[發明專利]一種用于機器人的仿真方法

有效

• 申請號: 201410185300.1
• 申請日: 2014-05-04
• 公開（公告）號: CN103926847B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發明（設計）人: 姚庭;劉會英;林建林;鞏相峰;銀雙貴
• 申請（專利權）人: 威海新北洋正棋機器人股份有限公司
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 北京商專永信知識產權代理事務所(普通合伙)11400
• 代理人: 葛強,鄔玥

技術領域

本發明涉及一種仿真系統，特別地涉及一種機器人仿真系統。

背景技術

在工業機器人的設計及應用過程中，經常需要用到機器人仿真系統，通過仿真來模擬機器人的狀態及性能參數，從而給設計人員提供有效的設計參考，給應用人員以直觀的機器人反饋。當前，比較常用的此類系統主要有兩大類型，一類通過在普通通用計算機平臺上建立完整的仿真環境來實現，其中包括虛擬機器人控制器，虛擬機器人及虛擬工作環境。另外一類仿真系統中，包含了整個機器人硬件系統，并在此基礎上額外地設計了一套適用于仿真和分析的輔助軟件，以實現使用要求。

在應用過程當中，第一類仿真系統中的模型一般都比較粗糙，在真實的環境中存在的很多因素都無法被包含到模型中去，例如：機器人各個關節處的真實摩擦，機器人在工作環境中所受到的干擾，與其他外部事件的耦合及同步等。因此，基于此類仿真系統所得到的結果數據，只在機器人運動學相關的技術層面上具有參考意義，在機器人動力學性能層面上，無法反映出比較有價值的結果。這類系統一般適合用來在應用過程中驗證機器人的運行軌跡是否符合預期。

第二類仿真系統使用了完全真實的硬件系統，通過輔助工具實現模擬。如中國專利CN101751004A，描述了一種利用真實機器人及機床在環的仿真系統，可視化地模擬設備在環境中的運行狀態及性能。但是由于真實的機器人系統在物理上有很多性能極限，因此無法利用此種系統來獲得機器人在極限狀態下的性能。例如：一般機器人每個關節都設有機械式位置限制，一旦機器人強行越過該限位，將對機器人造成不可恢復的損害，甚至引發危險。每個關節的運行速度和加速度也有限制，同樣也無法得到在限制范圍之外的機器人的動態性能。這類系統一般適合于驗證所測試之機器人在極限約束之內的動態性能。

以上兩類系統的缺點是在仿真模擬過程中，無法最大化地獲得機器人在全環境及約束范圍內的真實動態性能，整個應用過程中的效率也比較低下。

發明內容

本發明是為了解決上述仿真系統的問題而設計的。為了驗證輸入數據的有效性及合理性，設計了純軟件仿真模塊，以提高整個仿真模擬工作的效率及可靠性。與機器人相關的可分離硬件設置在仿真環路中，獲取真實環境下機器人的動態性能參數。輔助以通用數值分析軟件平臺接口，方便對仿真數據進行處理及分析。

具體而言，為了解決上述技術問題，本發明提供一種機器人仿真系統，其包括機器人控制器，所述機器人控制器內部能夠加載針對機器人的仿真程序，在該機器人控制器內設置有真實機器人控制單元、輔助用的真實應用程序控制單元、數字機器人模型單元、通用分析平臺接口、半物理模型狀態寄存器以及遠程進程控制接口，該仿真系統還包括獨立的通用計算機平臺，在通用計算機平臺內設置有仿真監控界面，同時將仿真監控軟件安裝在通用計算機平臺上，該仿真系統還包括外部設備，其與機器人控制器相連接，外部設備用于進行半物理硬件在環仿真。

優選的是，數字機器人模型單元能夠測量計算得到機器人系統中的力及扭矩狀態。

優選的是，機器人控制器是通過其內部的遠程進程控制接口來與通用計算機平臺進行通信的，這樣能夠使得安裝在通用計算機平臺上的仿真軟件可以獲得進入機器人控制器中數字機器人模型單元及半物理模型狀態寄存器進行讀取的權利，從而獲得所有機器人模型相關參數。

優選的是，所述外部設備包括減速器、伺服電機和編碼器。

優選的是，該機器人仿真系統還設有時鐘、定時器和采樣計算單元，其中，通過仿真系統提供的時鐘和定時器從而實現對程序真實運行時間的控制，使得數字模型與外部事件之間的同步性能可以達到物理系統應用級別的要求。

優選的是，所述仿真系統能夠進行機器人運動仿真，具體是在機器人控制器內部單獨進行仿真或者通過與機器人控制器進行通信的通用計算機平臺進行仿真。

優選的是，上述仿真包括兩個層面的仿真，一種為純軟件層面的軟件仿真，第二種是包含半物理模型的硬件在環仿真。

優選的是，上述軟件仿真通過仿真系統中機器人控制器內部的數字機器人模型單元進行軟件仿真，其中數字機器人模型單元是與真實機器人具有相同幾何參數的數字對象，所述仿真的軟件前端為三維圖形交互式界面。

優選的是，半物理硬件在環仿真通過數字機器人模型單元結合包含在仿真系統中的真實機器人上的外部設備而進行，從而最大化地模擬得到機器人運行過程中的動態參數，分析機器人的運動性能及極限。

本發明還提供一種采用上述任一項技術方案中的機器人仿真系統的仿真方法，具體步驟如下：