一种机器人仿真系统技术方案

本发明专利技术提供了一种机器人仿真系统，其包括机器人控制器，所述机器人控制器内部能够加载针对机器人的仿真程序，在该机器人控制器内设置有真实机器人控制单元、辅助用的真实应用程序控制单元、数字机器人模型单元、通用分析平台接口、半物理模型状态寄存器以及远程进程控制接口，该仿真系统还包括独立的通用计算机平台和外部设备，在通用计算机平台内设置有仿真监控界面。通过采用本发明专利技术提供的仿真系统，提高整个仿真模拟工作的效率及可靠性，并且在获取真实环境下机器人的动态性能参数情况下，准确地真实地对机器人运动进行仿真模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种用于机器人的仿真方法
本专利技术涉及一种仿真方法，特别地涉及一种用于机器人的仿真方法。
技术介绍
在工业机器人的设计及应用过程中，经常需要用到机器人仿真系统，通过仿真来模拟机器人的状态及性能参数，从而给设计人员提供有效的设计参考，给应用人员以直观的机器人反馈。当前，比较常用的此类系统主要有两大类型，一类通过在普通通用计算机平台上建立完整的仿真环境来实现，其中包括虚拟机器人控制器，虚拟机器人及虚拟工作环境。另外一类仿真系统中，包含了整个机器人硬件系统，并在此基础上额外地设计了一套适用于仿真和分析的辅助软件，以实现使用要求。在应用过程当中，第一类仿真系统中的模型一般都比较粗糙，在真实的环境中存在的很多因素都无法被包含到模型中去，例如：机器人各个关节处的真实摩擦，机器人在工作环境中所受到的干扰，与其他外部事件的耦合及同步等。因此，基于此类仿真系统所得到的结果数据，只在机器人运动学相关的技术层面上具有参考意义，在机器人动力学性能层面上，无法反映出比较有价值的结果。这类系统一般适合用来在应用过程中验证机器人的运行轨迹是否符合预期。第二类仿真系统使用了完全真实的硬件系统，通过辅助工具实现模拟。如中国专利CN101751004A，描述了一种利用真实机器人及机床在环的仿真系统，可视化地模拟设备在环境中的运行状态及性能。但是由于真实的机器人系统在物理上有很多性能极限，因此无法利用此种系统来获得机器人在极限状态下的性能。例如：一般机器人每个关节都设有机械式位置限制，一旦机器人强行越过该限位，将对机器人造成不可恢复的损害，甚至引发危险。每个关节的运行速度和加速度也有限制，同样也无法得到在限制范围之外的机器人的动态性能。这类系统一般适合于验证所测试之机器人在极限约束之内的动态性能。以上两类系统的缺点是在仿真模拟过程中，无法最大化地获得机器人在全环境及约束范围内的真实动态性能，整个应用过程中的效率也比较低下。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述仿真系统的问题而设计的。为了验证输入数据的有效性及合理性，设计了纯软件仿真模块，以提高整个仿真模拟工作的效率及可靠性。与机器人相关的可分离硬件设置在仿真环路中，获取真实环境下机器人的动态性能参数。辅助以通用数值分析软件平台接口，方便对仿真数据进行处理及分析。具体而言，为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种机器人仿真系统，其包括机器人控制器，所述机器人控制器内部能够加载针对机器人的仿真程序，在该机器人控制器内设置有真实机器人控制单元、辅助用的真实应用程序控制单元、数字机器人模型单元、通用分析平台接口、半物理模型状态寄存器以及远程进程控制接口，该仿真系统还包括独立的通用计算机平台，在通用计算机平台内设置有仿真监控界面，同时将仿真监控软件安装在通用计算机平台上，该仿真系统还包括外部设备，其与机器人控制器相连接，外部设备用于进行半物理硬件在环仿真。