機器人系統仿真

機器人系統仿真是指通過計算機對實際的機器人系統進行模擬的技術。機器人系統仿真可以通過單機或多台機器人組成的工作站或生產線。通過系統仿真，可以在製造單機與生產線之前模擬出實物，縮短生產工期，可以避免不必要的返工。

國外很早便認識到機器人仿真在機器人研究和套用方面的重要作用，並從70年代開始進行了這方面的研究工作。

基本介紹

• 中文名：機器人系統仿真
• 外文名：機器人系統仿真
• 英文：【simulation of robot system】
• 具有：通用性強、

英文

機器人系統仿真

【simulation of robot system】

簡介

仿真可以通過互動式計算機圖形技術和機器人學理論等，在計算機中生成機器人的幾何圖形，並對其進行三維顯示，用來確定機器人的本體及工作環境的動態變化過程。

在使用的軟體中，工作站級的仿真軟體功能較全，實時性高且真實性強，可以產生近似真實的仿真畫面；而微機級仿真軟體隨實時性和真實性不高，但具有通用性強、使用方便等優點。目前機器人系統仿真所存在的主要問題是仿真造型與實際產品之間存在誤差，需要進一步的研究解決。

發展概況

在許多從事機器人研究的部門都裝備有功能較強的機器人仿真軟體系統， 它們為機器人的研究提供了靈活和方便的工具。例如， 美國Cornell大學開發了一個通用的互動式機器人圖形仿真系統INEFFABELLE，它不是針對某個具體機器人， 而是利用它可以很容易建立所需要的機器人及環境的模型，並且具有圖形顯示和運動的功能。西德Saarlandes大學開發了一個機器人仿真系統R0BSIM，它能進行機器人系統的分析、綜合及離線編程，美國Maryland大學開發了一個機械手設計和分析的工具DYNAMAN， 它能產生機械手的動力學模型，根據需要可以自動產生F0RTRAN 的仿真程式， 同時也可產生符號表示的雅可比矩陣。MIT開發了一個機器人CAD軟體包OPTARMⅡ，它可用於時間最優軌跡規劃的研究。Michigan大學開發了一個機器人圖形編程系統——PROG-RESS， 其特點是選單驅動和游標控制， 並能有2D圖形符號來仿真外界的感測器和執行部件， 以使用戶獲得更加接近真實的編程環境．

自80年代以來國外已建成了許多用於機器人工作站設計和離線編程的仿真系統，例如美國McAuto公司開發了機器人仿真系統PLACE， 它主要用於機器人工作站的設計；PIRensselaerPolytechnicInstitute)研製了GRASP Calma公司在GRAsP的基礎上開發了Robot—SIM 軟體，它主要用於工作站設計和機器人選型。通用電氣公司的研究開發部對Robot-SIM 進行丁改進工作。Intergraph公司也研製了一個機器人仿真系統，它更加強調機器人的動力學特性和控制系統對精度及整個性能的影響。Computervision公司開發了軟體包obographix，它具有產生機器人工作路徑、仿真機器人運動及碰撞檢測等多種功能。目前它能對8種常用的機器人進行仿真。Autosimu]ations公司研製了兩個機器人仿真軟體包AutoMod和AutoGram AutoGram是利用GPSS仿真語言的建模軟體，AutoMod是圖形顯示軟體。Deneb公司開發了IGRIP軟體，它主要用於工作站設計和離線編程 SRI國際部研製了仿真軟體包RCODE，它具有幾乎實時的碰撞檢測功能 西德Kadsruke大學建立了機器人仿真系統ROSI和ROS2。法國LAMM 開發了CARO系統，它主要強調三維資料庫設計技術，快速性及能在小機器上運行是其追求的目標。以色列OSHAP公司推出了ROBCAD， 它主要用於工作站設計和離線編程，並能將程式下裝到系統內。在以上介紹的軟體中．大部分已經商品化，並已在很多生產和研究部獲得了廣泛套用。

國內從80年代後期起，許多單位也開始從事機器人仿真技術的研究工作。在國家高技術計畫自動化領域智慧型機器凡號題中，清華大學、浙江大學、瀋陽自動化所及上海交大等單位承擔了機器人系統仿真的研製任務，取得了多項研究成果，本文後面還將對此工作專門介紹。哈工大、北航、國防科大等單位承擔了機器人機構仿真的任務，之後也研製成功一個大型的機器人仿真軟體。 還有不少單位針對某一具體方面進行了廣泛深入的機器人仿真技術的研究。

