一種基於V‑Rep的機器人虛擬示教系統的製作方法

2023-10-10 11:38:54 1

本發明涉及一種機器人虛擬示教系統，特別涉及一種基於v-rep的機器人虛擬示教系統。

背景技術：

機器人示教系統的性能和界面設計直接影響著工業機器人的使用效果，從最早的單一命令輸入到現在的集編程、仿真、測試、系統設置等功能於一身的高度集成系統，在機器人系統中有著舉足輕重的作用。現有的機器人示教系統通常是一組硬體裝置，包括示教盒，手柄等輸入輸出設備，並通過線纜與機器人控制櫃連接實現對機器人的示教和控制。但是這些裝置的開發與生產成本較高，同時線纜也束縛了操作者的工作範圍。

隨著計算機和人機互動技術的發展，同時考慮到生產效率和安全等因素，通過計算機對機器人進行離線控制已成為全世界機器人產業的主流趨勢。現如今，國外許多公司都開發出了自主的機器人離線仿真系統，如：abb公司的離線編程仿真系統abbrobotstudio、kuka公司的主要用於機器人碼垛、物流運輸模擬仿真以及可以模擬示教盒操作的kukasimpro以及fanuc公司的離線編程軟體fanucworks等。但是，以上離線仿真軟體大多只支持自己公司的機器人，不能完全滿足客戶各種各樣的自動化線控制要求，通用性、兼容性、用戶集成性不強。而且，各種系統所支持的機器人程式語言也有較大差異。以上這兩點這給客戶的使用和自主系統開發都帶來了不便。

現在市場上出現了一些具有開放式框架的機器人仿真軟體，為複雜機器人控制系統的開發提供了開源的平臺。同時，各種輸入、輸出設備的種類和功能也逐漸豐富起來，通過數據接口或集成的方式，為豐富系統的功能提供了可能。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服已有技術的缺點，提供一種以具有開放式框架的機器人仿真軟體v-rep作為中間件平臺，實現了具有人機互動功能的無線三維滑鼠的集成，既豐富了系統的示教形式，同時也擺脫了線纜對工作範圍的限制的基於v-rep的機器人虛擬示教系統。

本發明解決上述問題所採用的技術方案是：

本發明的一種基於v-rep的機器人虛擬示教方法，包括以下步驟：

(1)在計算機上安裝vm虛擬機，在vm虛擬機上安裝ubuntu系統，在ubuntu系統中安裝機器人離線仿真軟體v-rep並安裝配置lua-sdl2及其模塊庫，在離線仿真軟體v-rep中存儲示教系統的虛擬示教場景文件，在所述的虛擬示教場景文件中設置有兩個相同的六自由度機器人，一個為可見六自由度機器人，另一個為不可見六自由度機器人，兩個相同的六自由度機器人在世界坐標系下的位置設置為相同，示教場景文件的程序存儲在兩個lua子腳本中，其中一個是存儲示教再現的核心程序的線程子腳本，另一個是存儲了實時逆解的輔助程序的非線程子腳本，所述的線程子腳本中包含三維滑鼠的信號採集、示教再現過程和用戶界面編輯三部分，可見六自由度機器人為實體設置，綁定線程子腳本，另一個設置六自由度機器人為不可見，綁定非線程子腳本；

(2)基於v-rep內置的opengl的自定義用戶界面開發人機互動界面，以對話框的形式呈現，所述的人機互動界面包含了示教過程中鍵入關鍵點位姿以及再現過程中顯示虛擬機器人實時的關節角參數的編輯欄、確定關鍵點和運行的相關按鍵、調整虛擬機器人末端運動靈敏度的滑塊和相關標籤，界面上的任何動作在v-rep中是以信息的形式被api函數截取和調用的，從而控制虛擬機器人末端到達指定位姿；

(3)將三維滑鼠通過無線接收器連接至計算機的usb接口上；

(4)開啟計算機，依次運行vm虛擬機、ubuntu系統以及v-rep軟體，並在虛擬機的界面內設置三維滑鼠與計算機主機斷開連接，與虛擬機建立連接，打開並運行v-rep軟體中預先存儲的虛擬示教場景文件；

(5)v-rep中的虛擬示教場景文件運行後，輸入機器人示教關鍵點的位置坐標；

(6)示教結束後，點擊人機互動界面的運行按鍵，利用預先在lua腳本中編寫好的運動函數，實現可見機器人末端在兩個示教關鍵點之間的運動以再現示教過程；

(7)在再現過程中，線程子腳本和非線程子腳本間信號相互傳遞，非線程子腳本在lua腳本內調用逆解函數以及逆解判斷語句，採用pseudo方法實時逆解計算，在實時逆解計算過程中，判斷逆解是否存在，若不存在逆解時，則輸出提示，逆解計算模型轉為採用阻尼最小二乘方法。

本發明的有益效果是：本發明的系統針對傳統在線示教的成本高、效率低、安全性差等缺點，採取離線示教的方式，除了支持常規的通過示教界面進行示教的方式外，由於是基於開放式的軟體平臺v-rep開發的，故實現了將無線三維滑鼠通過lua-sdl2開源庫集成在v-rep上，使得人可以通過操縱三維滑鼠，直接驅動虛擬場景內的機器人末端運動，如同將機器人末端握在手中，將人的自身感官融入到示教過程中，具有更好的體驗性和交互性。同時，三維滑鼠通過無線接收器連接至計算機，擺脫了傳統線纜連接的限制，使人擁有更大的操作空間。另外，該系統是開放式的系統，不僅僅局限於現有功能，後期還可以根據用戶需要對其功能進行擴充，從而實現對於不同類型機器人，同種機器人不同方式的示教以及相關輔助功能。

