基于OLP的多機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn)鸞飛

（1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系 安徽蕪湖241006；2.東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院　江蘇南京　210096）

基于OLP的多機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn)鸞飛1,2

（1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系 安徽蕪湖241006；2.東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院江蘇南京210096）

文章設(shè)計(jì)了基于OLP的一個(gè)具有多機(jī)器人協(xié)作功能的軟件系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中首先分析多機(jī)器人在協(xié)作工作時(shí)，機(jī)器人之間的約束關(guān)系，架構(gòu)了多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)的軟件框圖以及類(lèi)結(jié)構(gòu)圖，并完成了具體軟件的實(shí)驗(yàn)仿真。

多機(jī)器人；離線(xiàn)編程；OLP

ecnomatix RobCAD，Delmia D5/V5和CimStation Robotics是來(lái)自通用機(jī)器人軟件生產(chǎn)商的機(jī)器人OLP軟件的典型代表。Tecnomatix RobCAD[1]支持工作路徑的設(shè)計(jì)，仿真，最優(yōu)化，分析和多設(shè)備機(jī)器人的離線(xiàn)編程。它為優(yōu)化加工過(guò)程和計(jì)算工作周期提供了一個(gè)并行的工程平臺(tái)。通過(guò)允許制造工程師在前期虛擬地驗(yàn)證自動(dòng)化概念，RobCAD使制造商能夠完美地引入自動(dòng)化的生產(chǎn)流程。DELMIA[2]是一個(gè)基于OLP包，集成了機(jī)器人技術(shù)和制造技術(shù)的軟件，它現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用在各種制造業(yè)中。DELMIA可以在機(jī)器人程序被下載到真實(shí)設(shè)備中之前，采用3D仿真環(huán)境對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化。DELMIA有配套的工具箱，它們提供了在機(jī)器人OLP的特定領(lǐng)域中許多有用的功能，比如工件位姿標(biāo)定，可達(dá)性分析，沖突檢測(cè)，路徑規(guī)劃等。CimStation Robotics(CSR)[3]是一款強(qiáng)大的三維仿真和離線(xiàn)編程軟件，它能幫助制造商方便，快速地仿真和評(píng)估自動(dòng)制造過(guò)程和機(jī)器人程序。CSR軟件是一個(gè)模塊化軟件，可以選擇不同的工具箱來(lái)建立復(fù)雜程度不同的軟件。由此，它不但支持包括無(wú)損檢測(cè)，焊接，噴涂，組裝等各種應(yīng)用場(chǎng)合，也最大限度地為客戶(hù)節(jié)省了費(fèi)用。

來(lái)自研究機(jī)構(gòu)的機(jī)器人OLP軟件多是用于學(xué)術(shù)目的，或圍繞現(xiàn)有的CAD軟件，或從頭開(kāi)始使用OpenGL，VRML 和Java3D技術(shù)開(kāi)發(fā)。參考文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一個(gè)低成本的仿真系統(tǒng)，Autodesk Inventor。它是一個(gè)市售的3DCAD包，可被用作使機(jī)器人預(yù)編程路徑可視化的一個(gè)接口，常被用在中小型企業(yè)的培訓(xùn)中。參考文獻(xiàn)[5]以SolidWorks SDK包為基礎(chǔ)構(gòu)建了類(lèi)似的軟件。參考文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于OpenGL，使用VC++6.0的機(jī)器人仿真系統(tǒng)。在文獻(xiàn)[7]中，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)以VRML為基礎(chǔ)的圖形化的三維仿真環(huán)境，它可以用于分析和預(yù)覽PA10-7C機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。

這些大量的機(jī)器人仿真與離線(xiàn)編程軟件被研究與開(kāi)發(fā)，但幾乎沒(méi)有一個(gè)討論過(guò)多機(jī)器人協(xié)作的仿真功能，機(jī)器人協(xié)作已經(jīng)在制造業(yè)工廠(chǎng)中普遍出現(xiàn)。這意味著OLP軟件的現(xiàn)狀和真實(shí)的機(jī)器人系統(tǒng)之間存在著差距。在本文中，我們將描述一種設(shè)計(jì)具有多機(jī)器人協(xié)作功能的OLP軟件的方法。所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)是一個(gè)集成環(huán)境，可用于路徑的規(guī)劃與測(cè)試，以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的仿真。

