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StepRobotSA1400，研究了OpenGL在機(jī)器人仿真系統(tǒng)的應(yīng)用；通過CoDeSys編寫SA1400 PLC控制器程序，基于TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)PC或其他終端與機(jī)器人控制器的通信，實(shí)現(xiàn)了在PC對StepRobotSA1400機(jī)器人進(jìn)行在線控制；同時(shí)通過離線仿真功能，真實(shí)地模擬了實(shí)際機(jī)器人的運(yùn)動情況，預(yù)測和減少了實(shí)體機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的各種問題。

　　關(guān)鍵詞：三維仿真；工業(yè)機(jī)器人；運(yùn)動學(xué)仿真；OpenGL

　　中圖分類號：TP24

　　文獻(xiàn)標(biāo)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(luò)的工業(yè)機(jī)器人的仿真研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（11）：5-7，11.

0引言

　　隨著生產(chǎn)力水平的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人作為先進(jìn)、智能的工業(yè)化設(shè)備的代表,在社會生活的很多方面廣泛應(yīng)用\[1\],尤其利用計(jì)算機(jī)預(yù)先對機(jī)器人及其工作環(huán)境乃至生產(chǎn)過程進(jìn)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(jī)與生產(chǎn)線之前模擬出實(shí)物，縮短生產(chǎn)工期，避免不必要的返工。因此如何精準(zhǔn)、忠實(shí)地在計(jì)算機(jī)界面模擬實(shí)際機(jī)器人的生產(chǎn)過程、所在的工作環(huán)境已經(jīng)成為機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)突出問題。除此之外，在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域還存在另一個(gè)較為嚴(yán)峻的問題：一般的機(jī)器人控制器多以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人內(nèi)部控制為主要目的，缺乏與外界設(shè)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(jī)器人本身進(jìn)行遠(yuǎn)程指令下發(fā)、監(jiān)控。

　　如果基于通用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和目前成熟的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，仿真系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)接收機(jī)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(jī)器的研發(fā)成本，并極大地提高控制機(jī)器人的便利性，因此開發(fā)一種基于網(wǎng)絡(luò)可遠(yuǎn)程控制的機(jī)器人仿真軟件是十分必要的。

　　本文構(gòu)建了一個(gè)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(jī)器人運(yùn)動仿真及在線控制軟件。本文將對在MFC下利用OpenGL實(shí)現(xiàn)三維顯示及運(yùn)動學(xué)建模等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究說明。最后簡要闡述了基于通用的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與機(jī)器人仿真軟件相結(jié)合的一個(gè)應(yīng)用實(shí)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(gè)成熟而久負(fù)盛名的跨平臺的計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)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(chǔ)類庫實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互功能。以下簡單介紹應(yīng)用OpenGL和MFC實(shí)現(xiàn)三維圖形軟件的過程。

　?。?）開發(fā)環(huán)境配置：應(yīng)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(gè)文件。在開發(fā)本程序時(shí)，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(shí)現(xiàn)對鼠標(biāo)、鍵盤的消息進(jìn)行響應(yīng)以及繪制三維圖形\[2\]。

　?。?）設(shè)置像素格式的結(jié)構(gòu)和參數(shù)

　　①填充 PIXELFORMATDESCRIPTOR 結(jié)構(gòu)設(shè)置像素格式。

　?、谟肅hoosePixelFormat()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(gè)最佳匹配的像素格式索引。

　　③調(diào)用SetPixelForlnat用格式索引iPixelFormat來設(shè)置hdc的像素格式。

　　（3）設(shè)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(gè)設(shè)備描述表。Windows的設(shè)備描述表被定義為hDC。DC將窗口連接到GDI(圖形設(shè)備接口)。而RC將OpenGL連接到DC。

　　（4）添加響應(yīng)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(jī)器人三維模型及繪制其工作環(huán)境\[34\]。

　?。?）建立消息映射和命令傳遞。

　　（6）定義場景（包括機(jī)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(shí)這些元件則由更小的細(xì)節(jié)組成，這些細(xì)節(jié)均可通過OpenGL以及glut所提供的基本點(diǎn) 、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(shí)現(xiàn)，將每個(gè)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(shí)現(xiàn)控件值與上述函數(shù)參數(shù)（如位置、姿態(tài)、每個(gè)關(guān)節(jié)的角度）的綁定；登記按鈕或鼠標(biāo)等命令消息，在對應(yīng)的消息處理函數(shù)中通過

　　重繪函數(shù)DrawStepRoot()對機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行更新\[45\]。

　　機(jī)器人本體和機(jī)器人仿真模型如圖1和圖2所示。

2在Windows下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)

