智能制造系統(tǒng)的6R 工業(yè)機(jī)器人仿真和監(jiān)控平臺

崔岳

（廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065000）

科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，使工業(yè)機(jī)器人交互性得到提高。就6R 工業(yè)機(jī)器人來說，構(gòu)建機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型，應(yīng)用矢量積法推導(dǎo)雅克比矩陣，為仿真與監(jiān)控數(shù)據(jù)可視化打下扎實基礎(chǔ)。仿真環(huán)境既可以更加真實地模擬制造過程，也將用于人機(jī)交互從而使制造過程共融性得到提升。所以需要加強(qiáng)6R 工業(yè)機(jī)器人仿真和監(jiān)控工作力度?；诖耍芯恐悄苤圃煜到y(tǒng)的6R 工業(yè)機(jī)器人仿真和監(jiān)控具有現(xiàn)實意義。

1 仿真和監(jiān)控平臺的搭建

在進(jìn)行機(jī)器人仿真過程中主要涵蓋了以下三個部分，分別為監(jiān)控通信接口、控制命令編制以及可視化環(huán)境。

1.1 仿真和監(jiān)控的可視化環(huán)境

為了給機(jī)器人建立l:1 的三維模型需要應(yīng)用建模軟件。機(jī)器人屬于一個綜合系統(tǒng)，內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)與裝配較為繁雜，而且由諸多零件組成。本文研究的仿真與監(jiān)控可視化環(huán)境指的是機(jī)器人空間位置與動態(tài)，與內(nèi)部零件細(xì)節(jié)沒有直接聯(lián)系，所以建模過程中需依據(jù)獨(dú)立準(zhǔn)則與運(yùn)動之間的關(guān)聯(lián)將機(jī)器人分成各種運(yùn)動部件，構(gòu)建相應(yīng)的部件模型。具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 機(jī)器人的部件模型分類

通過對圖1 進(jìn)行觀察可以得出，機(jī)器人每個部件之間都存在著從屬關(guān)系，在對這種關(guān)系進(jìn)行描述過程中可以使用層次結(jié)構(gòu)法，在確定的環(huán)境中明確方向?qū)傩院投ㄎ弧Ｔ谀Ｐ瓦\(yùn)動關(guān)系方面來講，不光需要確定以上因素，還需要根據(jù)從屬關(guān)系找出運(yùn)動屬性，這樣才能保障可視化環(huán)境達(dá)到理想的設(shè)計目的。

1.2 監(jiān)控的通信結(jié)構(gòu)和接口

在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，使用了開放網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和免費(fèi)資源網(wǎng)絡(luò)，建立了穩(wěn)定的監(jiān)控通信程序，具體情況如圖2 所示。通過觀察圖2 可以看出，KUAVARPROXY 屬于一種非常特殊的服務(wù)器，并且還是一種良好的通信開發(fā)包，其功能是實現(xiàn)和機(jī)器人的讀寫操作，便于為上級客戶端通信。JopenShowVar是開發(fā)包的通信類，借助調(diào)取其中函數(shù)達(dá)到和服務(wù)器KUKAVARPROXY 通信的效果。與此同時，由于開發(fā)包通信類是應(yīng)用Java 語言實現(xiàn)，而Java 語言比C ＋＋語言計算能力弱一些，在解決數(shù)據(jù)方面。但是機(jī)器人的虛擬監(jiān)督控制與實時解決海量數(shù)據(jù)有直接關(guān)系，并且應(yīng)通過實現(xiàn)渲染體現(xiàn)出機(jī)器人的軌跡與運(yùn)行狀態(tài)。在這種情況下，為了保障虛擬監(jiān)督和控制具有完善性和實時性，就需要合理應(yīng)用監(jiān)控系統(tǒng)，在這個過程中需要配合兩臺計算機(jī)，合理完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，使用C語言進(jìn)行開發(fā)。第二臺計算機(jī)的作用是完成遠(yuǎn)程操控，將渲染情況展示在可視化環(huán)境中。

與此同時為確保其結(jié)果需應(yīng)用C ＋＋語言和OpenGL 圖形接口。

圖2 機(jī)器人監(jiān)控的通信結(jié)構(gòu)

