摘  要： 以工業(yè)機器人在線仿真系統(tǒng)為研究對象，介紹了工業(yè)機器人仿真開發(fā)的技術(shù)方法,。為了驗證設(shè)計和算法的合理性和準確性,，分別建立了基于OpenGL和Matlab的機器人在線仿真實驗平臺。然后根據(jù)MDH模型對其運動過程進行了仿真,，從正解,、反解兩個方面對機械臂進行了運動學(xué)描述。最后研究了OpenGL和Matlab機器人工具箱在機器人在線仿真中應(yīng)用的可行性,，取得了良好的實際效果,。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足實際工程的要求,。
關(guān)鍵詞： OpenGL,；仿真；工業(yè)機器人,；運動學(xué),；機器人工具箱

    隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機器人的應(yīng)用越來越廣泛,，已經(jīng)滲透到各行各業(yè)[1-2],。機器人技術(shù)在軍事、醫(yī)藥,、工業(yè)自動化,、搶險救災(zāi)等方面已經(jīng)成為不可或缺的好幫手[3-4]。一個國家的機器人發(fā)展水平也能從側(cè)面體現(xiàn)國家科技的發(fā)展水平,。
    本文以廣泛意義上的六自由度的機械臂為實例,，分析了機械臂的運動學(xué)正反解問題。分別利用OpenGL三維仿真技術(shù)和Matlab機器人工具箱嵌入機器人技術(shù)模塊,，對六自由度機械臂進行系統(tǒng)模擬仿真,，同時建立了機械臂可視化頁面。在研發(fā)和設(shè)計機器人的過程中,，機器人仿真技術(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],。
    國內(nèi)外一些學(xué)者和研究機構(gòu)在機器人運動學(xué)仿真方面進行了實驗性的研究,。例如Ding Jienan、GOLDMAN R E,、Xu Kai和ALLEN P K設(shè)計了一種基于單端口診斷可插入的機器人運動學(xué)系統(tǒng)平臺[6],。KLOETZER M、MAGDICI S和BURLACU A設(shè)計了一種針對規(guī)劃移動機器人的實驗平臺和Matlab工具箱[7],。鑒于此,，本文選用Matlab機器人工具箱和OpenGL圖形圖像仿真系統(tǒng)工具,，對工業(yè)機器人進行在線仿真系統(tǒng)的開發(fā)。
1 機械臂仿真系統(tǒng)研究
    本文以ABB公司的IRB4600機器人為研究對象,，進行了機器人在線仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)應(yīng)用,。ABB的IRB4600工業(yè)機器人的精度較高、操作速度快,、廢品率低,，在擴大產(chǎn)能和提升效率方面起到舉足輕重的作用，適合切削,、點膠,、機加工,、測量,、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,，機身緊湊輕巧,，所獲周期時間與行業(yè)標準相比最短可縮減25%，從而提高產(chǎn)能與效率,。
    機器人設(shè)計仿真系統(tǒng)的原理如圖1所示,。在機器人在線仿真系統(tǒng)研究與應(yīng)用中，一般以Windows作為開發(fā)平臺,，選用Visual C++ 6.0,、Matlab機器人工具箱和OpenGL仿真軟件作為開發(fā)工具來完成機器人模型的設(shè)計和建立，具有可視化操作的優(yōu)點,。在機器人的幾何模型建立與仿真程序設(shè)計的過程中,，用戶通過對人機交互界面的操作間接地控制目標模型，為機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 機器人在線仿真系統(tǒng)
2.1 ABB的機器人仿真系統(tǒng)
    Robot Studio是ABB的機器人仿真系統(tǒng)廣泛使用的工具,，就像真正的機器人在你的電腦。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)進行遠距離的機器人編程,，以滿足不同情況下的生產(chǎn)需求。Robot Studio可以提供工具來提高盈利能力的機器人系統(tǒng),，便于執(zhí)行任務(wù),，例如培訓(xùn)、編程和優(yōu)化無干擾生產(chǎn),。這提供了眾多的好處,，包括減少風(fēng)險、快速啟動,、更短的轉(zhuǎn)換及提高了生產(chǎn)率,。Robot Studio可以幫助開發(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，使用虛擬機器人與真實機器人可以達到一致效果,。
2.2 基于Inventor的機器人仿真系統(tǒng)
    Inventor是美國AutoDesk公司推出的一款三維可視化實體模擬軟件,。借助Inventor的運動仿真功能，用戶能了解機器在真實條件下如何運轉(zhuǎn)才能節(jié)省花費在構(gòu)建物理樣機上的成本,、時間和高額的咨詢費用,。基于Inventor的機器人仿真系統(tǒng)用戶可以根據(jù)實際工況添加載荷,、摩擦特性和運動約束,，然后通過運行仿真功能驗證設(shè)計。借助與應(yīng)力分析模塊的無縫集成,，可將工況傳遞到某一個零件上,，來優(yōu)化零部件設(shè)計。
2.3 基于Matlab的機器人仿真系統(tǒng)
    通過Matlab這個強大的計算平臺,采用Robot Toolbox中所提供的接口函數(shù)編制簡單的程序,。對工業(yè)機器人進行正,、逆問題求解，并且對機器人的運動軌跡進行仿真,，如圖2所示,。在對工業(yè)機器人仿真前,先輸入機器人的參數(shù)，定義其連桿的關(guān)節(jié)參數(shù)矩陣,。建立仿真運動學(xué)仿真平臺步驟如下：