附圖說明

圖1是本發明的基於v-rep的機器人虛擬示教系統的硬體組成示意圖；

圖2是本發明的基於v-rep的機器人虛擬示教系統的軟體組成示意圖；

圖3是本發明中人手操縱三維滑鼠運動的示意圖；

圖4是本發明的基於v-rep的機器人虛擬示教系統的工作流程圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施方式和附圖，對本發明做進一步詳細說明。在此，本發明的示意性實施方式及其說明用於解釋本發明，但並不作為對本發明的限定。

如圖1-圖4所示，本發明的基於v-rep的機器人虛擬示教方法，包括以下步驟：

(1)在計算機上安裝vm虛擬機workstation12pro(可以採用12.1.0build-3272444版本)，在vm虛擬機上安裝ubuntu系統(可以採用ubuntu-15.10-desktop-amd64版本，64位)，在ubuntu系統中安裝機器人離線仿真軟體v-rep(可以採用v-repproeduv3.3.1版本,linux64位)並安裝配置lua-sdl2及其模塊庫，在離線仿真軟體v-rep中存儲示教系統的虛擬示教場景文件，在所述的虛擬示教場景文件中設置有兩個相同的六自由度機器人，一個為可見六自由度機器人，另一個為不可見六自由度機器人，兩個相同的六自由度機器人在世界坐標系下的位置設置為相同，示教場景文件的程序存儲在兩個lua子腳本中，其中一個是存儲示教再現的核心程序的線程子腳本，另一個是存儲了實時逆解的輔助程序的非線程子腳本。所述的線程子腳本中包含三維滑鼠的信號採集、示教再現過程和用戶界面編輯三部分。可見六自由度機器人為實體設置，綁定線程子腳本；另一個設置六自由度機器人為不可見，綁定非線程子腳本。

(2)基於v-rep內置的opengl的自定義用戶界面開發人機互動界面，以對話框的形式呈現，所述的人機互動界面包含了示教過程中鍵入關鍵點位姿以及再現過程中顯示虛擬機器人實時的關節角參數的編輯欄、確定關鍵點和運行的相關按鍵、調整虛擬機器人末端運動靈敏度的滑塊和相關標籤。界面上的任何動作，如：點擊按鍵、輸入編輯欄以及滑塊移動，在v-rep中是以信息的形式被api函數截取和調用的，從而控制虛擬機器人末端到達指定位姿。

(3)將三維滑鼠通過無線接收器連接至計算機的usb接口上。

(4)開啟計算機，依次運行vm虛擬機、ubuntu系統以及v-rep軟體，並在虛擬機的界面內設置三維滑鼠與計算機主機斷開連接，與虛擬機建立連接；打開並運行v-rep軟體中預先存儲的虛擬示教場景文件。

(5)v-rep中的虛擬示教場景文件運行後，通過兩種方式輸入機器人示教關鍵點的位置坐標：

作為本發明的一種優選的實施方式：輸入機器人示教關鍵點的位置坐標的步驟為：在v-rep打開的場景文件的lua腳本中，加載lua-sdl2庫並調用庫內的相關函數，人工操縱三維滑鼠，使虛擬場景內的可見機器人末端根據人手的動作移動到指定位姿處。其具體的實現方式為：人為操縱三維滑鼠獲得機器人各軸移動量和轉動量後，採用對各軸量的累加的方式，根據最終累加的結果設定虛擬機器人末端的位姿，從而實現人手對可見機器人末端位姿的連續控制，使可見機器人末端根據人手的平動或轉動相應地移動到指定位姿處。

當然也可以採用通過虛擬示教的人機互動界面，在界面內鍵入可見機器人末端的位置值和姿態角，從而控制虛擬場景內的可見機器人末端直接到達指定位姿。

(6)示教結束後，點擊人機互動界面的運行按鍵，利用預先在lua腳本中編寫好的運動函數，實現可見機器人末端在兩個示教關鍵點之間的運動以再現示教過程。以執行movel指令為例，進行詳細說明如下：利用預先在lua腳本中編寫好的直線運動函數simrmlmovetoposition(其函數參數包括：當前位姿處的速度、加速度，運動過程中的最大速度、加速度、躍度，目標位姿處的位置、姿態、速度，可根據任務要求在程序中提前設定；其函數返回參數包括：函數是否成功運行的標記值，新的位置、姿態、速度、加速度以及仿真剩餘時間，可根據需要選擇性地獲取返回值)，實現可見機器人末端在兩個示教關鍵點之間的直線運動(movel指令)。

(7)在再現過程中，為保證逆解計算的實時性，線程子腳本和非線程子腳本間信號相互傳遞，非線程子腳本在lua腳本內調用逆解函數以及逆解判斷語句，採用pseudo方法實時逆解計算，在實時逆解計算過程中，判斷逆解是否存在，若不存在逆解時，則輸出提示，逆解計算模型轉為採用阻尼最小二乘方法，以保證運行穩定。

逆解計算模型採用pseudo方法可以保證逆解存在時以較快的速度運行。

儘管上面結合附圖對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，並不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬於本發明的保護範圍之內。