工业机器人运动仿真及作业仿真系统

摘要 一个完善的机器人仿真系统可以对机器人运动学、动力学、轨迹规划和控制算法进行仿真计算，可以仿真机器人的各种操作过程，并对仿真的结果进行分析处理，并且可以不依赖现实中的机器人设备，是研究机器人系统及其相关技术的有效手段和得力工具。 机器人运动学图形仿真是机器人仿真系统的一个重要组成部分。它将机器人的运动学仿真结果以３Ｄ图形的方式显示出来，直观的显示机器人的运动情况。研究人员能在计算机屏幕上看到机器人的运动方式，轨迹规划的结果，还可以交互式地对机器人进行示教仿真。机器人运动学图形仿真技术为机器人仿真系统建立了良好地人机界面。 本文对开发机器人运动学仿真系统的主要算法和图形建模方法进行了讨论。在机器人运动学，机器人轨迹规划，空间碰撞检测，计算机图形学等领域里面前人都己经做了很多的工作，基本上己经有了比较成熟的理论和方法，这就使得整个系统在可行性上有了一定的保障。 文中主要开展了如下工作：首先，论文对机器人仿真技术的发展概况进行了概述，总结并提出了机器人图形建模的三种方法。其次，本文对三类算法进行了重点研究和分析：运动学逆解通用算法，轨迹插补算法，碰撞检测快速算法。本文阐述了这些算法的思想、设计理论和具体设计过程，并进行了详细的模拟分析。同时，本文还对机器人语言进行了介绍．第三．本文根据所上述算法开发设计了一个完整的机器人运动学仿真系统程序。最后，本文根据课题研究工作和程序测试结果，指出目前系统存在的不足之处和改进方法。

关键词：机器人，运动学仿真，图形建模，碰撞检测Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　Ｒｏｂｏｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｄｙｎａｍｉｃｓ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，　Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ，　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．　Ａｎｄ　Ｉｔ　ｃａｎｓｉｍｕｌａｔｅ　ａｌｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．　Ｉｔ　ｍａｙ　ｂｅ　ｎｏｔｄｅｐｅｎｄ　ｏｎ　ｒｏｂｏｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ　ｗｏｒｌｄ，　ｓｏ　Ｒｏｂｏｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄａｎｄ　ｐｏｗｅｒｆｕｌ　ｔｏｏｌ　ｏｆ　ｓｔｕｄｙｉｎｇ　ｒｏｂｏｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｔｈｅ　Ｒｏｂｏｔ　Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ　Ｇｒａｐｈｉｃ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅＲｏｂｏｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ．　Ｉｔ　ｃａｎ　ａｕｄｉｏ－ｖｉｓｕａｌｙ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｏｂｏｔｓ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　３Ｄ　ｇｒａｐｈ．　Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ＇ｓ　ｓｃｒｅｅｎ，　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｃａｎ　ｗａｔｃｈ　ｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｏｂｏｔｓ　，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｏ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅｔｅａｃｈｉｎｇ－ｂｙ－ｓｈｏｗｉｎｇ　ｗｏｒｋ．　Ｔｈｅ　Ｒｏｂｏｔ　Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ　Ｇｒａｐｈｉｃ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｇｏｏｄｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｆｏｒ　Ｒｏｂｏｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　Ｒｏｂｏｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｇｒａｐｈｉｃ　ｍｏｄｅｌ．　Ｗｅ　ｃａｎ　ｆｉｎｄ　ｓｏｍｅ　ｇｏｏｄ　ｗｏｒｋ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄｓ　ｏｆｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ，　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｐｌａｎｎｉｎｇ，　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｇｒａｐｈｉｃｓ　ｓｏ　ｔｈａｔ　ｗｅｃａｎ　ｕｓｅ　ｔｈｅｉｒ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｔｏ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ　ｏｕｒ　ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｗｏｒｋ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｓ　ｆｏｌｌｏｗ：　ｆｍｆｙ，　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒｅｘｐａｔｉａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　Ｒｏｂｏｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ，　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｒｅｅｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｇｒａｐｈｉｃ　ｍｏｄｅｌ．　Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，　ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｇｉｖｅｓ　ｅｍｐｈａｓｉｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，　ｉ．ｅ．　ｇｅｎｅｒａｌ　ｉｎｖｅｒｓｅ　ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｎｄ　ｆａｓｔ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．　Ａｎｄ　ｔｈｉｓｐａｐｅｒ　ｅｘｐａｔｉａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｉｄｅａ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｓｔｙｌｅｓ　ｏｆ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，　ｄｅｓｉ娜ｎｇ　ｔｈｅｏｒｙ，　ｄｅｔａｉｌｅｄｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｉｔｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．　Ａｔｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｒｏｂｏｔ　ｌａｎｇｕａｇｅ．　Ｔｈｉｒｄｌｙ，　Ｗｅ　ｄｅｓｉｇｎ咖ＲｏｂｏｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．　Ｌａｓｔｌｙ，　ｔｈｅ　ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ　ｄｉｓｃｕｓｓ　ｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｏｕｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｇｉｖｅ　ｓｏｍｅ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｉｔ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ａｃｔｕａｌ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｗｏｒｋ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｒｏｂｏｔ，　ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，　ｇｒａｐｈｉｃ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ，　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｃｈｅｃｋ原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：－４ｋ－Ｖ再日期二．　３　＿　１０本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容。

（保密的论文在解密后应遵守此规定）

签名：从松舜导师签名：办戈犯日期：、小，工业机器人运动仿真及作业仿真系统 第一章绪论第一章绪论

１．１课题研究的背景 工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成［ｎ１，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 随着工业机器人被日益广泛地应用到实际生产中，机器人的工作环境也日趋复杂化，这样对机器人及其工作环境乃至生产过程的计算机仿真是必不可少的。机器人仿真的任务，就是在不接触实际机器人及其工作环境的情况下，通过计算机图形技术，提供一个和机器人进行交互作用的虚拟环境。 机器人仿真技术［［２１研究始于七十年代末，八十年代得到迅速发展，目前已经广泛应用于机器人运动学、动力学分析与综合、轨迹和路径规划、机器人与工作环境的相互作用、离线编程等各个领域，成为机器人研究中不可缺少的一个重要组成部分。 机器人仿真技术涉及机器人动力学仿真、机器人运动学仿真、机器人控制仿真、机器人作业仿真等诸多内容［３１。而机器人运动学仿真又不同于动力学仿真，由于动力学仿真是忽略了许多次要因素并通过线性化而得到的近似模型，因此仿真结果与真实情况可能有较大差距；但运动学仿真结果完全是真实可靠的，这是由运动学正、逆问题公式的准确与可靠保证的。 机器人仿真技术作为机器人研究应用的安全可靠、实用廉价的工具和手段，日益显示其强大的生命力和不可缺的重要性。

１．２机器人仿真的多种途径 目前，在机器人仿真的具体实现上，有各种方法。 ·基于ＡｕｔｏＣＡＤ平台的图形仿真系统［［４１ 该方法以ＡｕｔｏＣＡＤ和ＡｕｔｏＬｉｓｐ为基础来建立机器人仿真系统的。其实现机器人模型运动有两条途径，其一是采用ＡｕｔｏＣＡＤ提供的脚本文件，把所需的ＡｕｔｏＣＡＤ命令组合在一起，按预定的顺序执行这些命令，并通过运行脚本文件