三維仿真交互式雙臂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許 鵬，陳友東

(1.合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，安徽 合肥 238000；2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

0 引 言

與單臂機(jī)器人相比，雙臂機(jī)器人可以通過雙臂協(xié)作完成一些復(fù)雜工作，如空間站的艙內(nèi)外設(shè)備維修作業(yè)[1]、復(fù)雜的裝配操作[2]、搬運(yùn)重物[3]等，大大擴(kuò)展了機(jī)器人的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)，一般采用在線示教[4]或離線編程[5]對(duì)其進(jìn)行編程。對(duì)于雙臂機(jī)器人，采用在線示教存在以下困難：當(dāng)分別對(duì)左右機(jī)械臂進(jìn)行示教時(shí)，兩個(gè)機(jī)械臂之間的位置約束關(guān)系難以保持同步；在線示教難以滿足日益增多的個(gè)性化需求。因此工業(yè)上迫切需要雙臂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，自動(dòng)生成作業(yè)任務(wù)軌跡。

對(duì)于機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，通用的做法是通過各種形式的三維圖形建模和導(dǎo)入方法，通過QT-Coin3D構(gòu)建的三維仿真環(huán)境生成機(jī)械臂的路徑并完成雙臂協(xié)作的仿真[6]。根據(jù)仿真，生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令傳到機(jī)器人控制系統(tǒng)，以控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，完成給定任務(wù)[7]。Carvalho等采用了柔性制造單元對(duì)焊接任務(wù)離線編程[8]，針對(duì)復(fù)雜曲面加工的離線編程系統(tǒng)，黎潤(rùn)偉等提出了一種基于STL文件的軌跡生成算法[9]。使用離線編程規(guī)劃?rùn)C(jī)器人運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢(shì)明顯：降低了成本，便于對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，有利于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的軌跡規(guī)劃[10]。這些方法的不足在于其功能性單一，模型構(gòu)建比較復(fù)雜。雙臂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)在上述基礎(chǔ)上還要考慮機(jī)械臂的協(xié)調(diào)操作[11,12]。周揚(yáng)等基于阻抗控制提出了雙臂機(jī)器人控制系統(tǒng)[13]，存在的問題是計(jì)算量大，缺乏幾何造型的直觀性。針對(duì)目前雙臂機(jī)器人編程存在的示教操作繁瑣，協(xié)調(diào)模型構(gòu)建復(fù)雜，用戶界面不友好等問題，提出了一種基于QT-Coin3D的雙臂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，QT和Coin3D提供了交互式3D軟件開發(fā)的解決方案，設(shè)計(jì)了機(jī)器人仿真模型的通用構(gòu)建方法，提出了仿真過程的控制算法，實(shí)現(xiàn)了路徑的自動(dòng)生成，提高了機(jī)器人編程的自動(dòng)化水平。

1 總體設(shè)計(jì)

雙臂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙臂機(jī)器人的建模、仿真，經(jīng)過后置處理后生成控制指令。系統(tǒng)按照功能性劃分為核心層、支撐層以及應(yīng)用層3個(gè)部分，如圖1所示。由Coin3D渲染引擎、軌跡解析庫(kù)和Qt-SDK構(gòu)成的仿真系統(tǒng)的核心層，核心層主要提供三維環(huán)境的建模、渲染和管理，外部文件解析以及UI交互界面的創(chuàng)建；支撐層主要提供了系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口，并保證了具體功能的實(shí)現(xiàn)；應(yīng)用層確立了系統(tǒng)的主要的功能信息，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的任務(wù)目標(biāo)。

圖1 雙臂協(xié)作仿真系統(tǒng)任務(wù)框架

系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)雙臂機(jī)器人手臂的末端點(diǎn)位置與姿態(tài)的控制，通過QT中的信號(hào)槽機(jī)制實(shí)現(xiàn)雙臂機(jī)器人的三維運(yùn)動(dòng)仿真與軟件UI界面的交互。

