一種機器人仿真系統的製作方法

2023-10-18 15:51:29

一種機器人仿真系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了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式控制單元、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和外部設備，在通用計算機平臺內設置有仿真監控界面。通過採用本發明提供的仿真系統，提高整個仿真模擬工作的效率及可靠性，並且在獲取真實環境下機器人的動態性能參數情況下，準確地真實地對機器人運動進行仿真模擬。
【專利說明】一種機器人仿真系統
【技術領域】
[0001]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】
[0002]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體系統，並在此基礎上額外地設計了一套適用於仿真和分析的輔助軟體，以實現使用要求。
[0003]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幹擾，與其他外部事件的耦合及同步等。因此，基於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。
[0004]第二類仿真系統使用了完全真實的硬體系統，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工具機在環的仿真系統，可視化地模擬設備在環境中的運行狀態及性能。但是由於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範圍之外的機器人的動態性能。這類系統一般適合於驗證所測試之機器人在極限約束之內的動態性能。
[0005]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範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】

[0006]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，設計了純軟體仿真模塊，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體設置在仿真環路中，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體平臺接口，方便對仿真數據進行處理及分析。
[0007]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式控制單元、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，同時將仿真監控軟體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，外部設備用於進行半物理硬體在環仿真。
[0008]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。
[0009]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體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。
[0010]優選的是，所述外部設備包括減速器、伺服電機和編碼器。
[0011]優選的是，該機器人仿真系統還設有時鐘、定時器和採樣計算單元，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。
[0012]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。
[0013]優選的是，上述仿真包括兩個層面的仿真，一種為純軟體層面的軟體仿真，第二種是包含半物理模型的硬體在環仿真。