一、多機(jī)器人離線(xiàn)編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)雙機(jī)器人離線(xiàn)編程系統(tǒng)時(shí)，選定其中一個(gè)機(jī)器人為主機(jī)器人而另外一個(gè)為從機(jī)器人，而類(lèi)似地，在n個(gè)機(jī)器人組成的多機(jī)器人系統(tǒng)中，要選定其中1個(gè)機(jī)器人為主機(jī)器人，另外n-1個(gè)機(jī)器人為從機(jī)器人，所以實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人離線(xiàn)編程系統(tǒng)的方法可以用實(shí)現(xiàn)雙機(jī)器人離線(xiàn)編程系統(tǒng)的過(guò)程來(lái)示例。為實(shí)現(xiàn)離線(xiàn)編程系統(tǒng)，首先要進(jìn)行系統(tǒng)功能模塊架構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后根據(jù)它進(jìn)行軟件的類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（一）系統(tǒng)功能模塊架構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)軟件工程思想，一般要先從宏觀(guān)把握軟件的整體，并由宏觀(guān)到微觀(guān)一步步實(shí)現(xiàn)軟件。如圖1所示為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的架構(gòu)圖。

圖1　系統(tǒng)功能模塊架構(gòu)圖

機(jī)器人Job編輯：在離線(xiàn)編程系統(tǒng)中示教單機(jī)器人或雙機(jī)器人，數(shù)據(jù)記錄為關(guān)節(jié)空間或直角空間的Job文件，并提供對(duì)Job文件中運(yùn)動(dòng)命令的插入，修改，刪除等操作的支持。機(jī)器人位姿查看：可以查看各機(jī)器人關(guān)節(jié)空間，多機(jī)器人系統(tǒng)主坐標(biāo)系直角空間，單機(jī)器人直角空間的位姿數(shù)據(jù)。

獨(dú)立/協(xié)作選擇：在單機(jī)器人運(yùn)行模式和多機(jī)器人協(xié)作運(yùn)行模式之間切換。

功能模塊架構(gòu)中仿真場(chǎng)景可以對(duì)將生成的Job文件進(jìn)行機(jī)器人作業(yè)動(dòng)畫(huà)演示，以預(yù)判生成的Job文件是否能夠滿(mǎn)足作業(yè)要求。當(dāng)在仿真場(chǎng)景中示教完成協(xié)作Job文件且動(dòng)畫(huà)演示符合作業(yè)要求以后，系統(tǒng)將會(huì)生成和機(jī)器人個(gè)數(shù)相等數(shù)量的單機(jī)器人Job文件。真實(shí)多機(jī)器人系統(tǒng)執(zhí)行協(xié)作任務(wù)時(shí)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　多機(jī)器人系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖

（二）類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)功能模塊架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)軟件的類(lèi)結(jié)構(gòu)圖。

用UML建模軟件Enterprise Architect8.0繪制，語(yǔ)言規(guī)則遵循 UML2.0標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)軟件的類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以CJobCompileandExe，CTeachPendant，CRobot這三個(gè)類(lèi)為中心展開(kāi)的。

為借助實(shí)驗(yàn)室里的真實(shí)機(jī)器人平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證仿真系統(tǒng)為協(xié)作的多機(jī)器人離線(xiàn)編程的功能，首先要給機(jī)器人建立坐標(biāo)系并獲得D-H參數(shù)。其次，建立多機(jī)器人三維仿真場(chǎng)景。最后，編寫(xiě)繼承自CRobot接口的具體機(jī)器人類(lèi)，完成離線(xiàn)編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

SolidWorks作為一種流行的三維造型軟件，支持的文件格式很多，比如STEP，VRML，STL，IGES等。各機(jī)器人公司一般會(huì)在其官網(wǎng)提供公司所生產(chǎn)機(jī)器人型號(hào)的仿真模型。在本文所進(jìn)行的仿真實(shí)現(xiàn)中要用到Y(jié)ASKAWA公司Motoman系列機(jī)器人HP20D，可以下載到STEP格式的模型。首先，運(yùn)行SolidWorks讀取文件，將所得零件取一個(gè)有意義的名字，并保存為sldprt格式以備用。然后，把機(jī)器人各零件文件組裝成一個(gè)裝配體文件，并在零件之間添加配合。最后，將機(jī)器人單體裝配體裝配成多機(jī)器人仿真場(chǎng)景。另外，為使仿真場(chǎng)景更逼真，可以添加控制柜，地板，柵欄等配件，而這些配件都是很規(guī)則的幾何體，利用SolidWorks可以很容易地繪制出雙機(jī)器人的仿真模型，如圖3所示。

