1         概述

1.1       想法来源

机器人时代已经来临！

“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点，将影响全球制造业格局，也有舆论认为，机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。而且我国将成为全球最大的机器人市场。但是机器人技术确实存在一定技术高度，如数学建模、三维仿真等，不是轻易就能学习和掌握的。作为一个机器人爱好者，一方面我想我怎么样能快速的对机器人知识进行学习和了解，另一方面我想怎么样才能让更多的人了解机器人，参与学习机器人理论和技术，提升我国人民对机器人的知识文化普及度。

我是一个从事软件设计和开发的职工，接触机器人相关的知识后，我对机器人的一个初步认识就是，控制机器人就是控制机器人的末端能按我们期望的位置或轨迹去运动，实现替代人类相关的工作。于是我就想做一个软件系统，能对机器人进行软件仿真和控制，其运动过程和末端轨迹都可在三维空间中显示，让初学者或者理论研究者能快速的了解、学习和使用机器人。所以我想把整个系统作为一个教学演示系统开发出来， 经过一段时间的理论学习和研究我完成了这套机器人智能规划仿真与控制系统的开发工作。

1.2       目标及意义

目标：

通过软件建模和三维仿真实现机器人教学演示和控制系统，降低机器人学习的门槛，让更多的人能快速学习和掌握机器人理论知识，都会“玩”机器人。

意义：

对大专、大学、科研人员、公司工程师和员工学习、培训起到科普作用。

1.3       系统简介

RobotSim采用VS2005 VC++开发，结合OPENGL设计了一款专门对应六自由度机器人的轨迹规划和仿真控制软件。其中，六自由度机器人DH参数可定制修改，适合任何六自由度臂式机器人的建模和仿真。支持示教规划（带回放、暂停、继续等功能）、程序规划（完全兼容VBS脚本，并自定义机器人操作函数，可灵活编程）、图形规划（支持DXF格式的机械图纸图形载入和轨迹预处理，跟踪仿真）和绘图写字功能，并结合开放式控制板卡，与实际机器人通信控制。通过软件仿真规划，实现完美的机器人轨迹规划过程，并实际参与真机控制，解决了复杂轨迹规划难，示教难度大，离线与在线仿真规划与实际真机控制等难题，为机器人加工制造和教学研究提供一种新的技术解决方案。

1.4       系统特点

1.      根据DH参数表自动建模，机器人坐标系和末端轨迹显示

2.      自动生成模拟式的三维机器人模式

3.      自动生成机器人的正运动学和逆运动学

4.      多种方式智能轨迹规划

5.      Pc与第三方控制器接口控制实体机器人

6.      视觉伺服定位导航

2         智能规划任务实现

2.1       示教规划

2.2       机器人语言编程规划

2.3       dxf图纸规划

2.4       视觉伺服规划

2.5       人机规划

 

3         试验环境

3.1       软件运行环境（离线模式）

Winxp，win7系统，支持opengl环境即可。

3.2       在线模式运行环境

1，计算机有串口支持

2，六轴步进电机控制器

3，24V 10A开关电源

4，机器人本体及相关连接通信电缆

4         试验功能

4.1       DH建模试验（离线）

该RobotSim支持DH参数建模，可由用户自定义机器人DH参数，DH参数可在一个记事本TXT中随意修改，按照规定的参数格式，根据自己的机器人构型参数配置出机器人三维仿真模型，并自动生成模拟式的机器人三维仿真模型。同时，生成该机器人的正向运动学和逆向运动学，及建模的坐标系。

       可在软件中，对三维模型进行运动仿真控制，观测末端轨迹。并实际观测建模仿真是否与理论建模一致。通过仿真，验证DH理论建模的正确性。注意的是，该DH建模方法采用的是熊有伦《机器人学》中的DH建模方法。