[0014]優選的是，上述軟體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體仿真，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，所述仿真的軟體前端為三維圖形交互式界面。
[0015]優選的是，半物理硬體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。
[0016]本發明還提供一種採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:
[0017]仿真過程從開始步驟SI啟動，首先進入步驟S2進行軌跡數據導入處理，導入到軌跡數據可以分為三種類型，一種是導入三維設計或仿真軟體中的機器人軌跡數據，第二種是通過機器人示教器示教的軌跡數據，第三種是通過解析機器人語言程序獲得的軌跡數據；然後進入步驟S3即需要確定是否進行軟體仿真，如果選擇「是」則進入到步驟S4 ;在步驟S4處要對所獲得的軌跡數據進行軌跡二次處理操作，這種處理操作能夠使數據在速度域和加速度域上更加平滑化，以使得處理後的數據在速度域和加速度域上是平滑的，也就是在機器人關節空間中，這兩個域上的值是連續的，從而可以使得機器人的驅動部件只需提供連續變化的扭矩及速度，避免引起不必要的機械振動；二次處理操作完畢後，進入到步驟S5進行軟體仿真，步驟S5完成後，便已經完成了對輸入數據的校驗，同時也對機器人的運行過程中的各種狀態有了先驗知識；然後進入步驟S6選擇是否進行半物理模型硬體在環仿真，如果選擇「是」，則跳轉到S8進行半物理模型硬體在環仿真，此時經過二次處理後的數據直接傳遞給半物理硬體在環仿真直接使用，這樣就可以大大節省仿真所消耗的時間，同時也可以在次過程中過濾出不適合於物理模型的輸入數據，防止由極端輸入指令引起的物理系統的損壞，如果在步驟S6中選擇「否」則進入步驟SlO結束本次仿真任務；此夕卜，如果在步驟S3中選擇「否」，即不首先進行軟體仿真，則跳轉到步驟S7首先對軌跡數據進行二次處理操作，然後直接進入步驟S8進行半物理模型硬體在環仿真，步驟S8結束後進入到步驟S9，在步驟S9中需要在得到有效結果後判斷是否要進行軟體仿真，如果選擇「是」則跳轉到步驟S5處進行軟體仿真，如果選擇否，則進入步驟SlO直接結束本次仿真任務。
[0018]為了提高仿真的效率和精度，本發明首先設計了系統的數字模型，其中包括機器人控制器模型，機器人本體數字模型。其次，設計了機器人負載以及所有的外部接口。
[0019]在通用計算機平臺上構建了機器人控制器模型，移植了真實機器人控制器所使用的控制算法，軟體前端為三維交互式圖形界面。對數字機器人模型的操作完全經由該虛擬控制器控制，操作方式也與操作真實的機器人類似。創建機器人虛擬工作環境，以模擬真實機器人的工作環境。
[0020]本發明還實現了機器人運動學的正解與逆解運算，在獲取了機器人運動軌跡後，首先解算機器人運動學方程的逆解。獲取機器人末端執行器的位置之後，計算各個關節軸的對應角度位置。利用計算結果，更新界面中的機器人三維模型的狀態。然後在下一個計算循環中，通過計算機器人運動學正解，將機器人當前各個關節軸的坐標，轉化為機器人在對應迪卡爾坐標中的位置並將結果與上個計算周期的命令位置進行對比，檢驗機器人是否得到了正確的控制。在此過程中，通過觀察機器人三維模型的狀態來檢測機器人是否按照預先設定的方式運行，例如:檢測機器人運動軌跡，機器人與環境的幹涉情況，機器人與外部時間的同步性等。
[0021]此外，在本發明中，虛擬控制器的軌跡的輸入方式是多樣性的，主要包含:通過導入三維設計或仿真軟體中的機器人軌跡數據，通過機器人示教器示教，通過解析機器人語言程序獲得軌跡數據。經由其中任意一種方式獲得的機器人軌跡數據，都要經過二次處理，以使處理後的數據在速度域和加速度域上連續平滑，即在機器人關節空間中，這兩個域上的值是連續的。使得機器人的驅動部件只需提供連續變化的扭矩及速度，從而避免激發機器人的振動模態。在軟體仿真中，二次處理後的數據可以直接傳遞給機器人的半物理仿真模塊直接使用，這樣就有效降低了仿真時間，同時過濾了不適合於物理模型的輸入數據，防止由錯誤的輸入指令而引起的物理系統損壞。
[0022]數字模型也實現了對外部事件的同步，通過系統提供的時鐘和定時器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與物理系統相同級別的要求。
