工业机器人离线编程仿真平台的研究与实现

现代计算机软硬件技术、计算机图形技术高速发展，以及数字仿真技术的广泛应用，为工业机器人离线编程技术的实际应用提供了有利条件。同时，现代生产的高效率、柔性化需求也促使了工业机器人离线编程软件产品的产生。机器人离线编程系统，是利用计算机图形学技术，建立起机器人及其工作环境的模型，利用机器人语言及相关算法，通过对图形的控制和操作在离线的情况下进行轨迹规划。离线编程技术具有传统的在线示教技术无法比拟的优势，比如：可减少停机时间、可提前验证作业程序，进行复杂的轨迹规划等。 国外的机器人离线编程软件功能已经很强大，但是只是针对特有的机器人，还不能做到像办公软件那样通用化。新松机器人公司是国内为数不多的具有自主开发工业机器人能力的公司之一，已成功开发了多款工业机器人产品，为开发自己的离线编程软件提供了客观条件，也提出了客观需求。以此为背景，本文按照软件工程的设计思想，设计了离线编程软件的框架，详细阐述了各个模块的设计原理、运行流程，对涉及到的关键技术问题，从理论、实践两个方面做了较为详细的介绍。最后，针对各个功能做了验证工作。离线编程软件系统，首先需要一个虚拟的3D仿真环境，通过该虚拟仿真环境，显示机器人的运动效果，同时为作业编程点的获取提供可视化的环境。为了提高虚拟仿真的真实程度，需要实现碰撞检测功能，并且精度和速度都要满足要求。为了便于操纵虚拟机器人，需要一个模拟示教盒的软件，以及虚拟控制器软件。为了实现多个软件之间的协作，需要传递控制流与数据流数据。 本文主要解决了整个离线编程软件系统开发过程中遇到的下列问题： (1)3D图形仿真环境的建立。本设计采用了OpenGL作为底层的图形API，并对图形显示模块做了封装，提供一组简单、方便的接口。 (2)数据结构的定义和资源管理。涉及到图形资源、抽象的仿真对象资源。为了实现多个类型的机器人能在同一仿真环境下运行，需要建立一个机器人类型库，采用了基于“抽象工厂设计”这种设计模式解决这个问题。 (3)基于3D空间的碰撞检测技术。主要采用了基于AABB包围盒和分离轴检测的技术(SAT)，实现两级计算，先粗后精。 (4)仿真环境和实际环境之间的工件标定技术。 (5)虚拟作业的建立。包括根据矩阵方法用鼠标选取操作来获取示教点，设计虚拟示教盒软件，生成作业文件。 (6)多个软件之间的通信及协议制定。