(huán)仿真通過數(shù)字機器人模型單元5結(jié)合包含在仿真系統(tǒng)中的真實機器人上的外部設備8而進行，該外部設備8例如可以是機器人伺服電機，減速器以及機器人負載裝置等，這樣就可以在建立的硬件仿真模型中，最大化地模擬得到機器人運行過程中的動態(tài)參數(shù)，分析機器人的運動性能及極限。
[0041]在半物理硬件在環(huán)仿真中，機器人控制器I主要負責對機器人驅(qū)動系統(tǒng)的控制，這與控制一臺真實的機器人幾乎沒有任何區(qū)別，因為真實機器人上所采用的機器人伺服電機和減速器都被包含在模型中了，同時可以根據(jù)不同級別的機器人負載設置機器人驅(qū)動器的參數(shù)，測試模型對不同級別負載的響應。[0042]仿真系統(tǒng)的外部設備8中的減速器可以配置與真實機器人上完全相同的型號，這樣就可以把物理系統(tǒng)中的不確定隨機動力學影響因素包含進去了，例如:轉(zhuǎn)動關節(jié)的摩擦，這主要來自關節(jié)軸減速系統(tǒng)；減速系統(tǒng)的效率；減速系統(tǒng)扭矩傳遞的穩(wěn)定性等。這樣，還可以通過直接辨識的方法得到機器人的真實的動態(tài)模型。
[0043]加載在各個關節(jié)上的機器人負載裝置所代表的負載也是及其重要的影響系統(tǒng)響應的因素，具體而言，真實機器人在運行過程中，對應各個關節(jié)軸上的負載是時變的，因此對于單關節(jié)來說，其模型也是時變的。在本發(fā)明中，為各個關節(jié)配置了可編程的負載，也就是說，在模型運行過程中，這類負載是可以根據(jù)預先編制的程序運行的，這樣就可以模擬出機器人在正常運行過程中的負載變化情況，同時也可以實現(xiàn)一些在真實機器人上無法實現(xiàn)的極端負載，這樣也就能夠獲得機器人在這種極端負載情況下所表現(xiàn)出來的性能情況。
[0044]機器人關節(jié)對應的動態(tài)負載是很難模擬的因素，它將直接影響到關節(jié)的減速器的效率，減速器扭矩傳遞穩(wěn)定性參數(shù)等重要參數(shù)。為此，給各個關節(jié)配置了可編程的負載。通過預先設定仿真路徑，對關節(jié)負載進行全程變化編程，實現(xiàn)對動態(tài)負載的模擬，甚至可以模擬出一些真實機器人上無法實現(xiàn)的極端變化的負載。在圖3中，動力通過伺服電機11傳遞給減速器12，通過輸出法蘭13鏈接負載安裝支架16。在安裝支架16上沿周向均布著四個可沿徑向移動的負載15，17。在關節(jié)軸沿方向14轉(zhuǎn)動的過程中，四個負載就按照預編程序移動了。
[0045]總體上，在這兩種模型上的仿真模擬是依靠一個仿真管理單元實現(xiàn)的。數(shù)字機器人模型單元5作為單獨的一個模塊，被動態(tài)地加載到機器人控制器I中，通過與控制器I的接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞，如經(jīng)過二次處理的軌跡數(shù)據(jù)等。通過遠程進程控制接口 4，可以將仿真的監(jiān)控部分實現(xiàn)在通用計算機平臺6之上。通過有好的控制界面，可以非常方便地在兩種仿真模式中進行切換，甚至可以通過中斷的方式，將真實的外部事件直接同步到軟件數(shù)字模型的運行當中去。
[0046]通過執(zhí)行軟件仿真和半物理硬件在環(huán)仿真的兩種仿真，系統(tǒng)都會保存大量的運行中機器人數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)中有一些是比較適合于通過直接觀測而得到結(jié)果的，那么他們將被以圖形的形式直接通過交互界面提供給用戶。另外一部分量比較大，相互間關系比較復雜的數(shù)據(jù)將被存儲在指定的文件模塊中，通過仿真系統(tǒng)的通用分析平臺接口 9，導出到通用分析工具中去進行進一步的數(shù)值分析，如利用Matlab可以對機器人各個關節(jié)的動態(tài)響應結(jié)果，分別放置到時域及頻域中進行研究分析，從而得到各個關節(jié)的真實數(shù)學模型。
