洪惠超，鄭力新，謝煒芳
(工業(yè)智能化技術(shù)與系統(tǒng)福建省高校工程研究中心，福建 泉州 362021)
摘要：依托StepRobotSA1400，研究了OpenGL在機器人仿真系統(tǒng)的應用；通過CoDeSys編寫SA1400 PLC控制器程序，基于TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)PC或其他終端與機器人控制器的通信，實現(xiàn)了在PC對StepRobotSA1400機器人進行在線控制；同時通過離線仿真功能，真實地模擬了實際機器人的運動情況，預測和減少了實體機器人在實際運行中出現(xiàn)的各種問題。
關(guān)鍵詞：三維仿真；工業(yè)機器人；運動學仿真；OpenGL
中圖分類號：TP24
文獻標識碼：A36
DOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.11.002
引用格式：
洪惠超，鄭力新，謝煒芳.基于網(wǎng)絡的工業(yè)機器人的仿真研究［J］.微型機與應用，2017,36（11）：5-7，11.
0引言
隨著生產(chǎn)力水平的不斷進步和科學技術(shù)的飛速發(fā)展,工業(yè)機器人作為先進、智能的工業(yè)化設備的代表,在社會生活的很多方面廣泛應用\[1\],尤其利用計算機預先對機器人及其工作環(huán)境乃至生產(chǎn)過程進行仿真可以得到很好的輔助效果。通過系統(tǒng)仿真，可以在制造單機與生產(chǎn)線之前模擬出實物，縮短生產(chǎn)工期，避免不必要的返工。因此如何精準、忠實地在計算機界面模擬實際機器人的生產(chǎn)過程、所在的工作環(huán)境已經(jīng)成為機器人技術(shù)的一個突出問題。除此之外，在工業(yè)機器人的應用領域還存在另一個較為嚴峻的問題：一般的機器人控制器多以實現(xiàn)機器人內(nèi)部控制為主要目的，缺乏與外界設備的信息交換能力。用戶不能以一種有效的手段動態(tài)地對機器人本身進行遠程指令下發(fā)、監(jiān)控。
如果基于通用的網(wǎng)絡技術(shù)和目前成熟的計算機圖形技術(shù)，仿真系統(tǒng)能夠?qū)崟r接收機器人控制器發(fā)來的狀態(tài)數(shù)據(jù),動態(tài)地以三維模擬方式顯示或者將數(shù)據(jù)存儲起來以備將來分析,那么則可以降低機器的研發(fā)成本，并極大地提高控制機器人的便利性，因此開發(fā)一種基于網(wǎng)絡可遠程控制的機器人仿真軟件是十分必要的。
本文構(gòu)建了一個在Visual Studio所提供的MFC框架下引入OpenGL圖形程序接口技術(shù)、基于TCP/IP通信協(xié)議開發(fā)的機器人運動仿真及在線控制軟件。本文將對在MFC下利用OpenGL實現(xiàn)三維顯示及運動學建模等關(guān)鍵技術(shù)進行研究說明。最后簡要闡述了基于通用的網(wǎng)絡通信技術(shù)與機器人仿真軟件相結(jié)合的一個應用實例。
1在MFC（Microsoft Foundation Classes）下的OpenGL三維顯示技術(shù)
OpenGL是由SGI公司所開發(fā)的一個成熟而久負盛名的跨平臺的計算機圖形應用程序接口規(guī)范，其高效、功能完善、支持幾乎所有現(xiàn)有的主流操作系統(tǒng)平臺。本文采用OpenGL2.0版本結(jié)合微軟基礎類庫實現(xiàn)系統(tǒng)的人機交互功能。以下簡單介紹應用OpenGL和MFC實現(xiàn)三維圖形軟件的過程。
?。?）開發(fā)環(huán)境配置：應用OpenGL和MFC開發(fā)三維圖形軟件需要用到opengl32.dll和glu.dll這兩個文件。在開發(fā)本程序時，還使用了glut庫，在程序中，可以利用glut提供的各種庫函數(shù)來實現(xiàn)對鼠標、鍵盤的消息進行響應以及繪制三維圖形\[2\]。
?。?）設置像素格式的結(jié)構(gòu)和參數(shù)
①填充 PIXELFORMATDESCRIPTOR 結(jié)構(gòu)設置像素格式。
②用ChoosePixelFormat()函數(shù)比較傳來的像素格式描述和OpenGL支持的像素格式,返回一個最佳匹配的像素格式索引。
③調(diào)用SetPixelForlnat用格式索引iPixelFormat來設置hdc的像素格式。
?。?）設置著色描述表：OpenGL的著色描述表定義為hRC。為了讓程序能夠繪制窗口，還需要創(chuàng)建一個設備描述表。Windows的設備描述表被定義為hDC。DC將窗口連接到GDI(圖形設備接口)。而RC將OpenGL連接到DC。
?。?）添加響應WM_PAINT消息的消息處理函數(shù)OnPaint，在函數(shù)OnPaint函數(shù)體中建立機器人三維模型及繪制其工作環(huán)境\[34\]。
?。?）建立消息映射和命令傳遞。