機器人本身的設計和研究

機器人仿真主要套用在兩個方面 一是機器人本身的設計和研究，這裡機器人本身包括機器人的機械結構以及機器人的控制系統， 它們主要包括機器人的運動學和動力學分析。各種規劃和控制方法的研究等。機器人仿真系統可為這些研究提供靈活和方便的研究工具，它的用戶主要是從事機器人設計和研究的部門和高等學校。機器人仿真的第二個方面的主要套用是那些以機器人為主體的自動化生產線，它包括機器人工作站的設計、機器人的選型、離線編程和碰撞檢測等。機器人可為此提供既經濟又安全的設計和試驗的手段，它的用戶主要是那些使用機器人的產業部門。目前，用於這方面的機器人仿真系統最常見的ROBCAD和IGRIP。下面以機器人離線編程為例來說明機器人仿真系統的套用。機器人是一種通用機械， 通過重新編程，它可以完成不同的工作任務 當機器人改變工作任務時，通常需中斷機器人的當前工作， 先對機器人進行示教編程，然後機器人按照新的程式執行新的工作．若藉助於機器人仿真系統就可首先在仿真系統上進行離線編程， 然後將編好的程式裝到機器人中，機器人便可按照新的程式執行新的工作， 因此機器人可不必中斷當前的工作，從而提高了生產效率，而且這種方法既經濟又安全。利用機器人仿真系統進行離線編程在國外已十分普遍，它是機器人仿真系統套用最普遍和最典型的例子。

機器人的教學和培訓

機器人仿真系統的另外一個套用是它可以用於機器人的教學和培訓。機器人是一個比較昂貴的設備，在進行機器人教學時，不可能用許多實際的機器人來作為教學和培訓的試驗設備，機器人仿真系統可為此提供一個方便和靈活的試驗工具和手段。

遙控操作機器人

機器人仿真對於遙控操作機器人有著特殊的套用。1993年德國空間研究機構在美國的 哥倫比亞 號太空梭上進行了搭載試驗， 其中一項內容便是地面操作人員對在太空梭上的空間機器人進行遙控操作 由於從地面到空間的信號傳輸往返時間達7秒鐘。對於這么大的延時，通過手控操作來遙控機器人顯然是非常困難的。解決這個大延時間題的唯一有效的途徑是利用三維圖形實時仿真。即通過對空間機器人及周圍環境進行實時仿真，建立一個虛擬的現實環境，操作人員對仿真圖形進行操作。由於操作人員與仿真圖形之間不存在延時，因而這種控制是非常容易的。而實際的機器人則在幾秒鐘後跟著仿真圖形的動作而動作，從而實現了地面控制人員對空間機器人的遙控操作，有效地解決了大時延的問題。這裡機器人三維實時圖形仿真起到了關鍵的作用。目前我國已開始從事這方面的研究工作。

仿真平台開發軟體 OpenGL 技術

隨著CAD技術的發展，三維實體建模技術得到了廣泛的套用。OpenGL是Open Graphics Library的縮寫，它是SGI公司開發的一套高性能圖形處理系統。OpenGL的特點包括：硬體無關性，可以在不同的平台上實現；建模方便，可以構建相當複雜的幾何造型；出色的編程特性，由於OpenGL可以集成到各種標準視窗和作業系統中，因此基於OpenGL的三維仿真程式有良好的通用性和可移植性。

OpenGL 的庫函式被封裝在OpenGL32.d11動態程式庫中，從客戶應用程式發布的對OpenGL函式的調用首先被OpenGL32處理，在傳給伺服器後，被Winsrv.dll進一步進行處理，然後傳遞給 DDI (Device Driver Interface)，最後傳遞給視屏驅動程式。

微軟機器人仿真平台的開發（MRDS）

微軟機器人開發工作室（Microsoft Robotics Developer Studio，以下簡稱MRDS）使機器人愛好者，研究人員和商業開發者能夠更容易的在多種硬體平台下建立機器人的應用程式。MRDS軟體開發包包含一個輕量級的，面向服務的運行時，一套可視化編輯和模擬工具以及開發示例代碼和開發指南 。在美國，德克薩斯大學約翰.普雷沃斯特（John Prevost） 等在MRDS仿真環境中對水下機器人（潛艇）在水下的工作情況進行了仿真。學者亞歷杭德羅. 門德斯（Alejandro Mendez） 博士建立了機器人三維模型，將其嵌入到微軟工業機器人仿真平台的仿真環境中，來分析虛擬機器人的行為。在中國，台灣淡江大學學者劉寅春（Peter Liu） 將MRDS套用於安全機器人的仿真。大陸學者對MRDS的研究較少，哈爾濱工業大學深圳研究生院的王宏、張東來 等，上海交通大學尹航、言勇華 分別將MRDS套用於工業機器人和仿人機器人的仿真。浙江大學黃立 等人在MRDS的基礎上定義了機器人模型定義系統（MDS）和機器人模擬仿真控制系統（SCS）。南京理工大學自動化學院將MRDS用於多機器人系統編隊控制研究等。