[0047]接下來將結(jié)合附圖詳細描述采用本發(fā)明的仿真系統(tǒng)進行的具體仿真過程，如圖2所示，仿真過程從開始步驟SI啟動，首先進入步驟S2進行軌跡數(shù)據(jù)導入處理，導入到軌跡數(shù)據(jù)可以分為三種類型，一種是導入三維設計或仿真軟件中的機器人軌跡數(shù)據(jù)，第二種是通過機器人示教器示教的軌跡數(shù)據(jù)，第三種是通過解析機器人語言程序獲得的軌跡數(shù)據(jù)；然后進入步驟S3即需要確定是否進行軟件仿真，如果選擇“是”則進入到步驟S4 ;在步驟S4處要對所獲得的軌跡數(shù)據(jù)進行軌跡二次處理操作，這種處理操作能夠使數(shù)據(jù)在速度域和加速度域上更加平滑化，以使得處理后的數(shù)據(jù)在速度域和加速度域上是平滑的，也就是在機器人關節(jié)空間中，這兩個域上的值是連續(xù)的，從而可以使得機器人的驅(qū)動部件只需提供連續(xù)變化的扭矩及速度，避免引起不必要的機械振動；二次處理操作完畢后，進入到步驟S5進行軟件仿真，步驟S5完成后，便已經(jīng)完成了對輸入數(shù)據(jù)的校驗，同時也對機器人的運行過程中的各種狀態(tài)有了先驗知識；然后進入步驟S6選擇是否進行半物理模型硬件在環(huán)仿真，如果選擇“是”，則跳轉(zhuǎn)到S8進行半物理模型硬件在環(huán)仿真，此時經(jīng)過二次處理后的數(shù)據(jù)直接傳遞給半物理硬件在環(huán)仿真直接使用，這樣就可以大大節(jié)省仿真所消耗的時間。同時也可以在次過程中過濾出不適合于物理模型的輸入數(shù)據(jù)，防止由極端輸入指令引起的物理系統(tǒng)的損壞，如果在步驟S6中選擇“否”則進入步驟SlO結(jié)束本次仿真任務。
[0048]此外，如果在步驟S3中選擇“否”，即不首先進行軟件仿真，則跳轉(zhuǎn)到步驟S7首先對軌跡數(shù)據(jù)進行二次處理操作，然后直接進入步驟S8進行半物理模型硬件在環(huán)仿真，步驟S8結(jié)束后進入到步驟S9，在步驟S9中需要在得到有效結(jié)果后判斷是否要進行軟件仿真，如果選擇“是”則跳轉(zhuǎn)到步驟S5處進行軟件仿真，如果選擇否，則進入步驟SlO直接結(jié)束本次仿真任務。
[0049]從上述仿真流程可以發(fā)現(xiàn)，半物理硬件在環(huán)仿真可以在起初就進行，也可以是在完成了軟件仿真后再進行的。無論從哪一種方式進行仿真，首先要對軌跡數(shù)據(jù)進行二次處理以保證輸入軌跡數(shù)據(jù)的有效性。此外，為了調(diào)節(jié)仿真效率和仿真精度，機器人控制器I還可以對經(jīng)過二次處理的軌跡數(shù)據(jù)進行再次采樣，這樣可以在保持采樣距離不變的情況下，增加采樣周期以提高仿真速度，也可以在保持采樣周期不變的情況下，減小采樣距離，提高仿真精度。
[0050]本發(fā)明的一個代表性實施例參照附圖得到了詳細的描述。這些詳細的描述僅僅給本領域技術(shù)人員更進一步的相信內(nèi)容，以用于實施本發(fā)明的優(yōu)選方面，并且不會對本發(fā)明的范圍進行限制。僅有權(quán)利要求用于確定本發(fā)明的保護范圍。因此，在前述詳細描述中的特征和步驟的結(jié)合不是必要的用于在最寬廣的范圍內(nèi)實施本發(fā)明，并且可替換地僅對本發(fā)明的特別詳細描述的代表性實施例給出教導。此外，為了獲得本發(fā)明的附加有用實施例，在說明書中給出教導的各種不同的特征可通過多種方式結(jié)合，然而這些方式?jīng)]有特別地被例舉出來。
【權(quán)利要求】
1.一種機器人仿真系統(tǒng)，其包括機器人控制器，所述機器人控制器內(nèi)部能夠加載針對機器人的仿真程序，在該機器人控制器內(nèi)設置有真實機器人控制單元、輔助用的真實應用程序控制單元、數(shù)字機器人模型單元、通用分析平臺接口、半物理模型狀態(tài)寄存器以及遠程進程控制接口，該仿真系統(tǒng)還包括獨立的通用計算機平臺，在通用計算機平臺內(nèi)設置有仿真監(jiān)控界面，同時將仿真監(jiān)控軟件安裝在通用計算機平臺上，其特征在于:該仿真系統(tǒng)還包括外部設備，其與機器人控制器相連接，外部設備用于進行半物理硬件在環(huán)仿真。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機器人仿真系統(tǒng)，其特征在于:數(shù)字機器人模型單元能夠測量計算得到機器人系統(tǒng)中的力及扭矩狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機器人仿真系統(tǒng)，其特征在于:機器人控制器是通過其內(nèi)部的遠程進程控制接口來與通用計算機平臺進行通信的，這樣能夠使得安裝在通用計算機平臺上的仿真軟件可以獲得進入機器人控制器中數(shù)字機器人模型單元及半物理模型狀態(tài)寄存器進行讀取的權(quán)利，從而獲得所有機器人模型相關參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機器人仿真系統(tǒng)，其特征在于:所述外部設備包括減速器、伺服電機和編碼器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機器人仿真系統(tǒng)，其特征在于:該機器人仿真系統(tǒng)還設有時鐘、定時器和采樣計算單元，其中，通過仿真系統(tǒng)提供的時鐘和定時器從而實現(xiàn)對程序真實運行時間的控制，使得數(shù)字模型與外部事件之間的同步性能可以達到物理系統(tǒng)應用級別的要求。