應(yīng)用層主要包括了以下4大模塊：

(1)工作環(huán)境定義：雙臂機(jī)器人、工作對(duì)象以及環(huán)境3部分的模型建立、導(dǎo)入、定義和布局。

(2)軌跡規(guī)劃：依據(jù)作業(yè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃。對(duì)于雙臂協(xié)作完成任務(wù)，需要根據(jù)其任務(wù)協(xié)調(diào)類型的不同(松協(xié)調(diào)任務(wù)、緊協(xié)調(diào)任務(wù)[14])確定不同的位置控制模式。

(3)運(yùn)動(dòng)仿真：雙臂機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角控制，工件位姿狀態(tài)調(diào)整，雙臂協(xié)同控制工件運(yùn)動(dòng)，記錄仿真運(yùn)動(dòng)的過程。

(4)后置處理：將仿真驗(yàn)證的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人程序，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)完成特定任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層作業(yè)任務(wù)，針對(duì)性的進(jìn)一步設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的支撐層。支撐層主要包括了以下幾個(gè)模塊：負(fù)責(zé)項(xiàng)目創(chuàng)建和數(shù)據(jù)讀寫的項(xiàng)目管理模塊；負(fù)責(zé)主框架數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和調(diào)用的框架管理模塊；用于顯示機(jī)器人關(guān)節(jié)軸、末端點(diǎn)軌跡等數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)顯示模塊；不同類型的雙臂機(jī)器人模型的建模的機(jī)器人模型管理模塊；根據(jù)任務(wù)需要關(guān)于工件、環(huán)境的建模的工件環(huán)境模型管理模塊；負(fù)責(zé)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)正逆解，根據(jù)雅克比矩陣對(duì)逆解的優(yōu)化的仿真控制模塊；用于規(guī)劃雙臂末端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模塊；根據(jù)雙臂協(xié)調(diào)任務(wù)確定機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中的位姿狀態(tài)的位置控制模塊、由旋轉(zhuǎn)變換矩陣得到工件與機(jī)械臂之間的軌跡變換的工件軌跡規(guī)劃模塊；離線仿真后生成機(jī)器人控制指令的機(jī)器人控制模塊。

2 機(jī)器人模型及工作環(huán)境建模

2.1 三維仿真環(huán)境建模

雙臂機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，主要由雙臂機(jī)器人、工作環(huán)境和工件3部分構(gòu)成，如圖2所示。雙臂機(jī)器人為主要仿真對(duì)象，模型參數(shù)定義和運(yùn)動(dòng)控制相對(duì)復(fù)雜。工件的工作任務(wù)不同，軌跡和仿真復(fù)雜程度也不同。環(huán)境大部分為固定物品，當(dāng)中也可能包括可運(yùn)動(dòng)(移動(dòng)或旋轉(zhuǎn))的工作臺(tái)、機(jī)器人滑軌、開關(guān)門等部件，復(fù)雜程度相對(duì)較低。

圖2 雙臂機(jī)器人及工作環(huán)境建模

通過SolidWorks實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型的構(gòu)建，交換數(shù)據(jù)的格式可采用虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言文件WRL，在Open Inventor-Coin3D渲染引擎中讀取WRL文件，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)的渲染重建，通過隔離器將機(jī)器人模型的各個(gè)部件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作模擬仿真。

2.2 雙臂機(jī)器人仿真控制模型

雙臂機(jī)器人區(qū)別于傳統(tǒng)的單臂機(jī)器人在于在控制過程中需要同時(shí)控制左右兩個(gè)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 雙臂機(jī)器人MOTOMAN CSDA10F

對(duì)于左右機(jī)械臂，雙臂機(jī)器人通常情況下需要分別設(shè)置其運(yùn)動(dòng)參數(shù)，根據(jù)DH參數(shù)的不同構(gòu)建不同的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。為了得到正確的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，需要從以下幾個(gè)方面考慮：