[0023]為了調節該環節的仿真效率和仿真精度，數位化機器人控制器還可以對經過二次處理的軌跡數據進行再次採樣。可以在保持採樣距離不變的情況下，通過增加採樣周期來提高仿真速度。也可以在保持採樣周期不變的情況下，通過減小採樣距離來提高仿真精度。
[0024]機器人數字模型還包含簡單的機器人動力學模型，通過數值求解動力學方程的方法，計算並觀測機器人在運動軌跡上運行時，所需提供的關節驅動扭矩大小。
[0025]本系統中的另外一種模型為硬體在環的機器人模型，系統含有真實機器人上的某些關鍵零部件，例如真實的機器人控制器，機器人伺服系統，減速系統以及機器人負載。這樣就可以在建立的模型中，最大化地模擬得到機器人運行過程中的真實動態參數，分析機器人的運動性能極限。
[0026]機器人控制器主要負責對機器人驅動系統的控制，等同於控制一臺真實的機器人。因為真實機器人上所採用的機器人伺服系統和減速系統都被包含在模型中了。為機器人配置不同的負載，調節驅動器的參數，完成對模型的響應測試。
[0027]驅動鏈中的減速系統可以配置與真實機器人上完全相同的型號，這樣就把物理系統中的不確定動力學影響因素包含到系統中，如:轉動關節的摩擦，這主要來自關節軸減速系統；減速系統的效率；減速系統扭矩傳遞的穩定性等。通過直接辨識的方法得到機器人真實的動態模型。
[0028]加載在各個關節上的負載也是及其重要的影響系統響應的因素。真實機器人在運行過程中，對應各個關節軸上的負載是時變的，因此對於單關節來說，其模型也是時變的。在本發明中，為各個關節配置了可動態配置的負載。也就是說，在模型運行過程中，這類負載的大小是可以根據需求實時改變的。這樣就模擬了機器人在正常運行過程中的負載變化情況，同時可以實現了一些在真實機器人上無法實現的極端負載，最終能夠獲得機器人在極端負載情況下動態性能。
[0029]建立在這兩種機器人模型上的仿真模擬是依靠一個仿真管理單元實現的。軟體數字模型作為單獨的一個模塊，被動態地加載到機器人控制器中，通過與控制器的接口實現數據的雙向傳遞，例如經過二次處理的軌跡數據等。通過遠程進程控制接口，將仿真系統的監控模塊實現在通用計算機平臺之上。通過有好的控制界面，非常方便地實現了在兩種仿真模式中進行切換。通過中斷的方式，實現真實的外部事件與軟體數字模型動作的直接同
止/J/ O
[0030]整個系統的數據後處理部分除了一些可以直接觀測到的測量之外，均由通用數值分析工具來處理，例如:Matlab。這樣在模塊中建立了運行時數據存儲模塊，所有被測量均存儲為統一格式，通過平臺接口傳遞到外部存儲設備中，以供分析。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是根據本發明中一個代表性實施例的機器人仿真系統的結構示意圖圖；
[0032]圖2是根據本發明中一個代表性實施例的機器人仿真的步驟流程圖；
[0033]圖3是根據本發明中一個代表性實施例的硬體在環仿真中外部設備調用的示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面將參考附圖1和2對本發明中一個詳細的代表性實施例進行描述。圖1是本發明所述的一種機器人仿真系統的一個優選實施例，該仿真系統包括機器人控制器1，所述機器人控制器I內部能夠加載針對機器人的仿真程序，在機器人控制器I中安裝有仿真工具軟體，從而在仿真系統工作時可以實時檢測機器人的狀態數據；在該機器人控制器I內設置有真實機器人控制單元2、輔助用的真實應用程式控制單元3、數字機器人模型單元5、通用分析平臺接口 9、半物理模型狀態寄存器以及遠程進程控制接口 4，其中，數字機器人模型單元5能夠測量計算得到機器人系統中的力及扭矩狀態。
[0035]該仿真系統還包括獨立的通用計算機平臺6，在通用計算機平臺6內設置有仿真監控界面7，同時將仿真監控軟體安裝在通用計算機平臺6上，這樣，機器人控制器I與通用計算機平臺6之間能夠通過仿真監控界面7交互完成仿真任務，具體地，機器人控制器I是通過其內部的遠程進程控制接口 4來與通用計算機平臺6進行通信的，這樣能夠使得安裝在通用計算機平臺6上的仿真軟體可以獲得進入機器人控制器I中數字機器人模型單元5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。該仿真系統還包括外部設備8，其與機器人控制器I相連接，外部設備8用於進行半物理硬體在環仿真，其包括減速器、伺服電機和編碼器等。