    L=link([alpha A theta D],，′modified′)；
    R=robot({L1 L2}),；
%用LINK來創(chuàng)建一個機器人對象,；
    plot(r，[0 0]),；%繪制機器人圖像,；
    t=0:0.056:2; [q,qd,qdd]=jtraj(qz,qr,t)；%軌跡規(guī)劃,；
    T=fkine(SCARA, qz); %運動學(xué)正解,；
    qi=ikine SCARA, T);%運動學(xué)反解；
    drivebot(r),；%動畫演示運動學(xué),；
2.4 基于OpenGL的機器人仿真系統(tǒng)
    利用OpenGL對機器人建模時，需要在建模之前,，對光照(glLightfv),、材質(zhì)(glMaterialfv)、顏色模式(glShadeModel)進行預(yù)先設(shè)置,，使得場景更逼真,。場景建模包括地板,、工件放置臺、攝像機,、工件放置槽幾個部分,。根據(jù)攝像機標定的相互位置關(guān)系，調(diào)用OpenGL函數(shù),，根據(jù)實際設(shè)備的幾何形狀,，建立工業(yè)機器人在線仿真系統(tǒng)平臺。OpenGL 獨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言都可以直接或間接調(diào)用OpenGL庫中的函數(shù),。如圖3所示，為基于OpenGL的工業(yè)機器人在線仿真系統(tǒng),。該系統(tǒng)方便與Visual C++ 6.0配合使用嵌入機器人模塊算法,，來對機器人進行在線系統(tǒng)仿真,。

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



4 實驗與結(jié)論
    隨著機器人技術(shù)的發(fā)展,，基于OpenGL和Matlab機器人工具箱的機器人在線仿真系統(tǒng)以其自身的優(yōu)點：容易掌握,、降低開發(fā)成本、加快開發(fā)速度和測試方便等越來越受各個公司和科研院校所青睞,。本文首先系統(tǒng)地介紹了機器人的建模及其仿真過程,，利用VC++6.0、Matlab機器人工具箱與OpenGL圖形圖像庫建立了仿真模型,，然后從運動學(xué)的角度進行了正運動學(xué)建模,，最后將運動學(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研究機器人技術(shù)有很大的作用,，有效驗證了機械臂數(shù)學(xué)模型以及正,、逆運動學(xué)分析的正確性。
參考文獻
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