圖3　雙機(jī)器人仿真場(chǎng)景

二、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了讓多個(gè)單機(jī)器人完成一個(gè)協(xié)作任務(wù)，先要在離線(xiàn)編程系統(tǒng)中規(guī)劃出其中各個(gè)機(jī)器人的單機(jī)器人Job。生成的單機(jī)器人Job只記載單個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的位姿，運(yùn)動(dòng)方式MOVJ或MOVL，運(yùn)動(dòng)速度值，和多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的同步信號(hào)。不同公司生產(chǎn)的機(jī)器人控制器所需要的文件格式有所不同，它們分別是單機(jī)器人Job，需要同時(shí)執(zhí)行以完成直線(xiàn)上疊加圓弧的協(xié)作運(yùn)動(dòng)。

在仿真場(chǎng)景中兩個(gè)單機(jī)器人Job時(shí)的運(yùn)動(dòng)效果如圖4

圖4　仿真場(chǎng)景中執(zhí)行直線(xiàn)上疊加圓弧運(yùn)動(dòng)Job

通過(guò)圖4可知，仿真場(chǎng)景中機(jī)器人和真實(shí)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)效果的一致，驗(yàn)證了軟件離線(xiàn)編程功能的有效性。通過(guò)以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的軟件具有為多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)離線(xiàn)編程的能力。

三、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析機(jī)器人協(xié)作運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束關(guān)系，設(shè)計(jì)了的多機(jī)器人協(xié)作離線(xiàn)編程系統(tǒng)的軟件框架，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有項(xiàng)目雙機(jī)器人系統(tǒng)作了具體軟件實(shí)現(xiàn)。對(duì)該軟件進(jìn)行的多機(jī)器人協(xié)作運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與仿真功能實(shí)驗(yàn)和軟件離線(xiàn)編程功能實(shí)驗(yàn)，綜合驗(yàn)證了本文所提出的設(shè)計(jì)多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)離線(xiàn)編程軟件方法的正確性與實(shí)用性。

[1]SiemensProductLifecycleManagementSoftware Inc.Robotics and automation workcell simulation,validation and off-line programming[EB/OL].http://www.plm.automation.siemens.com/zh cn/products/tecnomatix/robotics automation/robcad/index.shtml,

avaliable2012.10.6

[2]Dassault Systemes.DELMIA Digital Manufacturing& Production[EB/OL].http://www.3ds.com/products/delmia/,avaliable 2012.10.6

[3]AppliedComputing&EngineeringLtd.CimStationRobotics [EB/OL].http://acel.squarespace.com/cimstation robotics,avaliable 2012.10.6

[4]P.Neto,J.N.Pires,A.P.Moreira.Robotpathsimulation:alow costsolution based on CAD.in:Proc of2010 IEEEConference on RoboticsAutomationandMechatronics(RAM),pp.333-338,2010.

[5]S.Mitsi,K.-D.Bouzakis,G.Mansour,D.Sagris,G.Maliaris. O_-lineprogrammingofan industrial robot formanufacturing.[J]. InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,26(3): 262C267,2005.

[6]W.X.Zhang,F.S.Zou,D.K.Qu,F.Xu.Researchofkeytechnologieson 3D simulation system of industrial robot.in:Proc of 7th World Congress on in Intelligent Control and Automation (WCICA2008),pp.565-568,2008.

[7]W.M.Shen,J.Gu,Y.D.Ma.3D Kinematic Simulation for PA10-7CRobot Arm Based on VRML.in:Proc of 2007 IEEE InternationalConferenceonAutomationand Logistics(ICAL2007), pp.614-619,2007.

[責(zé)任編輯鄭麗娟]

TP242

A

2095-0438（2016）11-0148-03

2016-05-28

萬(wàn)鸞飛（1979-）,女，安徽省涇人，蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，研究方向：工業(yè)機(jī)器人控制研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61503162，51505193）；安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目（2015zy085，2015jxtd056）；高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（gxyqZD2016594）。