摘  要： 以工業(yè)機(jī)器人在線仿真系統(tǒng)為研究對(duì)象,，介紹了工業(yè)機(jī)器人仿真開(kāi)發(fā)的技術(shù)方法。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)和算法的合理性和準(zhǔn)確性,，分別建立了基于OpenGL和Matlab的機(jī)器人在線仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。然后根據(jù)MDH模型對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真,，從正解,、反解兩個(gè)方面對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)描述。最后研究了OpenGL和Matlab機(jī)器人工具箱在機(jī)器人在線仿真中應(yīng)用的可行性,，取得了良好的實(shí)際效果,。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際工程的要求,。
關(guān)鍵詞： OpenGL,；仿真；工業(yè)機(jī)器人,；運(yùn)動(dòng)學(xué),；機(jī)器人工具箱

    隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,，已經(jīng)滲透到各行各業(yè)[1-2],。機(jī)器人技術(shù)在軍事、醫(yī)藥,、工業(yè)自動(dòng)化,、搶險(xiǎn)救災(zāi)等方面已經(jīng)成為不可或缺的好幫手[3-4]。一個(gè)國(guó)家的機(jī)器人發(fā)展水平也能從側(cè)面體現(xiàn)國(guó)家科技的發(fā)展水平,。
    本文以廣泛意義上的六自由度的機(jī)械臂為實(shí)例,，分析了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解問(wèn)題。分別利用OpenGL三維仿真技術(shù)和Matlab機(jī)器人工具箱嵌入機(jī)器人技術(shù)模塊,，對(duì)六自由度機(jī)械臂進(jìn)行系統(tǒng)模擬仿真,，同時(shí)建立了機(jī)械臂可視化頁(yè)面,。在研發(fā)和設(shè)計(jì)機(jī)器人的過(guò)程中，機(jī)器人仿真技術(shù)是一種安全有效的方法,，它發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,，并且應(yīng)該廣泛地推廣[5]。
    國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性的研究,。例如Ding Jienan,、GOLDMAN R E、Xu Kai和ALLEN P K設(shè)計(jì)了一種基于單端口診斷可插入的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)[6],。KLOETZER M,、MAGDICI S和BURLACU A設(shè)計(jì)了一種針對(duì)規(guī)劃移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和Matlab工具箱[7]。鑒于此,，本文選用Matlab機(jī)器人工具箱和OpenGL圖形圖像仿真系統(tǒng)工具,，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行在線仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。
1 機(jī)械臂仿真系統(tǒng)研究
    本文以ABB公司的IRB4600機(jī)器人為研究對(duì)象,，進(jìn)行了機(jī)器人在線仿真系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用,。ABB的IRB4600工業(yè)機(jī)器人的精度較高、操作速度快,、廢品率低,，在擴(kuò)大產(chǎn)能和提升效率方面起到舉足輕重的作用，適合切削,、點(diǎn)膠,、機(jī)加工、測(cè)量,、裝配及焊接應(yīng)用,。IRB4600具有超大的工作范圍和創(chuàng)新的優(yōu)化設(shè)計(jì)，機(jī)身緊湊輕巧,，所獲周期時(shí)間與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比最短可縮減25%,，從而提高產(chǎn)能與效率。
    機(jī)器人設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)的原理如圖1所示,。在機(jī)器人在線仿真系統(tǒng)研究與應(yīng)用中,，一般以Windows作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，選用Visual C++ 6.0,、Matlab機(jī)器人工具箱和OpenGL仿真軟件作為開(kāi)發(fā)工具來(lái)完成機(jī)器人模型的設(shè)計(jì)和建立,，具有可視化操作的優(yōu)點(diǎn)。在機(jī)器人的幾何模型建立與仿真程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中,，用戶通過(guò)對(duì)人機(jī)交互界面的操作間接地控制目標(biāo)模型,，為機(jī)器人的在線仿真系統(tǒng)建立和求解空間模型提供了很好的基礎(chǔ)條件。