优选的是，数字机器人模型单元能够测量计算得到机器人系统中的力及扭矩状态。优选的是，机器人控制器是通过其内部的远程进程控制接口来与通用计算机平台进行通信的，这样能够使得安装在通用计算机平台上的仿真软件可以获得进入机器人控制器中数字机器人模型单元及半物理模型状态寄存器进行读取的权利，从而获得所有机器人模型相关参数。优选的是，所述外部设备包括减速器、伺服电机和编码器。优选的是，该机器人仿真系统还设有时钟、定时器和采样计算单元，其中，通过仿真系统提供的时钟和定时器从而实现对程序真实运行时间的控制，使得数字模型与外部事件之间的同步性能可以达到物理系统应用级别的要求。优选的是，所述仿真系统能够进行机器人运动仿真，具体是在机器人控制器内部单独进行仿真或者通过与机器人控制器进行通信的通用计算机平台进行仿真。优选的是，上述仿真包括两个层面的仿真，一种为纯软件层面的软件仿真，第二种是包含半物理模型的硬件在环仿真。优选的是，上述软件仿真通过仿真系统中机器人控制器内部的数字机器人模型单元进行软件仿真，其中数字机器人模型单元是与真实机器人具有相同几何参数的数字对象，所述仿真的软件前端为三维图形交互式界面。优选的是，半物理硬件在环仿真通过数字机器人模型单元结合包含在仿真系统中的真实机器人上的外部设备而进行，从而最大化地模拟得到机器人运行过程中的动态参数，分析机器人的运动性能及极限。本专利技术还提供一种采用上述任一项技术方案中的机器人仿真系统的仿真方法，具体步骤如下：仿真过程从开始步骤S1启动，首先进入步骤S2进行轨迹数据导入处理，导入到轨迹数据可以分为三种类型,一种是导入三维设计或仿真软件中的机器人轨迹数据，第二种是通过机器人示教器示教的轨迹数据，第三种是通过解析机器人语言程序获得的轨迹数据；然后进入步骤S3即需要确定是否进行软件仿真，如果选择“是”则进入到步骤S4；在步骤S4处要对所获得的轨迹数据进行轨迹二次处理操作，这种处理操作能够使数据在速度域和加速度域上更加平滑化，以使得处理后的数据在速度域和加速度域上是平滑的，也就是在机器人关节空间中，这两个域上的值是连续的，从而可以使得机器人的驱动部件只需提供连续变化的扭矩及速度，避免引起不必要的机械振动；二次处理操作完毕后，进入到步骤S5进行软件仿真，步骤S5完成后，便已经完成了对输入数据的校验，同时也对机器人的运行过程中的各种状态有了先验知识；然后进入步骤S6选择是否进行半物理模型硬件在环仿真，如果选择“是”，则跳转到S8进行半物理模型硬件在环仿真，此时经过二次处理后的数据直接传递给半物理硬件在环仿真直接使用，这样就可以大大节省仿真所消耗的时间，同时也可以在次过程中过滤出不适合于物理模型的输入数据，防止由极端输入指令引起的物理系统的损坏，如果在步骤S6中选择“否”则进入步骤S10结束本次仿真任务；此外，如果在步骤S3中选择“否”，即不首先进行软件仿真，则跳转到步骤S7首先对轨迹数据进行二次处理操作，然后直接进入步骤S8进行半物理模型硬件在环仿真，步骤S8结束后进入到步骤S9,在步骤S9中需要在得到有效结果后判断是否要进行软件仿真，如果选择“是”则跳转到步骤S5处进行软件仿真，如果选择否，则进入步骤S10直接结束本次仿真任务。为了提高仿真的效率和精度，本专利技术首先设计了系统的数字模型，其中包括机器人控制器模型，机器人本体数字模型。其次，设计了机器人负载以及所有的外部接口。在通用计算机平台上构建了机器人控制器模型，移植了真实机器人控制器所使用的控制算法，软件前端为三维交互式图形界面。对数字机器人模型的操作完全经由该虚拟控制器控制，操作方式也与操作真实的机器人类似。创建机器人虚拟工作环境，以模拟真实机器人的工作环境。