4.2       机器人运动规划试验（离线）

示教规划与传统的示教规划一致，支持机器人关节空间规划和机器人笛卡尔空间规划。

4.2.1  关节空间规划试验

关节空间规划，是通过软件操作机器人的六个关节，做正向运动学计算和仿真控制的过程。机器人运动过程中，各个关节参数、机器人末端参数都会实时显示。三维空间中会给出动画和末端规划走线。关节空间规划的机器人末端轨迹一般是曲线。

4.2.2  笛卡尔空间规划试验

笛卡尔空间规划是机器人逆向运动学规划的过程，通过给出机器人末端的位置和姿态求解机器人各个关节角度参数，并再次通过正向运动学完成仿真运动和控制过程。

所以在笛卡尔空间规划时，前三个关节负责机器人X，Y，Z位置，后三个关节负责机器人姿态。笛卡尔空间规划的末端轨迹一般是直线。

Ø  示教点的保存

当机器人运动到合适的位姿时，可保存该机器人所在的示教点。示教点可根据用户按照不同类型的运动方式需要存入列表。主要运动类型有如下几种。这些类型同时也是程序规划自定义机器人指令的子集。

表1 示教指令表

序号	类型	参数	说明
1	MOVEP	关节1~关节6角度值	点位规划，机器人按关节角度值运动
2	MOVEL	关节1~关节6角度值	直线规划，机器人按关节角度值对应的末端位姿运动
3	DELAY	时间（ms）	延时函数，机器人停留一段时间
4	HAND	Bool（True，False）	机器人手开合函数，暂时定为开合

机器人示教列表保存后不仅可以修改，由于这些指令可被VBS脚本支持，所以还可导出VBS脚本程序，供程序规划进一步编辑处理，便于更精确处理机器人轨迹运动。

机器人轨迹在回放过程中，可在示教列表中自动跟踪当前执行的示教点行数，如图，示教点蓝色行标识。并可根据用户要求，进行“暂停”，“单步”，“继续”等人性化示教操作。

4.2.3  机器人语言规划试验

程序规划完全兼容VBS脚本，用户可自行编写VB脚本程序，控制机器人完成各种复杂轨迹的规划过程。

设计了几种机器人指令，可供VB脚本编程调用。

表2 机器人脚本指令集

序号	类型	参数	说明
1	MOVEP	关节1~关节6角度值	点位规划，机器人按关节角度值运动
2	MOVEL	关节1~关节6角度值	直线插补规划，机器人按关节角度值对应的末端位姿进行直线插补运动
3	DELAY	时间（ms）	延时函数，机器人停留一段时间
4	HAND	Bool（True，False）	机器人手开合函数，暂时定为开合
5	MOVEH	X,Y,Z	机器人末端位置运动函数
6	MOVER	Rx，Ry，Rz	机器人末端姿态函数，这里Rx，Ry，Rz为给定姿态的增量值
7	MOVEC	P1，P2	从当末端前点到P1和P2做圆弧插补运动函数（未实现）
8	ROTATE	Angle，P	绕指定点P旋转Angle角度的函数（未实现）
9	IN	addr	返回给定地址的机器人IO值，可用来做机器人外围传感器参数获取（未实现）
10	OUT	Addr，Value	向指定地址的机器人写value值，可用来做机器人外围传感器参数的控制操作（未实现）

通过以上自定义机器人函数，再结合VB脚本的强大数学和逻辑编程能力，可对机器人完成高难度和任何复杂轨迹的规划过程。举例如下：

控制机器人做一螺旋线轨迹规划，螺旋线轨迹实例代码如下：

movep 0,0,0,0,0,0

a=0.2

b=0.2/12.56

for i=0 to 12.56 step 0.01

x=a*cos(i)

y=a*sin(i)

z=b*i

moveh 0.5+x,0.2+y,z-0.4

next

规划轨迹过程如下：

4.2.4  图形规划试验

图形规划采用目前流行的DXF格式的机械图，根据该图的图形尺寸完成机器人轨迹规划和仿真运动过程。

提供用户选择DXF文件接口和DXF文件图形在三维空间中的显示。用户可对图形进行X，Y，Z方向的位置移动，以便放置DXF图形到机器人可工作空间。并通过图形规划，完成指定的DXF图形的轨迹规划过程。规划成功后，可导出VB程序控制文件，这样复杂图形的规划过程就变成了可被控制的程序规划过程，用户可编辑和修改脚本程序，进一步精确规划DXF图形所需的机器人轨迹过程。