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的機器人仿真系統(tǒng)，其特征在于:所述仿真系統(tǒng)能夠進行機器人運動仿真，具體是在機器人控制器內(nèi)部單獨進行仿真或者通過與機器人控制器進行通信的通用計算機平臺進行仿真。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機器人仿真系統(tǒng)，其特征在于:上述仿真包括兩個層面的仿真，一種為純軟件層面的軟件仿真，第二種是包含半物理模型的硬件在環(huán)仿真。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的機器人仿真系統(tǒng)，其特征在于:上述軟件仿真通過仿真系統(tǒng)中機器人控制器內(nèi)部的數(shù)字機器人模型單元進行軟件仿真，其中數(shù)字機器人模型單元是與真實機器人具有相同幾何參數(shù)的數(shù)字對象，所述仿真的軟件前端為三維圖形交互式界面。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的機器人仿真系統(tǒng)，其特征在于:半物理硬件在環(huán)仿真通過數(shù)字機器人模型單元結(jié)合包含在仿真系統(tǒng)中的真實機器人上的外部設備而進行，從而最大化地模擬得到機器人運行過程中的動態(tài)參數(shù)，分析機器人的運動性能及極限。
10.一種采用權(quán)利要求1-9中任一項所述的機器人仿真系統(tǒng)的仿真方法，具體步驟如下: 仿真過程從開始步驟SI啟動，首先進入步驟S2進行軌跡數(shù)據(jù)導入處理，導入到軌跡數(shù)據(jù)可以分為三種類型，一種是導入三維設計或仿真軟件中的機器人軌跡數(shù)據(jù)，第二種是通過機器人示教器示教的軌跡數(shù)據(jù)，第三種是通過解析機器人語言程序獲得的軌跡數(shù)據(jù)；然后進入步驟S3即需要確定是否進行軟件仿真，如果選擇“是”則進入到步驟S4 ;在步驟S4處要對所獲得的 軌跡數(shù)據(jù)進行軌跡二次處理操作，這種處理操作能夠使數(shù)據(jù)在速度域和加速度域上更加平滑化，以使得處理后的數(shù)據(jù)在速度域和加速度域上是平滑的，也就是在機器人關節(jié)空間中，這兩個域上的值是連續(xù)的，從而可以使得機器人的驅(qū)動部件只需提供連續(xù)變化的扭矩及速度，避免引起不必要的機械振動；二次處理操作完畢后，進入到步驟S5進行軟件仿真，步驟S5完成后，便已經(jīng)完成了對輸入數(shù)據(jù)的校驗，同時也對機器人的運行過程中的各種狀態(tài)有了先驗知識；然后進入步驟S6選擇是否進行半物理模型硬件在環(huán)仿真，如果選擇“是”，則跳轉(zhuǎn)到S8進行半物理模型硬件在環(huán)仿真，此時經(jīng)過二次處理后的數(shù)據(jù)直接傳遞給半物理硬件在環(huán)仿真直接使用，這樣就可以大大節(jié)省仿真所消耗的時間，同時也可以在次過程中過濾出不適合于物理模型的輸入數(shù)據(jù)，防止由極端輸入指令引起的物理系統(tǒng)的損壞，如果在步驟S6中選擇“否”則進入步驟SlO結(jié)束本次仿真任務；此外，如果在步驟S3中選擇“否”，即不首先進行軟件仿真，則跳轉(zhuǎn)到步驟S7首先對軌跡數(shù)據(jù)進行二次處理操作，然后直接進入步驟S8進行半物理模型硬件在環(huán)仿真，步驟S8結(jié)束后進入到步驟S9,在步驟S9中需要在得到有效結(jié)果后判斷是否要進行軟件仿真，如果選擇“是”則跳轉(zhuǎn)到步驟S5處進行軟件仿真，如果選擇否，則進入步驟SlO直接結(jié)束本次仿真任務。
【文檔編號】G05B17/02GK103926847SQ201410185300
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月4日
【發(fā)明者】姚庭, 劉會英, 林建林, 鞏相峰, 銀雙貴 申請人:威海正棋機電技術(shù)有限公司