韓志平，李燊，梁亮

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110169）

復合機器人是最近幾年研發(fā)出的一款新型機器人?，F在市場上普遍的應用場景，是由調度系統直接向復合機器人發(fā)送調度任務，來完成調度流程，并且在調度任務之前，還需要示教人員親自到達現場進行示教作業(yè)，從而導致了大量人力和物力的浪費，并且在復雜的現場示教環(huán)境中，很容易發(fā)生安全事故。所以，虛擬仿真現場環(huán)境和離線示教就變得尤為重要。本文基于OSG開源框架，構建了復合機器人在虛擬應用場景的仿真和應用，并且創(chuàng)新性地支持擁有二維激光導航的復合機器人在三維仿真空間內進行虛擬仿真示教，并提供完整的解決方案。

1 復合機器人模型設計

復合機器人是由機械手臂和移動底盤兩大機械結構組成，兩個機械結構控制需要相互配合，共同完成指定調度任務。通過移動底盤可以將復合機器人整體移動到工藝要求的指定站點，實現貨物在應用場景中的水平移動；通過機械手臂可以搬運、抓放貨物，實現貨物空間轉移。

1.1 復合機器人手臂模型設計

復合機器人手臂模型是整個車體模型中最復雜的部分，它不僅需要配置各個關節(jié)的連桿關系，還需要確定復合機器人手臂的原點坐標和手臂的位置。

手臂模型的機械結構。本文使用七軸協作機器人手臂進行模擬仿真，此機械手臂有七個自由度，所以使用手臂模型之前，需要先配置七個關節(jié)的連桿關系和復合機器人初始位置，實現控制各個關節(jié)控制的目的。

運動學模型。手臂基本的運動模式除了關節(jié)運動，還需要提供直線運動，本文采用DH算法求出末端端點，求末端位置算法如下方法。

An+1是DH算法中的變換矩陣，RTH是機器人的基座與手臂之間的總變換。

1.2 移動車體模型設計

本文的車體模型采用的是雙輪差速運動模型，在復合機器人底盤運動仿真中，一方面根據底盤當前位置和目標點位置及設定的速度參數規(guī)劃出線速度v和角速度w，利用雙輪差動運動模型可得左輪和右輪輪速；另一方面，利用給定的速度進行航跡推算，可以計算出下一控制周期時底盤的位姿。

設底盤當前位姿為(xk,yk,qk)，t為控制周期，下一控制周期底盤的位姿為：

2 三維仿真模擬器

仿真系統由復合機器人、柵格地圖和工件及場景裝飾模型實物組成。柵格地圖是由復合機器人使用激光掃描實際場景而創(chuàng)建的，機器人及用戶可以用它進行空間位置的定位，減小模型的位置誤差，本文地圖采用0.05m大小的柵格。

柵格地圖轉換：柵格地圖是二維空間地圖，但是，在二維空間無法對機械手臂進行離線示教，所以，需要柵格地圖坐標向三維空間的世界坐標進行轉化，地圖轉換如下方法。

Dx是左下角x軸方向的柵格數，Dy是左下角y軸方向的柵格數，LeftX是左下角x軸方向位置值，LeftY是左下角y軸方向位置值，PerDot是每個柵格大小。

Lx是世界坐標中x軸方向數值，Lx是世界坐標中y軸方向數值，Column是柵格所在地圖的列數，Row是柵格所在地圖的行數，Scale是世界坐標與地圖坐標比例系數。

柵格地圖中的每個柵格在世界坐標系的x、y軸數值獲取后，將每個柵格放置到z軸數值為0的平面上。

3 仿真系統實現

三維仿真系統是以開源三維圖形渲染引擎OSG作為開發(fā)平臺，結合運用機器人動力學模型、移動機器人車體模型等相關知識，自主設計、基于復合機器人的仿真系統。其主要實現對遠程機器人模擬示教，以完成遠程示教工作，并可完成整個應用場景的構建，包括復合機器人、柵格地圖、工件及場景裝飾模型構建。

仿真系統位于調度系統與復合機器人的中間層。調度系統用作工藝任務的生成和調度，并對拓撲點設置。包括仿真示教模塊、模型設計模塊、三維仿真模擬器和運動控制四大塊功能模塊。運動控制模塊接收到調度系統任務，根據系統任務，移動底盤進行速度規(guī)劃和位置規(guī)劃，機械手臂進行軌跡規(guī)劃。模型設計模塊包括復合機器人算法設計模塊及信息中轉模塊，算法設計模塊包括機械臂運動學模型、車體模型等，信息中轉功能包括模型設計模塊與運動控制模塊、實物復合機器人、仿真模擬器、仿真示教模塊的進行信息交互。三維仿真模擬器包括地圖轉換、三維場景顯示、模型構建等功能模塊，在三維空間的所有操作都在此模塊上進行。

3.1 仿真示教實驗結果對比

仿真示教是仿真系統中最重要的功能，所以，必須保證仿真示教功能的數據準確，做實驗分析驗證連續(xù)多組關節(jié)數據通過機器人正解算法計算出的機械手臂末端位置值在笛卡兒空間內在合理區(qū)間，形成的軌跡平滑。

3.2 虛擬場景呈現

虛擬場景是仿真系統中另一個主要功能實現，它替代了多臺復合機器人、工件及現場裝飾實物，并與調度系統完成了整個場景模擬。如圖1所示，其中一臺復合機器人到達桌子前，將桌子上的一個柱形工件抓起，完整地仿真了整個貨物抓取過程。

圖1 手臂抓取工件

4 結語

隨著復合機器人的廣泛應用，如何提高機器人的使用效率，減少人工的投入，越來越受重視。逼真的復合機器人仿真模型不僅可以免除現場示教的麻煩，而且可以用來驗證機器人控制器算法及調度算法。一個整體的仿真場景可以模擬整個現場的工作場景，代替實物設備，以免在設備實驗中產生損壞，并為遠程監(jiān)控提供立體的展示效果。