[0036]此外，在該機器人仿真系統中還設有時鐘、定時器和採樣計算單元，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。
[0037]通過採用上述仿真系統，無論是在機器人控制器I內部單獨進行仿真，還是通過與機器人控制器I進行通信的通用計算機平臺6進行仿真，該仿真系統中進行的仿真程序包括兩個層面的仿真，一種為純軟體層面的軟體仿真，第二種是包含半物理模型的硬體在環仿真，通常來講，為了驗證輸入數據的有效性及合理性，可以先進行純軟體層面的仿真，這樣可以在仿真過程中剔除掉一些不良的輸入數據，提高單次仿真的成功率，接下來進行的半物理模型硬體仿真可以將真實物理世界中的影響因素包含到仿真中去，以此來提高仿真的真實性。
[0038]具體而言，上述仿真任務中軟體仿真的核心是與真實機器人控制器單元2相匹配的算法，具體通過仿真系統中機器人控制器I內部的數字機器人模型單元5進行軟體仿真，其中數字機器人模型單元5是與真實機器人具有相同幾何參數的數字對象。該仿真的軟體前端為三維圖形交互式界面，對數字模型機器人的操作完全經由該機器人控制器1，操作方式也與操作真實的機器人類似，可以為機器人創建虛擬的工作環境，以模擬真實機器人的生產環境，其中，軟體仿真的算法部分主要實現機器人運動學的正解與逆解計算，具體地，在獲取了機器人運動軌跡後，首先解算機器人運動學方程的逆解，也就是在獲取機器人末端執行器的位置之後，計算各個關節軸的對應角度位置並利用計算得到的結果數據，更新界面中的機器人三維模型的狀態，然後在下一個計算循環中，通過計算機器人運動學正解，將機器人當前各個關節軸的坐標，轉化為機器人在對應迪卡爾坐標中的位置並將結果與上個計算周期的命令位置進行對比，檢驗機器人是否得到了正確的控制。在此過程中，同時可以通過觀察機器人三維模型的狀態來檢測機器人是否按照預先設定的方式在運行，例如:機器人運動軌跡，機器人與環境幹涉，機器人與外部時間的同步性等。
[0039]在上述硬體在環仿真環節中，機器人用的外部設備8是包含在仿真系統內的，例如伺服電機，減速器以及機器人負載等，這樣在仿真過程中就可以最大化的模擬出機器人運行時的真實動態響應，例如，如機器人轉動關節的摩擦等真實存在又很難用數值手段模擬的因素就能夠很方便地囊括進仿真系統了。
[0040]具體而言，半物理硬體在環仿真通過數字機器人模型單元5結合包含在仿真系統中的真實機器人上的外部設備8而進行，該外部設備8例如可以是機器人伺服電機，減速器以及機器人負載裝置等，這樣就可以在建立的硬體仿真模型中，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。
[0041]在半物理硬體在環仿真中，機器人控制器I主要負責對機器人驅動系統的控制，這與控制一臺真實的機器人幾乎沒有任何區別，因為真實機器人上所採用的機器人伺服電機和減速器都被包含在模型中了，同時可以根據不同級別的機器人負載設置機器人驅動器的參數，測試模型對不同級別負載的響應。[0042]仿真系統的外部設備8中的減速器可以配置與真實機器人上完全相同的型號，這樣就可以把物理系統中的不確定隨機動力學影響因素包含進去了，例如:轉動關節的摩擦，這主要來自關節軸減速系統；減速系統的效率；減速系統扭矩傳遞的穩定性等。這樣，還可以通過直接辨識的方法得到機器人的真實的動態模型。
[0043]加載在各個關節上的機器人負載裝置所代表的負載也是及其重要的影響系統響應的因素，具體而言，真實機器人在運行過程中，對應各個關節軸上的負載是時變的，因此對於單關節來說，其模型也是時變的。在本發明中，為各個關節配置了可編程的負載，也就是說，在模型運行過程中，這類負載是可以根據預先編制的程序運行的，這樣就可以模擬出機器人在正常運行過程中的負載變化情況，同時也可以實現一些在真實機器人上無法實現的極端負載，這樣也就能夠獲得機器人在這種極端負載情況下所表現出來的性能情況。
[0044]機器人關節對應的動態負載是很難模擬的因素，它將直接影響到關節的減速器的效率，減速器扭矩傳遞穩定性參數等重要參數。為此，給各個關節配置了可編程的負載。通過預先設定仿真路徑，對關節負載進行全程變化編程，實現對動態負載的模擬，甚至可以模擬出一些真實機器人上無法實現的極端變化的負載。在圖3中，動力通過伺服電機11傳遞給減速器12，通過輸出法蘭13連結負載安裝支架16。在安裝支架16上沿周向均布著四個可沿徑向移動的負載15，17。在關節軸沿方向14轉動的過程中，四個負載就按照預編程序移動了。