1.3 控制指令的編譯和運(yùn)行

在一般情況下，控制指令編譯和機(jī)器人仿真之間有著直接聯(lián)系。本文在研究過程中使用的控制系統(tǒng)包含了SRC 程序、DAT 文件以及程序資源等。在SRC 程序中涵蓋了數(shù)據(jù)變量使用、條件判斷以及函數(shù)調(diào)配。還需要使用文件變量方式完成改變幅值，將DAT 文件作為主要的運(yùn)行依據(jù)。在這種情況下一定要通過控制文件的方法完成機(jī)器人指令控制和編譯。在仿真的準(zhǔn)備階段，需要將控制指令和信息傳遞到結(jié)構(gòu)體系中，只有這樣才能保障系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。在進(jìn)行代碼編譯過程中，需要借助機(jī)器人指令完成重要標(biāo)識提取和識別。在機(jī)器人指令中得到重要的信息，通過這種方法能夠確定重要位置，確定執(zhí)行端工具有著良好的運(yùn)動狀態(tài)。一定要在可視化環(huán)境中明確控制信息的用途，這樣才能完成機(jī)器人仿真?？刂茩C(jī)器人模型中可以使用PID 完成應(yīng)用控制，這樣才能為仿真控制器提供良好的基礎(chǔ)模式。

2 實驗驗證

為驗證以上內(nèi)容的準(zhǔn)確度，應(yīng)用C++語言、Java 語言和矩陣運(yùn)算軟件包Eigen 3.2.5 等，便于開發(fā)完成機(jī)器人仿真與監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 仿真和運(yùn)行實例對比

如圖3 所示，即典型的控制指令，仿真平臺上的仿真效果與機(jī)器人實際運(yùn)行結(jié)果相比，這種指令可以完成機(jī)器人整個過程的程序編寫，仿真效果中也能展示出字符過度軌跡，這樣才能讓運(yùn)行結(jié)果具有良好的仿真能力，仿真過度時也要繪制時間節(jié)點，使用的仿真對比方法需要具有及時轉(zhuǎn)變和縮放等特點。對圖3 中指令結(jié)果和仿真情況進(jìn)行比較可以得出，運(yùn)行情況和仿真之間有著軌跡相同的特征，從而也得出了運(yùn)動學(xué)模型、程序模塊與雅克比矩陣具有真實、可靠與準(zhǔn)確的特點。

圖3 機(jī)器人仿真與運(yùn)行實例

2.2 監(jiān)控測試

依照圖2 了解到監(jiān)控通信結(jié)構(gòu)，是連接機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)督控制硬件平臺，如圖4 所示。

圖4 監(jiān)控機(jī)器人的硬件平臺

為了能夠確保網(wǎng)絡(luò)通信具有安全性和穩(wěn)定性，那么就要對IP 進(jìn)行固定，對通信端口也要實施設(shè)置。借助機(jī)器人端口的情況下固定面板安裝情況，對于機(jī)器人通信協(xié)議也要從新進(jìn)行設(shè)置，具體情況如圖5 所示。另外，還要設(shè)置遠(yuǎn)程操作固定IP，以保證IP 地址和機(jī)器人IP 地址屬于相同子網(wǎng)，提升系統(tǒng)綜合性能，遠(yuǎn)程計算IP 設(shè)置如圖6。

圖4 中的硬件平臺所運(yùn)行系統(tǒng)的所有監(jiān)控模塊，可從中了解到機(jī)器人監(jiān)控效果與數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程計算機(jī)2 上的虛擬監(jiān)控可視化環(huán)境能直觀的體現(xiàn)出機(jī)器人的位置姿態(tài)，而且還編制出機(jī)器人執(zhí)行端的運(yùn)行軌跡。而遠(yuǎn)程計算機(jī)1 可以完成監(jiān)控數(shù)據(jù)在機(jī)器人與虛擬監(jiān)控端的傳輸，大約為5ms，其中消耗最多的不超過20ms。由此驗證得知實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)一方面要有形象直觀的人機(jī)界面，另一方面還要具備很好的實時性。

圖5 機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)配置

圖6 遠(yuǎn)程計算機(jī)的IP 設(shè)置

3 結(jié)語

綜上所述，本文通過對仿真和監(jiān)控平臺的搭建展開深入研究，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)分析實驗驗證，其中包括仿真和運(yùn)行實例對比和監(jiān)控測試等兩方面，旨在為智能制造系統(tǒng)的6R工業(yè)機(jī)器人仿真和監(jiān)控工作得到有效保證。