(1)根據(jù)雙臂機(jī)器人每個(gè)機(jī)械臂的DH參數(shù)表建立相對(duì)坐標(biāo)系，計(jì)算其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過矩陣變換得到機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)解；

(2)根據(jù)雙臂機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通過矩陣變換計(jì)算其運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，在求解其逆解過程中存在多重解的情況下，引入最小微動(dòng)解的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在保證機(jī)械臂平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的前提下選擇各個(gè)關(guān)節(jié)角的變化量最小的一組解來達(dá)到指定的位姿；

(3)對(duì)于冗余機(jī)械臂，根據(jù)機(jī)械臂的冗余特性，引入一種根據(jù)雅克比矩陣計(jì)算可操作度評(píng)價(jià)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的優(yōu)化算法，根據(jù)可操作度可以避免機(jī)械臂到達(dá)奇異位形。

雙臂機(jī)器人模型是由多個(gè)部件構(gòu)成，多運(yùn)動(dòng)變量的模型。在雙臂機(jī)器人中，機(jī)器人本體包括15個(gè)部件，14個(gè)運(yùn)動(dòng)變量控制。本文提出了一種雙臂機(jī)器人仿真控制模型，如圖4所示。機(jī)器人各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)都是相互耦合的，為避免不必要的運(yùn)算，在建模時(shí)可直接將這種耦合關(guān)系定義在模型中。通過構(gòu)建雙臂機(jī)器人仿真控制結(jié)構(gòu)樹，將各個(gè)部件與其相應(yīng)的矩陣變換封裝在一個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)，在仿真運(yùn)動(dòng)的過程中，后置節(jié)點(diǎn)不會(huì)影響前置節(jié)點(diǎn)的信息。通過改變DH參數(shù)信息進(jìn)而改變控制模型信息，仿真控制模型具有較好的通用性。

圖4 雙臂機(jī)器人仿真控制模型樹

(1)Base節(jié)點(diǎn)作為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)，也是雙臂機(jī)器人的根節(jié)點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)樹從Base節(jié)點(diǎn)開始分為兩支，分別為L(zhǎng)0～L7和R0～R7，代表了雙臂機(jī)器人的左右兩個(gè)機(jī)械臂的各個(gè)連桿部件的軸節(jié)點(diǎn)；

(3)ML0～ML7、MR0～MR7分別表示了雙臂機(jī)器人的各個(gè)連桿模型文件，將SolidWorks模型導(dǎo)入后，各個(gè)連桿的初始位姿已知并且坐標(biāo)位于世界坐標(biāo)系原點(diǎn)。由于連桿變換控制節(jié)點(diǎn)是基于相鄰兩個(gè)連桿的相對(duì)坐標(biāo)系位姿變換，直接對(duì)雙臂機(jī)器人的各個(gè)連桿進(jìn)行齊次矩陣變換會(huì)導(dǎo)致連桿在已經(jīng)存在初始相對(duì)位置的情況下再次進(jìn)行矩陣的連乘，這樣的結(jié)果是一旦變換關(guān)節(jié)角會(huì)導(dǎo)致機(jī)械臂的各個(gè)連桿的相對(duì)約束關(guān)系不復(fù)存在。因此當(dāng)整體雙臂機(jī)器人模型導(dǎo)入后，需要首先將連桿模型文件變換到世界坐標(biāo)系下，然后進(jìn)行相對(duì)坐標(biāo)系位姿變換；

(5)遍歷整個(gè)雙臂機(jī)器人仿真控制模型樹可以發(fā)現(xiàn)在DH參數(shù)建模下各個(gè)連桿的相對(duì)坐標(biāo)系與仿真模型中的各個(gè)連桿的相對(duì)坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)，變換某一個(gè)連桿關(guān)節(jié)角之后可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械臂的聯(lián)動(dòng)。