[0045]總體上，在這兩種模型上的仿真模擬是依靠一個仿真管理單元實現的。數字機器人模型單元5作為單獨的一個模塊，被動態地加載到機器人控制器I中，通過與控制器I的接口實現數據的雙向傳遞，如經過二次處理的軌跡數據等。通過遠程進程控制接口 4，可以將仿真的監控部分實現在通用計算機平臺6之上。通過有好的控制界面，可以非常方便地在兩種仿真模式中進行切換，甚至可以通過中斷的方式，將真實的外部事件直接同步到軟體數字模型的運行當中去。
[0046]通過執行軟體仿真和半物理硬體在環仿真的兩種仿真，系統都會保存大量的運行中機器人數據。這些數據中有一些是比較適合於通過直接觀測而得到結果的，那麼他們將被以圖形的形式直接通過交互界面提供給用戶。另外一部分量比較大，相互間關係比較複雜的數據將被存儲在指定的文件模塊中，通過仿真系統的通用分析平臺接口 9，導出到通用分析工具中去進行進一步的數值分析，如利用Matlab可以對機器人各個關節的動態響應結果，分別放置到時域及頻域中進行研究分析，從而得到各個關節的真實數學模型。
[0047]接下來將結合附圖詳細描述採用本發明的仿真系統進行的具體仿真過程，如圖2所示，仿真過程從開始步驟SI啟動，首先進入步驟S2進行軌跡數據導入處理，導入到軌跡數據可以分為三種類型，一種是導入三維設計或仿真軟體中的機器人軌跡數據，第二種是通過機器人示教器示教的軌跡數據，第三種是通過解析機器人語言程序獲得的軌跡數據；然後進入步驟S3即需要確定是否進行軟體仿真，如果選擇「是」則進入到步驟S4 ;在步驟S4處要對所獲得的軌跡數據進行軌跡二次處理操作，這種處理操作能夠使數據在速度域和加速度域上更加平滑化，以使得處理後的數據在速度域和加速度域上是平滑的，也就是在機器人關節空間中，這兩個域上的值是連續的，從而可以使得機器人的驅動部件只需提供連續變化的扭矩及速度，避免引起不必要的機械振動；二次處理操作完畢後，進入到步驟S5進行軟體仿真，步驟S5完成後，便已經完成了對輸入數據的校驗，同時也對機器人的運行過程中的各種狀態有了先驗知識；然後進入步驟S6選擇是否進行半物理模型硬體在環仿真，如果選擇「是」，則跳轉到S8進行半物理模型硬體在環仿真，此時經過二次處理後的數據直接傳遞給半物理硬體在環仿真直接使用，這樣就可以大大節省仿真所消耗的時間。同時也可以在次過程中過濾出不適合於物理模型的輸入數據，防止由極端輸入指令引起的物理系統的損壞，如果在步驟S6中選擇「否」則進入步驟SlO結束本次仿真任務。
[0048]此外，如果在步驟S3中選擇「否」，即不首先進行軟體仿真，則跳轉到步驟S7首先對軌跡數據進行二次處理操作，然後直接進入步驟S8進行半物理模型硬體在環仿真，步驟S8結束後進入到步驟S9，在步驟S9中需要在得到有效結果後判斷是否要進行軟體仿真，如果選擇「是」則跳轉到步驟S5處進行軟體仿真，如果選擇否，則進入步驟SlO直接結束本次仿真任務。
[0049]從上述仿真流程可以發現，半物理硬體在環仿真可以在起初就進行，也可以是在完成了軟體仿真後再進行的。無論從哪一種方式進行仿真，首先要對軌跡數據進行二次處理以保證輸入軌跡數據的有效性。此外，為了調節仿真效率和仿真精度，機器人控制器I還可以對經過二次處理的軌跡數據進行再次採樣，這樣可以在保持採樣距離不變的情況下，增加採樣周期以提高仿真速度，也可以在保持採樣周期不變的情況下，減小採樣距離，提高仿真精度。
[0050]本發明的一個代表性實施例參照附圖得到了詳細的描述。這些詳細的描述僅僅給本領域技術人員更進一步的相信內容，以用於實施本發明的優選方面，並且不會對本發明的範圍進行限制。僅有權利要求用於確定本發明的保護範圍。因此，在前述詳細描述中的特徵和步驟的結合不是必要的用於在最寬廣的範圍內實施本發明，並且可替換地僅對本發明的特別詳細描述的代表性實施例給出教導。此外，為了獲得本發明的附加有用實施例，在說明書中給出教導的各種不同的特徵可通過多種方式結合，然而這些方式沒有特別地被例舉出來。
【權利要求】