　　本文所搭建的仿真軟件是以SA1400機(jī)器人本體為客戶端，而以其他設(shè)備為服務(wù)端。目的是實(shí)現(xiàn)一臺支持TCP/IP協(xié)議的終端盡最大的可能對多臺機(jī)器進(jìn)行操控。

　　在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，因?yàn)閷?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(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)角為例，服務(wù)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(shí),服務(wù)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(jī)器人進(jìn)行控制,妨礙用戶界面上的操作和結(jié)果的顯示。

　　（3）用Send()函數(shù)向機(jī)器人本體傳輸數(shù)據(jù)

　　對應(yīng)機(jī)器人的6個(gè)關(guān)節(jié)角，定義了一個(gè)長度為6的浮點(diǎn)型數(shù)組，通過send()函數(shù)與機(jī)器人本體通信。具體為在消息響應(yīng)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(dāng)僅僅只需要更新一個(gè)關(guān)節(jié)角度值時(shí)，則另外5個(gè)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(jī)器人的6個(gè)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(yīng)更多類型數(shù)據(jù)的傳輸，本系統(tǒng)做了如下的設(shè)計(jì)，定義發(fā)送數(shù)據(jù)包格式如圖3。

　　關(guān)節(jié)ID：表明當(dāng)前接收的數(shù)據(jù)適用于第n個(gè)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(wù)器而言，SA1400在接收數(shù)據(jù)時(shí)，服務(wù)器解析第一個(gè)字段ID，確定需要更新第n個(gè)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(jī)器人做出相應(yīng)的狀態(tài)改變。

　　基于MFC的多線程流式Socket方式的通信設(shè)計(jì)以及對發(fā)送數(shù)據(jù)包的改進(jìn)不僅能有效地實(shí)現(xiàn)一個(gè)終端對多臺機(jī)器人的控制，同時(shí)在發(fā)送數(shù)據(jù)量減少4倍的情況下，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人多種狀態(tài)的更新。

3機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模

　　研究工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的運(yùn)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(dǎo)數(shù)；選擇合適的方法確定機(jī)器人的連桿參數(shù)，以及對機(jī)器人進(jìn)行工作空間規(guī)劃則有助于減小機(jī)器人三維尺寸，提高機(jī)器人的運(yùn)行效率\[6\]。

　　為了描述連桿坐標(biāo)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(jī)器人的每個(gè)連桿上都固定一個(gè)坐標(biāo)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(dǎo)出末端執(zhí)行器相對于基坐標(biāo)系的位姿，從而建立機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程\[7\]。

　　實(shí)現(xiàn)方法如下：

　　對機(jī)器人,如圖4所示,采用DH參數(shù)法進(jìn)行建模，得到關(guān)于SA1400機(jī)器人的DH坐標(biāo)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DH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(yùn)動都是相對于當(dāng)前坐標(biāo)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(jī)器人各關(guān)節(jié)角度計(jì)算出來的末段執(zhí)行器的姿態(tài)和位置，也就是SA1400機(jī)器人正運(yùn)動學(xué)方程的建立過程。與之相反的是機(jī)器人逆運(yùn)動方程的建立，即已知末端位姿求出各個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度。

　　對于機(jī)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(shí)時(shí)控制，而且計(jì)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(gè)關(guān)節(jié)變量的值。計(jì)算過程可用下述等式表示：

4應(yīng)用實(shí)例

　　本文構(gòu)建的基于網(wǎng)絡(luò)和StepRobotSA1400工業(yè)機(jī)器人的仿真系統(tǒng)基本上能模擬真正機(jī)器人所實(shí)現(xiàn)的功能，圖6為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)變量J1~J6為0時(shí)，機(jī)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(shí)，機(jī)器人仿真軟件的仿真結(jié)果。

　　可以從圖6、圖7中的正運(yùn)動學(xué)求解模塊中輸入轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)變量獲得機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿矩陣，也可以在逆運(yùn)動學(xué)求解模塊中設(shè)定末端執(zhí)行器的位姿矩陣，求得6個(gè)關(guān)節(jié)變量的角度值并在仿真界面中顯示。當(dāng)所求逆運(yùn)動學(xué)解或輸入關(guān)節(jié)角度超過關(guān)節(jié)范圍時(shí)（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(jìn)行該設(shè)計(jì)，當(dāng)關(guān)節(jié)超限時(shí)，機(jī)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(jī)器人本體的損壞。

　　機(jī)器人模型所對應(yīng)的狀態(tài)

5結(jié)束語

　　本文構(gòu)建了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)機(jī)器人的仿真及在線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用OpenGL搭建了機(jī)器人本體仿真模型，避免了調(diào)試過程中對機(jī)器人本體可能造成的損傷；同時(shí)引進(jìn)在線控制功能，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包做了進(jìn)一步的優(yōu)化，減少了網(wǎng)絡(luò)的通信量，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控，證明了仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)合的可行性。

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