喻 敏，李成剛，李富中，王正軍，馬越民

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，但是存在機(jī)器人的控制仿真不具開放性和運(yùn)動(dòng)精度低等問題。世界上主要機(jī)器人生產(chǎn)商都相應(yīng)提供了機(jī)器人編程軟件以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)，同時(shí)隨著對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度關(guān)注度的提高，也相繼出現(xiàn)了各種機(jī)器人標(biāo)定軟硬件設(shè)備。美國(guó)Dynalog公司提供的機(jī)器人單元校正系統(tǒng)DynaCal，可以一次測(cè)量并校準(zhǔn)中心點(diǎn)、連桿長(zhǎng)度、各夾角角度、home點(diǎn)，并減少人為運(yùn)算的時(shí)間和誤差，一般校準(zhǔn)一個(gè)機(jī)器人在20min左右［1］;德國(guó) Teconsult公司提供的測(cè)量校正系統(tǒng)ROSY，利用校準(zhǔn)球和照相機(jī)校準(zhǔn)機(jī)器人。國(guó)內(nèi)在機(jī)器人離線編程仿真領(lǐng)域也進(jìn)行了相關(guān)的研究［2－4］，但是開發(fā)的仿真控制軟件和國(guó)外相比仍有差距。

本文利用OpenGL和MFC在VC6.0平臺(tái)上開發(fā)了工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制及標(biāo)定界面，通過機(jī)器人三維模型的導(dǎo)入，編寫機(jī)器人逆解和軌跡規(guī)劃算法、上位機(jī)與機(jī)器人控制器的通訊程序、坐標(biāo)系標(biāo)定及參數(shù)辨識(shí)程序，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人的離線軌跡規(guī)劃及控制，同時(shí)能夠快速完成機(jī)器人精度分析及標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

1 工業(yè)機(jī)器人模型的引入及參數(shù)設(shè)定

OpenGL是SGI公司為圖形工作站IRIS開發(fā)的一種快速、高質(zhì)量的開放三維圖形程序庫(kù)，而VC6.0繼承了OpenGL的圖形標(biāo)準(zhǔn)，方便了程序設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)三維圖像的顯示。

為在VC界面上實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真，需要導(dǎo)入并顯示機(jī)器人的三維模型。其具體流程圖如圖1所示。

圖1 導(dǎo)入并顯示機(jī)器人的三維模型流程圖

首先對(duì)VC的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，以便在程序中能夠調(diào)用OpenGL函數(shù)。在需要調(diào)用OpenGL函數(shù)的類的頭文件中添加 3個(gè)頭文件:gl.h、glu.h、glaux.h，同時(shí)在 ProjectSettingsLink菜單的 Library編輯框中增加3個(gè)靜態(tài)鏈接庫(kù)文件:opengl32.lib、glu32.lib、glaux.lib。

可借用兩種方法通過OpenGL顯示三維圖形:一種是利用其提供的三維圖形繪制函數(shù)繪制點(diǎn)、線、面組合成三維模型;另一種是先利用其他三維繪圖軟件事先繪制好三維模型，之后利用轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)化成能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別的程序文件。

本文采用第二種方法。首先利用SolidWorks軟件建立工業(yè)機(jī)器人三維模型，利用3DS MAX轉(zhuǎn)化成STL格式的文件，之后利用VIEW3DS將STL文件轉(zhuǎn)化成能夠被VC讀取的.h和.gl文件。接著對(duì)機(jī)器人三維模型的顯示窗口進(jìn)行設(shè)置，此時(shí)在PreCreateWindow函數(shù)中添加下列語(yǔ)句:cs.style=WS_CLIPSIBLINGS|WS_CLIPCHILDREN，同時(shí)增加編寫類成員函數(shù)bSetupPixelFormat(HDC hDC)，重新設(shè)置像素格式、創(chuàng)建著色上下文實(shí)現(xiàn)繪圖環(huán)境的初始化。

為了提高顯示效率，利用OpenGL的雙緩存技術(shù)，此時(shí)繪制函數(shù)繪制的場(chǎng)景先寫入后臺(tái)，當(dāng)需要顯示機(jī)器人三維模型時(shí)，利用 SwapBuffers(m_hDC)交互緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人三維模型的顯示;同時(shí)通過設(shè)置啟用定時(shí)器OnTimer(intnIDEvent)實(shí)現(xiàn)畫面的刷新，達(dá)到動(dòng)畫的顯示效果。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及軌跡規(guī)劃

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，建立了正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。針對(duì)導(dǎo)入的機(jī)器人型號(hào)獲得相關(guān)的D－H參數(shù)，利用連桿矩陣變換方法，得到機(jī)器人末端坐標(biāo)系在基坐標(biāo)系下的位姿矩陣。

機(jī)器人連續(xù)軌跡的離線編程利用機(jī)器人的逆解和軌跡規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)。首先對(duì)末端連續(xù)軌跡進(jìn)行離散得到各個(gè)離散點(diǎn)的位姿矩陣，之后代入逆解程序，求得各個(gè)離散點(diǎn)處機(jī)器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角，同時(shí)要進(jìn)行越限判斷和能量最優(yōu)軌跡的優(yōu)化。

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各連桿的變化顯示，首先設(shè)置好glMatrixMode(GL_MODELVIEW)，再利用 OpenGL的幾何變換函數(shù) glTranslatef()、glRotatef()、glScalef()實(shí)現(xiàn)程序算法對(duì)機(jī)器人的控制。本文實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人直線軌跡規(guī)劃和圓弧軌跡規(guī)劃示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 機(jī)器人連續(xù)直線軌跡規(guī)劃