2.3 模型樹管理

雙臂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)中的各個(gè)模型建立完畢后，需要編程系統(tǒng)對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃管理，模型管理主要體現(xiàn)在模型樹上，如圖5所示。模型樹的主要操作如下：

(1)數(shù)據(jù)列表操作：①模型插入：將來自外部文件、內(nèi)部自建庫(kù)、內(nèi)置基本幾何體的幾何信息，通過用戶交互添加屬性信息，并插入到模型樹的管理數(shù)據(jù)列表中；②模型刪除：刪除數(shù)據(jù)列表中的一項(xiàng)；③復(fù)制或移動(dòng)：將一模型復(fù)制或移動(dòng)到同一樹或另一樹的某個(gè)分支上。

(2)更新渲染區(qū)：將數(shù)據(jù)列表中的模型信息繪制到Coin3D的渲染區(qū)中。

(3)更新主界面模型樹顯示：將數(shù)據(jù)列表的信息更新顯示到主界面的模型樹上。

(4)保存和讀取模型數(shù)據(jù)類表：項(xiàng)目管理模塊需要存儲(chǔ)模型樹的眾多信息，作為模型信息的存儲(chǔ)核心，數(shù)據(jù)列表的信息需要具有導(dǎo)出、導(dǎo)入能力，即將列表已有信息輸出到文件或從文件加載信息到列表。

圖5 模型樹

3 軌跡規(guī)劃

依工作任務(wù)確定工件運(yùn)動(dòng)軌跡，由于運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)動(dòng)作復(fù)雜，難以通過示教實(shí)現(xiàn)。通過雙臂協(xié)調(diào)過程中的位置約束關(guān)系，將其運(yùn)動(dòng)方程解耦，分別得到左右機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后通過軌跡規(guī)劃模塊生成軌跡，從而確保了雙臂機(jī)器人在仿真系統(tǒng)中任務(wù)的正常實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 軌跡解析模塊

軌跡的創(chuàng)建方法可以分為3種：一種是通過CAM軟件生成NC代碼，如：復(fù)雜形狀的切削和復(fù)雜曲面噴涂；一種是直接識(shí)別工程圖文件；一種是直接輸入三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，如點(diǎn)焊類任務(wù)。機(jī)械臂的軌跡文件創(chuàng)建完畢后，通過不同的解析器解析，使其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可以讀取的軌跡數(shù)據(jù)；然后根據(jù)軌跡操作器中的軌跡算法構(gòu)建出不同類型的軌跡模型。軌跡模型構(gòu)建主要在以下兩個(gè)方面：①運(yùn)動(dòng)軌跡的分段，有序的將軌跡文件中各個(gè)線段的起點(diǎn)、終點(diǎn)信息存入軌跡列表；②確定各個(gè)線段的性質(zhì)，分析軌跡列表中的線段屬于何種類型的線(直線、圓弧等)，并在軌跡控制器中采取不同的插補(bǔ)方法。最終將軌跡進(jìn)行插補(bǔ)得到一系列的點(diǎn)放入數(shù)據(jù)列表中，仿真系統(tǒng)根據(jù)定時(shí)器操作不斷的讀取插補(bǔ)點(diǎn)的信息。

4 仿真的關(guān)鍵算法

工件的運(yùn)動(dòng)決定了雙臂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡。通過確定雙臂機(jī)器人工件的運(yùn)動(dòng)，規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡，在仿真系統(tǒng)中得到兩個(gè)機(jī)械臂的軌跡后，刷新重建渲染模型，雙臂機(jī)器人開始仿真運(yùn)動(dòng)，如圖7所示。

圖7 雙臂機(jī)器人任務(wù)仿真

通過Open Inventor和Coin3D渲染引擎構(gòu)建虛擬三維模型。在系統(tǒng)仿真過程中，每隔一定時(shí)間，各個(gè)模型部件在旋轉(zhuǎn)變換矩陣的控制下刷新重建得到新的場(chǎng)景從而變現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)，如圖8所示。