2 機(jī)器人在線仿真系統(tǒng)
2.1 ABB的機(jī)器人仿真系統(tǒng)
    Robot Studio是ABB的機(jī)器人仿真系統(tǒng)廣泛使用的工具，就像真正的機(jī)器人在你的電腦,。使用ABB的模擬和離線編程軟件Robot Studio,，可以使得用戶在辦公室內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的機(jī)器人編程，以滿足不同情況下的生產(chǎn)需求,。Robot Studio可以提供工具來(lái)提高盈利能力的機(jī)器人系統(tǒng),，便于執(zhí)行任務(wù)，例如培訓(xùn),、編程和優(yōu)化無(wú)干擾生產(chǎn),。這提供了眾多的好處，包括減少風(fēng)險(xiǎn),、快速啟動(dòng),、更短的轉(zhuǎn)換及提高了生產(chǎn)率。Robot Studio可以幫助開(kāi)發(fā)者非常逼真地模擬執(zhí)行,，在程序和配置文件相同的情況下,，使用虛擬機(jī)器人與真實(shí)機(jī)器人可以達(dá)到一致效果。
2.2 基于Inventor的機(jī)器人仿真系統(tǒng)
    Inventor是美國(guó)AutoDesk公司推出的一款三維可視化實(shí)體模擬軟件,。借助Inventor的運(yùn)動(dòng)仿真功能,，用戶能了解機(jī)器在真實(shí)條件下如何運(yùn)轉(zhuǎn)才能節(jié)省花費(fèi)在構(gòu)建物理樣機(jī)上的成本、時(shí)間和高額的咨詢費(fèi)用,?；贗nventor的機(jī)器人仿真系統(tǒng)用戶可以根據(jù)實(shí)際工況添加載荷、摩擦特性和運(yùn)動(dòng)約束,，然后通過(guò)運(yùn)行仿真功能驗(yàn)證設(shè)計(jì)。借助與應(yīng)力分析模塊的無(wú)縫集成,，可將工況傳遞到某一個(gè)零件上,，來(lái)優(yōu)化零部件設(shè)計(jì)。
2.3 基于Matlab的機(jī)器人仿真系統(tǒng)
    通過(guò)Matlab這個(gè)強(qiáng)大的計(jì)算平臺(tái),采用Robot Toolbox中所提供的接口函數(shù)編制簡(jiǎn)單的程序,。對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行正,、逆問(wèn)題求解，并且對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真,，如圖2所示,。在對(duì)工業(yè)機(jī)器人仿真前,先輸入機(jī)器人的參數(shù)，定義其連桿的關(guān)節(jié)參數(shù)矩陣,。建立仿真運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真平臺(tái)步驟如下：

    L=link([alpha A theta D],，′modified′)；
    R=robot({L1 L2}),；
%用LINK來(lái)創(chuàng)建一個(gè)機(jī)器人對(duì)象,；
    plot(r，[0 0])；%繪制機(jī)器人圖像,；
    t=0:0.056:2; [q,qd,qdd]=jtraj(qz,qr,t),；%軌跡規(guī)劃；
    T=fkine(SCARA, qz); %運(yùn)動(dòng)學(xué)正解,；
    qi=ikine SCARA, T);%運(yùn)動(dòng)學(xué)反解,；
    drivebot(r)；%動(dòng)畫演示運(yùn)動(dòng)學(xué),；
2.4 基于OpenGL的機(jī)器人仿真系統(tǒng)
    利用OpenGL對(duì)機(jī)器人建模時(shí),，需要在建模之前，對(duì)光照(glLightfv),、材質(zhì)(glMaterialfv),、顏色模式(glShadeModel)進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，使得場(chǎng)景更逼真,。場(chǎng)景建模包括地板,、工件放置臺(tái)、攝像機(jī),、工件放置槽幾個(gè)部分,。根據(jù)攝像機(jī)標(biāo)定的相互位置關(guān)系，調(diào)用OpenGL函數(shù),，根據(jù)實(shí)際設(shè)備的幾何形狀,，建立工業(yè)機(jī)器人在線仿真系統(tǒng)平臺(tái)。OpenGL 獨(dú)立于硬件和窗口系統(tǒng),，使用方便,，C、C++,、Java 等多種常用的編程語(yǔ)言都可以直接或間接調(diào)用OpenGL庫(kù)中的函數(shù),。如圖3所示，為基于OpenGL的工業(yè)機(jī)器人在線仿真系統(tǒng),。該系統(tǒng)方便與Visual C++ 6.0配合使用嵌入機(jī)器人模塊算法,，來(lái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行在線系統(tǒng)仿真。

3 對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析
3.1 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)正解
    機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)正解：已知所有關(guān)節(jié)角度和連桿長(zhǎng)度,，計(jì)算機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿,。MDH模型是對(duì)機(jī)器人連桿和關(guān)節(jié)進(jìn)行建模的一種非常簡(jiǎn)單的方法，可以用于任何機(jī)器人構(gòu)型,，而不管機(jī)器人的結(jié)構(gòu)順序和復(fù)雜程度如何[8],。六自由度機(jī)械臂的MDH參數(shù)如表1所示。
其中αi-1表示連桿的長(zhǎng)度,，是zi-1與zi之間的公垂線,。_ai



4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論
    隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,，基于OpenGL和Matlab機(jī)器人工具箱的機(jī)器人在線仿真系統(tǒng)以其自身的優(yōu)點(diǎn)：容易掌握、降低開(kāi)發(fā)成本,、加快開(kāi)發(fā)速度和測(cè)試方便等越來(lái)越受各個(gè)公司和科研院校所青睞,。本文首先系統(tǒng)地介紹了機(jī)器人的建模及其仿真過(guò)程，利用VC++6.0,、Matlab機(jī)器人工具箱與OpenGL圖形圖像庫(kù)建立了仿真模型,，然后從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度進(jìn)行了正運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，最后將運(yùn)動(dòng)學(xué)算法加入到在線仿真系統(tǒng)中去,。結(jié)果表明該仿真模型對(duì)研究機(jī)器人技術(shù)有很大的作用,，有效驗(yàn)證了機(jī)械臂數(shù)學(xué)模型以及正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的正確性,。
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