1.一種機器人仿真系統，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式控制單元、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，同時將仿真監控軟體安裝在通用計算機平臺上，其特徵在於:該仿真系統還包括外部設備，其與機器人控制器相連接，外部設備用於進行半物理硬體在環仿真。
2.根據權利要求1所述的機器人仿真系統，其特徵在於: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。
3.根據權利要求2所述的機器人仿真系統，其特徵在於: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體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。
4.根據權利要求3所述的機器人仿真系統，其特徵在於:所述外部設備包括減速器、伺服電機和編碼器。
5.根據權利要求4所述的機器人仿真系統，其特徵在於:該機器人仿真系統還設有時鐘、定時器和採樣計算單元，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。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的機器人仿真系統，其特徵在於: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。
7.根據權利要求6所述的機器人仿真系統，其特徵在於:上述仿真包括兩個層面的仿真，一種為純軟體層面的軟體仿真，第二種是包含半物理模型的硬體在環仿真。
8.根據權利要求7所述的機器人仿真系統，其特徵在於:上述軟體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體仿真，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，所述仿真的軟體前端為三維圖形交互式界面。
9.根據權利要求8所述的機器人仿真系統，其特徵在於:半物理硬體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。
10.一種採用權利要求1-9中任一項所述的機器人仿真系統的仿真方法，具體步驟如下: 仿真過程從開始步驟SI啟動，首先進入步驟S2進行軌跡數據導入處理，導入到軌跡數據可以分為三種類型，一種是導入三維設計或仿真軟體中的機器人軌跡數據，第二種是通過機器人示教器示教的軌跡數據，第三種是通過解析機器人語言程序獲得的軌跡數據；然後進入步驟S3即需要確定是否進行軟體仿真，如果選擇「是」則進入到步驟S4 ;在步驟S4處要對所獲得的 軌跡數據進行軌跡二次處理操作，這種處理操作能夠使數據在速度域和加速度域上更加平滑化，以使得處理後的數據在速度域和加速度域上是平滑的，也就是在機器人關節空間中，這兩個域上的值是連續的，從而可以使得機器人的驅動部件只需提供連續變化的扭矩及速度，避免引起不必要的機械振動；二次處理操作完畢後，進入到步驟S5進行軟體仿真，步驟S5完成後，便已經完成了對輸入數據的校驗，同時也對機器人的運行過程中的各種狀態有了先驗知識；然後進入步驟S6選擇是否進行半物理模型硬體在環仿真，如果選擇「是」，則跳轉到S8進行半物理模型硬體在環仿真，此時經過二次處理後的數據直接傳遞給半物理硬體在環仿真直接使用，這樣就可以大大節省仿真所消耗的時間，同時也可以在次過程中過濾出不適合於物理模型的輸入數據，防止由極端輸入指令引起的物理系統的損壞，如果在步驟S6中選擇「否」則進入步驟SlO結束本次仿真任務；此外，如果在步驟S3中選擇「否」，即不首先進行軟體仿真，則跳轉到步驟S7首先對軌跡數據進行二次處理操作，然後直接進入步驟S8進行半物理模型硬體在環仿真，步驟S8結束後進入到步驟S9,在步驟S9中需要在得到有效結果後判斷是否要進行軟體仿真，如果選擇「是」則跳轉到步驟S5處進行軟體仿真，如果選擇否，則進入步驟SlO直接結束本次仿真任務。
【文檔編號】G05B17/02GK103926847SQ201410185300
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年5月4日 優先權日:2014年5月4日
【發明者】姚庭, 劉會英, 林建林, 鞏相峰, 銀雙貴 申請人:威海正棋機電技術有限公司