圖8 仿真流程

雙臂機(jī)器人及工件、工具等處于初始位置，當(dāng)運(yùn)行指令觸發(fā)后，后臺(tái)程序中的定時(shí)器開始運(yùn)行，向數(shù)據(jù)列表中加入軌跡信息，這些信息主要包括雙臂機(jī)器人機(jī)械臂各關(guān)節(jié)角的大小以及其工具變換矩陣，此外還有工件及環(huán)境的相關(guān)信息。當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)列表中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息，并且根據(jù)內(nèi)容對(duì)雙臂機(jī)器人的各個(gè)部件進(jìn)行控制，通過定時(shí)器的重復(fù)刷新，可以變換仿真環(huán)境；如果數(shù)據(jù)列表中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)不再變化，則說明了根據(jù)設(shè)定的軌跡，機(jī)器人完整的執(zhí)行了仿真，系統(tǒng)仿真結(jié)束。

5 后置處理

后置處理模塊的作用是將雙臂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)中生成的雙臂運(yùn)動(dòng)程序轉(zhuǎn)換為機(jī)器人控制器可以識(shí)別的代碼。通過仿真控制模塊完成雙臂機(jī)器人的任務(wù)仿真后，左右機(jī)械臂的軌跡通過插補(bǔ)算法實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)過程中各個(gè)點(diǎn)的相關(guān)信息。與此同時(shí)，各個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)上的位姿信息和插補(bǔ)參數(shù)等信息被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)列表中，后置處理模塊的作用就是將這部分的信息轉(zhuǎn)換為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)代碼。通過逐條讀取數(shù)據(jù)列表中的插補(bǔ)點(diǎn)，將其放在指令存儲(chǔ)列表內(nèi)，插補(bǔ)點(diǎn)讀取完畢后，完整的控制代碼就可以通過輸出指令存儲(chǔ)列表獲得，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的格式傳送到控制器中，雙臂機(jī)器人就可以自動(dòng)運(yùn)行，如圖9所示。

圖9 后置處理模塊流程

6 實(shí) 驗(yàn)

為了實(shí)現(xiàn)交互界面設(shè)計(jì)和三維渲染設(shè)計(jì)，離線編程系統(tǒng)將Qt4.8.6開發(fā)套件和Coin3D 3.1.3開發(fā)套件集成到VS2008中，搭建QT-Coin3D聯(lián)合開發(fā)環(huán)境。在系統(tǒng)中進(jìn)行了雙臂機(jī)器人協(xié)調(diào)搬運(yùn)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。

雙臂機(jī)器人協(xié)調(diào)搬運(yùn)任務(wù)是屬于強(qiáng)耦合、緊協(xié)調(diào)操作。工件的期望運(yùn)動(dòng)路徑?jīng)Q定了左右兩機(jī)械臂之間的運(yùn)動(dòng)。其操作狀態(tài)如圖10所示。

圖10 緊協(xié)調(diào)操作

具體仿真實(shí)現(xiàn)過程如圖11所示。

圖11 雙臂機(jī)器人搬運(yùn)仿真實(shí)驗(yàn)

7 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于QT-Coin3D雙臂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于DH參數(shù)構(gòu)建雙臂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了一種雙臂機(jī)器人系統(tǒng)仿真控制模型(包括三維模型，組織結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型)，通過對(duì)雙臂協(xié)作操作約束的解耦，對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行解析，依據(jù)仿真過程算法實(shí)現(xiàn)仿真協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，仿真完成后生成機(jī)器人控制指令，實(shí)現(xiàn)雙臂機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)控制。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙臂機(jī)器人編程系統(tǒng)。實(shí)踐證明基于QT平臺(tái)開發(fā)的離線編程系統(tǒng)具有較好的可移植性。