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机器人系统仿真

【simulation of robot system】

简介

仿真可以通过交互式计算机图形技术和机器人学理论等，在计算机中生成机器人的几何图形，并对其进行三维显示，用来确定机器人的本体及工作环境的动态变化过程。

在使用的软件中，工作站级的仿真软件功能较全，实时性高且真实性强，可以产生近似真实的仿真画面；而微机级仿真软件随实时性和真实性不高，但具有通用性强、使用方便等优点。目前机器人系统仿真所存在的主要问题是仿真造型与实际产品之间存在误差，需要进一步的研究解决。

发展概况

在许多从事机器人研究的部门都装备有功能较强的机器人仿真软件系统， 它们为机器人的研究提供了灵活和方便的工具。例如， 美国Cornell大学开发了一个通用的交互式机器人图形仿真系统INEFFABELLE，它不是针对某个具体机器人， 而是利用它可以很容易建立所需要的机器人及环境的模型，并且具有图形显示和运动的功能。西德Saarlandes大学开发了一个机器人仿真系统R0BSIM，它能进行机器人系统的分析、综合及离线编程，美国Maryland大学开发了一个机械手设计和分析的工具DYNAMAN， 它能产生机械手的动力学模型，根据需要可以自动产生F0RTRAN 的仿真程序， 同时也可产生符号表示的雅可比矩阵。MIT开发了一个机器人CAD软件包OPTARMⅡ，它可用于时间优的轨迹规划的研究。Michigan大学开发了一个机器人图形编程系统——PROG-RESS， 其特点是菜单驱动和光标控制， 并能有2D图形符号来仿真外界的传感器和执行部件， 以使用户获得更加接近真实的编程环境．

自80年代以来国外已建成了许多用于机器人工作站设计和离线编程的仿真系统，例如美国McAuto公司开发了机器人仿真系统PLACE， 它主要用于机器人工作站的设计；PIRensselaerPolytechnicInstitute）研制了GRASP Calma公司在GRAsP的基础上开发了Robot—SIM 软件，它主要用于工作站设计和机器人选型。通用电气公司的研究开发部对Robot-SIM 进行丁改进工作。Intergraph公司也研制了一个机器人仿真系统，它更加强调机器人的动力学特性和控制系统对精度及整个性能的影响。Computervision公司开发了软件包obographix，它具有产生机器人工作路径、仿真机器人运动及碰撞检测等多种功能。目前它能对8种常用的机器人进行仿真。Autosimu]ations公司研制了两个机器人仿真软件包AutoMod和AutoGram AutoGram是利用GPSS仿真语言的建模软件，AutoMod是图形显示软件。Deneb公司开发了IGRIP软件，它主要用于工作站设计和离线编程 SRI国际部研制了仿真软件包RCODE，它具有几乎实时的碰撞检测功能 西德Kadsruke大学建立了机器人仿真系统ROSI和ROS2。法国LAMM 开发了CARO系统，它主要强调三维数据库设计技术，快速性及能在小机器上运行是其追求的目标。以色列OSHAP公司推出了ROBCAD， 它主要用于工作站设计和离线编程，并能将程序下装到系统内。在以上介绍的软件中．大部分已经商品化，并已在很多生产和研究部获得了广泛应用。

国内从80年代后期起，许多单位也开始从事机器人仿真技术的研究工作。在国家高技术计划自动化领域智能机器凡号题中，清华大学、浙江大学、沈阳自动化所及上海交大等单位承担了机器人系统仿真的研制任务，取得了多项研究成果，本文后面还将对此工作专门介绍。哈工大、北航、国防科大等单位承担了机器人机构仿真的任务，之后也研制成功一个大型的机器人仿真软件。 还有不少单位针对某一具体方面进行了广泛深入的机器人仿真技术的研究。

机器人本身的设计和研究

机器人仿真主要应用在两个方面 一是机器人本身的设计和研究，这里机器人本身包括机器人的机械结构以及机器人的控制系统， 它们主要包括机器人的运动学和动力学分析。各种规划和控制方法的研究等。机器人仿真系统可为这些研究提供灵活和方便的研究工具，它的用户主要是从事机器人设计和研究的部门和高等学校。机器人仿真的第二个方面的主要应用是那些以机器人为主体的自动化生产线，它包括机器人工作站的设计、机器人的选型、离线编程和碰撞检测等。机器人可为此提供既经济又安全的设计和试验的手段，它的用户主要是那些使用机器人的产业部门。目前，用于这方面的机器人仿真系统最常见的ROBCAD和IGRIP。下面以机器人离线编程为例来说明机器人仿真系统的应用。机器人是一种通用机械， 通过重新编程，它可以完成不同的工作任务 当机器人改变工作任务时，通常需中断机器人的当前工作， 先对机器人进行示教编程，然后机器人按照新的程序执行新的工作．若借助于机器人仿真系统就可首先在仿真系统上进行离线编程， 然后将编好的程序装到机器人中，机器人便可按照新的程序执行新的工作， 因此机器人可不必中断当前的工作，从而提高了生产效率，而且这种方法既经济又安全。利用机器人仿真系统进行离线编程在国外已十分普遍，它是机器人仿真系统应用普遍和最典型的例子。