3 上位機(jī)與機(jī)器人控制器的數(shù)據(jù)通訊

上位機(jī)與機(jī)器人控制器通訊的實(shí)現(xiàn)通常需要用到總線數(shù)據(jù)交換協(xié)議，文獻(xiàn)［5］提供了一種通過EXCOM協(xié)議訪問機(jī)器人控制器數(shù)據(jù)庫(kù)的方法及兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸方式和消息格式。

圖3 機(jī)器人圓弧軌跡規(guī)劃

本文采用串行通信連接器RS232連接PC機(jī)和機(jī)器人的控制器COM1口，在PC端利用VC6.0提供的MSComm控件，通過該串行端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，為人機(jī)交互應(yīng)用程序提供串行通信功能［6］。

串行通信要求兩端的傳輸速度、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)、停止位和奇偶校驗(yàn)方式必須一致，可通過在機(jī)器人控制器端設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，同時(shí)在VC中調(diào)用串口初始化程序:

查閱ABB工業(yè)機(jī)器人控制器的相關(guān)資料，獲得機(jī)器人各關(guān)節(jié)軸絕對(duì)編碼器數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)號(hào)、節(jié)點(diǎn)號(hào)和相應(yīng)的I/O控制端口節(jié)點(diǎn)號(hào)，編制數(shù)據(jù)通訊發(fā)送和接收程序，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)機(jī)器人控制器的控制。

4 末端位置測(cè)量及精度分析模塊

通過串口通訊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)通訊，將測(cè)量裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)軟件中，達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。之后利用精度分析模塊對(duì)機(jī)器人目標(biāo)軌跡和實(shí)際軌跡之間的誤差進(jìn)行在線分析，以便快速了解機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度，同時(shí)為機(jī)器人誤差參數(shù)辨識(shí)及末端位姿誤差補(bǔ)償做準(zhǔn)備。本文得到的精度分析示意圖如圖4所示。通過調(diào)用精度分析模塊，能夠?qū)崟r(shí)地顯示機(jī)器人末端位置和姿態(tài)誤差。

圖4 機(jī)器人末端位置和姿態(tài)誤差

5 坐標(biāo)系的標(biāo)定及誤差參數(shù)辨識(shí)

為了提高機(jī)器人的絕對(duì)定位精度，需要測(cè)量機(jī)器人在某些姿態(tài)下的末端位姿。而測(cè)量裝置測(cè)量得到的位姿數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換為相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，因此涉及到機(jī)器人基坐標(biāo)系和測(cè)量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算，即機(jī)器人基坐標(biāo)系標(biāo)定。同時(shí)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)標(biāo)定塊放置在機(jī)器人末端上，此時(shí)需要考慮工具坐標(biāo)系的標(biāo)定。通過選擇相應(yīng)的標(biāo)定方法，編制對(duì)應(yīng)的標(biāo)定計(jì)算程序，利用上位機(jī)與測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)通訊，即可快速實(shí)現(xiàn)機(jī)器人基坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系的標(biāo)定，其標(biāo)定示意圖如圖5和圖6所示。

圖5 機(jī)器人基坐標(biāo)系標(biāo)定

在圖5和圖6中，Tbc、Tte分別表示機(jī)器人基坐標(biāo)系和測(cè)量坐標(biāo)系之間、機(jī)器人工具坐標(biāo)系和末端坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

圖6 機(jī)器人工具坐標(biāo)系標(biāo)定

在準(zhǔn)確得到基坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系和末端坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系后，通過選擇合適的誤差模型、參數(shù)辨識(shí)方法和末端位姿誤差補(bǔ)償方法，使用編寫的程序能夠快速計(jì)算機(jī)器人的幾何參數(shù)誤差和誤差補(bǔ)償轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的快速標(biāo)定。機(jī)器人幾何參數(shù)辨識(shí)和誤差補(bǔ)償模塊示意圖如圖7和圖8所示。

圖7 機(jī)器人幾何參數(shù)誤差辨識(shí)

圖8 機(jī)器人誤差補(bǔ)償轉(zhuǎn)角求解

6 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制及標(biāo)定整體界面

采用 OpenGL和 MFC，在 VC6.0平臺(tái)上開發(fā)的對(duì)話框界面如圖9所示。

圖9 RobotCAL整體界面

從圖9可以看出，整個(gè)界面還能夠進(jìn)行機(jī)器人流程管理，能實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)信息，標(biāo)記機(jī)器人標(biāo)定的完成情況，同時(shí)能夠在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人和測(cè)量?jī)x的工作情況。為了更好地體現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，增加了點(diǎn)位控制模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)軌跡的控制和一鍵回零操作。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文利用OpenGL和MFC在VC6.0平臺(tái)上開發(fā)了用于工業(yè)串聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和快速標(biāo)定軟件界面。針對(duì)選擇的機(jī)器人型號(hào)，能夠?qū)崟r(shí)顯示機(jī)器人的3D模型、各D－H參數(shù)和轉(zhuǎn)角范圍，運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊利用D－H參數(shù)和連桿變換矩陣計(jì)算機(jī)器人的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，利用直線和圓弧的軌跡規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人連續(xù)直線、圓弧的運(yùn)動(dòng)仿真，利用串口通訊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)分別和測(cè)量裝置、機(jī)器人的通訊。基于測(cè)量裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)編寫的程序能夠快速完成機(jī)器人基坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系的標(biāo)定，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人精度性能分析的實(shí)時(shí)顯示。通過選擇合適的誤差模型、參數(shù)辨識(shí)、誤差補(bǔ)償及機(jī)器人要求達(dá)到的精度，能夠快速完成機(jī)器人的參數(shù)辨識(shí)和誤差補(bǔ)償。

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