 

 

4.2.5  绘图写字试验

在绘图写字画布上可用鼠标直接绘制图形和写字，机器人可仿真运行，并重新在三维空间中的末端绘制出同样的图形。软件可保存和记录这些轨迹。

4.3       联机控制试验（在线）

目前，机器人仿真规划的各个过程均已实现，且规划的机器人各个关节角度均已获取，并实现了关节角度到机器人控制器的接口。控制器采用进口的六轴步进电机控制器进行控制，通过串口与计算机相连。本RobotSim仿真机器人软件通过串口与控制器通信，控制机器人完成各个关节的转动。

3.2章节中的离线试验，当选择了联机示教选项后，全部的仿真执行过程都可以与实际控制器通信，进行联机控制。控制过程中，机器人运动与软件仿真模型运动完全一致。实现了在线实时监控和控制过程。

      

5         注意事项

5.1       零位校准

由于采用的是步进电机控制，机器人本身没有零位。所以通过联机控制时，首先要进行零位校准，即将机器人实体运动到规定的零位位置，同时仿真软件也运动到与机器人实体一致的位置。这样，机器人实体与仿真模型就实现了一一对应关系。当在联机控制时，软件模型如何运动，机器人实体也将如何运动。

校准时可在联机控制页面里对机器人各个关节进行位置零位设置，调整机器人运动到各个关节的零位位置。注意的是，调节零位时，关节是增量式运行，所以调整角度应从小到大逐次试验，直到找到正确规律和运动到规定的位置。机器人零位位置图如下。

5.2       加断电过程

机器人六轴步进电机控制器有24V和5V两个电源，当选择USB接口时，5v会自动供电。所以规定加断电的顺序，避免控制器的损坏。

控制器加电时，先供24V电源（5V同时将自动供电），然后再插上usb串口线到计算机（当24V断开时，相当于供5V电，控制器板卡CPU仍将正常工作）。

       控制器断电时，先断开24V，再断开5V电源（将USB接口从计算机接口拔出）。

5.3       控制使用方法

控制器采用进口的六轴步进电机控制器，其与计算机通信协议及各个关节的控制参数可根据其自身开发软件对机器人实体实际需要的参数进行设定。目前控制器已经按照该机器人设定了一套相关参数，用户可自行修改相关的控制参数进行试验和进一步改进机器人真机控制时的性能。具体使用方法，请参考其使用手册。

6         机器人实体介绍

6.1       机器人实体

机器人采用6轴步进电机，减速器和PVC塑料材质连杆组成。控制精度没有实际测试，但是写字绘画均可，控制精度在教学要求方面已经足够，且安全可桌面示教。

6.2       机器人视觉

机器人视觉是目前机器人智能领域高端技术，通过视觉识别获取目标位姿，并提供给机器人用来指示目标。通过机器人控制器进行视觉伺服，实现机器人主动抓取目标，即相当于“人眼”。机器人视觉可作为本机器人控制系统一个独立的组件，加上即相当于人眼，不加即是如上所介绍的常规机器人控制系统。目前机器人视觉正在联试中。

6.3       机器人教学仪器亮点

1）机器人自动建模与仿真，关节控制、笛卡尔空间仿真与演示

2）机器人正运动学、逆运动学建模与实际控制理论

3）机器人离线示教、轨迹规划和在线示教、轨迹规划结合

4）机器人控制理论学习和研究、演示教学

5）机器人视觉识别、图像识别、视觉伺服等先进控制技术

6）机器人避障、工业应用研究等理论与实际结合

由于机器人属于高端领域范畴，在中国目前的大形式下，机器人热正在蔓延，做成一个教学仪器机器人产品对于高校、科研单位（本科、硕士、博士）和机器人公司培训等有极大的帮助作用。