本专利技术还实现了机器人运动学的正解与逆解运算，在获取了机器人运动轨迹后，首先解算机器人运动学方程的逆解。获取机器人末端执行器的位置之后，计算各个关节轴的对应角度位置。利用计算结果，更新界面中的机器人三维模型的状态。然后在下一个计算循环中，通过计算机器人运动学正解，将机器人当前各个关节轴的坐标，转化为机器人在对应迪卡尔坐标中的位置并将结果与上个计算周期的命令位置进行对比，检验机器人是否得到了正确的控制。在此过程中，通过观察机器人三维模型的状态来检测机器人是否按照预先设定的方式运行，例如：检测机器人运动轨迹，机器人与环境的干涉情本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机器人仿真系统，其包括机器人控制器，所述机器人控制器内部能够加载针对机器人的仿真程序，在该机器人控制器内设置有真实机器人控制单元、辅助用的真实应用程序控制单元、数字机器人模型单元、通用分析平台接口、半物理模型状态寄存器以及远程进程控制接口，该仿真系统还包括独立的通用计算机平台，在通用计算机平台内设置有仿真监控界面，同时将仿真监控软件安装在通用计算机平台上，其特征在于：该仿真系统还包括外部设备，其与机器人控制器相连接，外部设备用于进行半物理硬件在环仿真。

【技术特征摘要】
1.一种用于机器人的仿真方法，具体步骤如下：仿真过程从开始步骤S1启动，首先进入步骤S2进行轨迹数据导入处理，导入到轨迹数据可以分为三种类型,一种是导入三维设计或仿真软件中的机器人轨迹数据，第二种是通过机器人示教器示教的轨迹数据，第三种是通过解析机器人语言程序获得的轨迹数据；然后进入步骤S3即需要确定是否进行软件仿真，如果选择“是”则进入到步骤S4；在步骤S4处要对所获得的轨迹数据进行轨迹二次处理操作，这种处理操作能够使数据在速度域和加速度域上更加平滑化，以使得处理后的数据在速度域和加速度域上是平滑的，也就是在机器人关节空间中，这两个域上的值是连续的，从而可以使得机器人的驱动部件只需提供连续变化的扭矩及速度，避免引起不必要的机械振动；二次处理操作完毕后，进入到步骤S5进行软件仿真，步骤S5完成后，便已经完成了对输入数据的校验，同时也对机器人的运行过程中的各种状态有了先验知识；然后进入步骤S6选择是否进行半物理模型硬件在环仿真，如果选择“是”，则跳转到S8进行半物理模型硬件在环仿真，此时经过二次处理后的数据直接传递给半物理硬件在环仿真直接使用，这样就可以大大节省仿真所消耗的时间，同时也可以在次过程中过滤出不适合于物理模型的输入数据，防止由极端输入指令引起的物理系统的损坏，如果在步骤S6中选择“否”则进入步骤S10结束本次仿真任务；此外，如果在步骤S3中选择“否”，即不首先进行软件仿真，则跳转到步骤S7首先对轨迹数据进行二次处理操作，然后直接进入步骤S8进行半物理模型硬件在环仿真，步骤S8结束后进入到步骤S9,在步骤S9中需要在得到有效结果后判断是否要进行软件仿真，如果选择“是”则跳转到步骤S5处进行软件仿真，如果选择否，则进入步骤S10直接结束本次仿真任务。2.根据权利要求1所述的用于机器人的仿真方法，其特征在于，所述机器人仿真系统包括机器人控制器，所述机器人控制器内部能够加载针对机器人的仿真程序，在该机器人控制器内设置有真实机器人控制单元、辅助用的真实应用程序控制单元、数字机器人模型单元、通用分析平台接口、半物理模型状态寄存器以及远程进程控制接口...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚庭，刘会英，林建林，巩相峰，银双贵，
申请(专利权)人：威海正棋机电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37