?。?）定義場景（包括機器人和其工作環(huán)境）重繪函數(shù)DrawStepRoot()，在DrawStepRobot()函數(shù)中需要繪制包括氣缸 、活塞、上下平臺和鉸鏈等元件，繪制時這些元件則由更小的細節(jié)組成，這些細節(jié)均可通過OpenGL以及glut所提供的基本點 、線 、多邊形的繪制函數(shù)繪制而成；關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間的相對旋轉(zhuǎn)則可以分別由OpenGL中的glTranslatef()函數(shù)所實現(xiàn)，將每個關(guān)節(jié)角作為函數(shù)傳入glTranslatef()中，通過DDX_(對話數(shù)據(jù)交換函數(shù))實現(xiàn)控件值與上述函數(shù)參數(shù)（如位置、姿態(tài)、每個關(guān)節(jié)的角度）的綁定；登記按鈕或鼠標等命令消息，在對應的消息處理函數(shù)中通過
重繪函數(shù)DrawStepRoot()對機器人的狀態(tài)進行更新\[45\]。
機器人本體和機器人仿真模型如圖1和圖2所示。
2在Windows下網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)
本文所搭建的仿真軟件是以SA1400機器人本體為客戶端，而以其他設備為服務端。目的是實現(xiàn)一臺支持TCP/IP協(xié)議的終端盡最大的可能對多臺機器進行操控。
在實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，因為對數(shù)據(jù)的可靠性和完整性均有極高的要求，基于此，此處選擇了多線程流式Socket方式。
以傳輸機器人6個關(guān)節(jié)角為例，服務器程序?qū)崿F(xiàn)如下：
?。?）在OnInitDialog()函數(shù)中添加用于初始化和建立套接字的代碼，用listen()和Accept()函數(shù)監(jiān)聽客戶端請求。
?。?）創(chuàng)建線程對象 pThread用于接收客戶端的連接請求：
CThread*pThread=(CThread*)AfxBeginThread(RUNTIME_CLASS(CThread));
這時,服務器方通信的初始化完成,創(chuàng)建新的線程，避免由于通信造成主程序阻塞而不能對機器人進行控制,妨礙用戶界面上的操作和結(jié)果的顯示。
?。?）用Send()函數(shù)向機器人本體傳輸數(shù)據(jù)
對應機器人的6個關(guān)節(jié)角，定義了一個長度為6的浮點型數(shù)組，通過send()函數(shù)與機器人本體通信。具體為在消息響應函數(shù)中加入如下代碼：
send (app>ClientSock, (char*)(data), 24, 0)；
這種方法的不足之處是當僅僅只需要更新一個關(guān)節(jié)角度值時，則另外5個關(guān)節(jié)角度也需要同步更新，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量由本來的4 B變?yōu)榱?4 B；以及只能傳輸機器人的6個關(guān)節(jié)角度，而對于速度等其余數(shù)據(jù)則需要另行定義。
為了避免這種情況的出現(xiàn)以及適應更多類型數(shù)據(jù)的傳輸，本系統(tǒng)做了如下的設計，定義發(fā)送數(shù)據(jù)包格式如圖3。
關(guān)節(jié)ID：表明當前接收的數(shù)據(jù)適用于第n個關(guān)節(jié)。
指示執(zhí)行動作類型：表明關(guān)節(jié)ID將做何種狀態(tài)改變，如速度、旋轉(zhuǎn)角度等。
數(shù)據(jù)字段：指明了關(guān)節(jié)ID執(zhí)行動作的改變量，如速度改變量、旋轉(zhuǎn)角度改變量等。
對于服務器而言，SA1400在接收數(shù)據(jù)時，服務器解析第一個字段ID，確定需要更新第n個關(guān)節(jié)角后，解析指示執(zhí)行動作類型字段以及數(shù)據(jù)字段，由此機器人做出相應的狀態(tài)改變。
基于MFC的多線程流式Socket方式的通信設計以及對發(fā)送數(shù)據(jù)包的改進不僅能有效地實現(xiàn)一個終端對多臺機器人的控制，同時在發(fā)送數(shù)據(jù)量減少4倍的情況下，實現(xiàn)了機器人多種狀態(tài)的更新。
3機器人運動學建模
研究工業(yè)機器人運動學的運動特性，就是研究各連桿的速度、加速度、位置變量的所有高階導數(shù)；選擇合適的方法確定機器人的連桿參數(shù)，以及對機器人進行工作空間規(guī)劃則有助于減小機器人三維尺寸，提高機器人的運行效率\[6\]。
為了描述連桿坐標系之間的關(guān)系，Denavit 和Hartenberg提出一種通用的方法，這種方法在機器人的每個連桿上都固定一個坐標系，用4×4的齊次變換矩陣來描述相鄰兩連桿的空間關(guān)系。通過依次變換可最終推導出末端執(zhí)行器相對于基坐標系的位姿，從而建立機器人的運動學方程\[7\]。
實現(xiàn)方法如下：
對機器人,如圖4所示,采用DH參數(shù)法進行建模，得到關(guān)于SA1400機器人的DH坐標系，如圖5所示。
其中圖5中參數(shù)an表示連桿長度； dn為移動關(guān)節(jié)移動變量。
根據(jù)圖5可得關(guān)于SA1400的DH參數(shù),如表1所示。其中θn為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)變量,αn是兩關(guān)節(jié)軸扭角。
由于所有的運動都是相對于當前坐標系而言的，因此，總的變換矩陣A等于各變換矩陣右乘。
將表1參數(shù)代入式（1），從而得到A1、A2、A3、A4、A5、A6。
可得連續(xù)的連桿變換為：
所求T中的參數(shù)nx、ny、nz、ox、oy、oz、px、py、pz即為根據(jù)機器人各關(guān)節(jié)角度計算出來的末段執(zhí)行器的姿態(tài)和位置，也就是SA1400機器人正運動學方程的建立過程。與之相反的是機器人逆運動方程的建立，即已知末端位姿求出各個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度。
對于機器人求逆解的方法有多種，最常用的方法是封閉解法，采用該方法不僅便于實時控制，而且計算速度快且效率高。封閉解法包含代數(shù)、幾何兩種解法。此處采用一種系統(tǒng)化的代數(shù)解法。具體過程如下：如式（2）所示，已知nx、ny、nz、ox、oy、oz、px、py、pz，而A1、A2、A3、A4、A5、A6則為未知矩陣，其中所含的未知變量為θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6。用未知的連桿的逆變換左乘方程的兩端，把關(guān)節(jié)變量分離出來，從而求出解，按照這種方法讓矩陣左右兩邊的元素相等便可求出各個關(guān)節(jié)變量的值。計算過程可用下述等式表示：
4應用實例
本文構(gòu)建的基于網(wǎng)絡和StepRobotSA1400工業(yè)機器人的仿真系統(tǒng)基本上能模擬真正機器人所實現(xiàn)的功能，圖6為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)變量J1~J6為0時，機器人仿真軟件的仿真結(jié)果；圖7為J1~J2為0、J3=30°、J4~J6為0時，機器人仿真軟件的仿真結(jié)果。
可以從圖6、圖7中的正運動學求解模塊中輸入轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)變量獲得機器人末端執(zhí)行器的位姿矩陣，也可以在逆運動學求解模塊中設定末端執(zhí)行器的位姿矩陣，求得6個關(guān)節(jié)變量的角度值并在仿真界面中顯示。當所求逆運動學解或輸入關(guān)節(jié)角度超過關(guān)節(jié)范圍時（關(guān)節(jié)角度范圍如表1所示），則程序?qū)棾鼍骓撁妫ㄈ鐖D8所示），若沒有對其進行該設計，當關(guān)節(jié)超限時，機器人的末端執(zhí)行器將可能對地板等硬物產(chǎn)生撞擊，造成機器人本體的損壞。
機器人模型所對應的狀態(tài)
5結(jié)束語
本文構(gòu)建了一個基于網(wǎng)絡的工業(yè)機器人的仿真及在線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用OpenGL搭建了機器人本體仿真模型，避免了調(diào)試過程中對機器人本體可能造成的損傷；同時引進在線控制功能，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包做了進一步的優(yōu)化，減少了網(wǎng)絡的通信量，實現(xiàn)對機器人的遠程監(jiān)控，證明了仿真技術(shù)和網(wǎng)絡通信結(jié)合的可行性。
參考文獻
?。?］ 郭青陽.基于KUKA工業(yè)機器人的定位誤差補償方法的研究\[D\].長春:長春工業(yè)大學，2016.
?。?］ 董天平,馬燕,劉倫鵬.基于OpenGL的工業(yè)化機器人仿真研究\[J\].重慶師范大學學報(自然科學版),2013,30(2): 6064.
［3］ 李春雨. 計算機圖形學及實用編程技術(shù)\[M\]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2009.
?。?］ 馮勝強, 胡繩蓀, 申俊琦. 基于UG的弧焊機器人模型裝配與運動仿真\[J\]. 天津大學學報, 2009, 42(6):518522.
?。?］ 祁若龍, 周維佳, 劉金國,等. VC平臺下機器人虛擬運動控制及3D運動仿真的有效實現(xiàn)方法\[J\]. 機器人, 2013, 35(5):594599.
?。?］ CRAIG J J.機器人學導論(第3版)\[M\].贠超，譯.北京：機械工業(yè)出版社, 2006.
?。?］ DENAVIT J, HARTENBERG R S. A kinematic notation for lowerpair mechanisms based on matrices\[J\]. Trans.of the Asme. Journal of Applied Mechanics, 1955(22):215221.