一种基于三维模型的机器人可视化虚拟示教系统及方法与流程

本发明属于工业机器人技术领域，更具体地，涉及一种基于三维模型的机器人可视化虚拟示教系统及方法。

背景技术：

工业机器人系统主包括机械本体、伺服驱动、控制系统和示教器；其中示教器作为上位机，是工业机器人系统的人机交互工具，操作人员可通过示教器查看和更改机器人的参数、位姿、速度、加速度和运行模式等信息，还能通过手动示教和加载程序的方式操控机器人运动，编程工作主要在示教器中完成。

目前工业机器人主要有两种编程方式：一种是示教-再现型编程，一种是离线编程；示教-再现型编程方法的缺陷在于：通过按键控制机器人运动只能控制一个轴或一个方向的运行，不能自由的到达空间任意示教目标点；而且示教过程中只能观察到枯燥的数据，无法形象的观察模型的运动状态，示教过程全凭经验和肉眼观察，无法准确确定工具末端点是否与环境发生碰撞；另一方面，由于示教编程只能进行简单的点位示教，难以满足复杂的焊接、装配等工作要求；而且，由于示教状态下机器人必须脱离生产，示教过程将占用大量实体机器人的工作时间，效率低下。

离线编程方法虽能完成脱离实际工作环境进行编程，很好的解决示教-再现型编程方法的不足，但仍然存在以下不足：离线编程方法一般均基于商业化的大型离线编程软件，价格高昂，配置专业的离线编程软件会增加生产成本；离线编程软件规模较大，一般基于大型工作站或pc端，对硬件的要求高，对嵌入式平台的支持不够，可移植性较差；离线编程软件提供的功能繁多，操作流程复杂，需要配备专业的技术人员，无形中又增加企业成本。

随着机器人应用范围的扩大和任务复杂性提高，而现有编程方法存在上述不足，对基于机器人三维模型可视化虚拟示教方法具有了需求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于三维模型的机器人可视化虚拟示教系统及方法，其目的在于实现机器人示教编程过程可视化，并提高可移植性。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于三维模型的机器人可视化虚拟示教系统，包括三维仿真模块、运动控制模块、程序编辑模块和通信模块；

其中，三维仿真模块的输入端与运动控制模块的输出端相连，程序编辑模块的输入端与三维仿真模块的第一输出端相连；通信模块的第一输入端与三维仿真模块的第二输出端相连，通信模块的第二输入端与程序编辑模块的输出端相连，通信模块的输出端用作与外部机器人之间的通信接口；

其中，运动控制模块用于根据用户输入的关节角或位姿信息，利用机器人正逆解运动算法和轨迹规划算法，对机器人末端的运功轨迹进行规划；三维仿真模块用于根据运动控制模块输出的模型驱动信号，进行模型显示、场景刷新和运动仿真，根据仿真结果输出模型位姿信息；程序编辑模块用于将该模型位姿信息作为目标示教点来编辑机器人作业程序，并记录视角点示教目标点，该示教目标点通过通信模块下发给外部的机器人本体控制器，驱动机器人本体运动；通信模块用于接收模型位姿信息和机器人作业程序，并发送到外部待示教的机器人。

优选的，上述的机器人可视化虚拟示教系统，三维仿真模块采用openscenegraph三维图形显示技术在qt窗体中实时显示机器人三维模型与环境模型，并根据运动控制模块发送的模型驱动通过openscenegraph三维图形接口处理，实现在该qt窗体内对机器人三维模型进行选中、自由拖动并同步显示机器人三维模型的状态，并将机器人三维模型的位姿信息下发给通信模块；其中，qt是指一种跨平台图形用户界面应用程序开发框架，openscenegraph是指一种开放源码的跨平台的图形开发包。

优选的，上述的机器人可视化虚拟示教系统，还包括人机交互模块；人机交互模块与三维仿真模块、运动控制模块、程序编辑模块相连；用于显示机器人三维模型、环境模型和机器人三维模型的位姿数据，并用于接收操控者输入的操控信息，下发到程序编辑模块。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于三维模型的机器人可视化虚拟示教方法，具体包括如下步骤：

(1)基于六轴机器人运动学d-h参数模型建立机器人三维模型的位姿关系；

(2)利用openscenegraph函数库将机器人三维模型和环境模型导入到基于qt平台建立人机交互界面；

(3)通过在人机交互界面中拖动场景中的机器人三维模型或指定目标位置点，使机器人三维模型运动到场景中的示教目标点；

(4)将上述的示教目标点位置信息发送到待示教的机器人的控制器，通过该控制器驱动机器人本体运动到实际示教目标点。

优选地，上述基于三维模型的机器人可视化虚拟示教方法，通过保存的示教目标点生成机器人作业程序，将所述机器人作业程序加载到拟示教的机器人来实现示教再现。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的机器人可视化虚拟示教系统及方法，基于qt和openscenegraph平台，在openscenegraph平台搭建可视化虚拟示教系统，导入机器人三维模型与环境模型，并与外部机器人进行通信，通过拖动机器人三维模型或指定示教目标点，调整机器人三维模型在三维场景中的位姿关系，实现驱动机器人本体的关节运动；由于是通过拖动场景中的机器人三维模型或者设置机器人三维模型运动的目标点来控制机器人多个轴或多个方向的运行以达到准确的示教点位置，因此具有操作简单的特点，不必像传统的示教-再现编程的方法那样，只能控制机器人运动只能控制一个轴或一个方向的运行，靠肉眼观察，反复的调整才能达到示教点位置；

(2)本发明提供的机器人可视化虚拟示教系统及方法，在三维场景中进行虚拟示教，将机器人三维模型和环境模型导入到场景中，将虚拟示教点的位姿信息与编辑程序进行整合，完成机器人作业编程，可以形象的观察机器人与环境模型的位置关系，而不必面对枯燥的数据；

(3)本发明提供的机器人可视化虚拟示教系统及方法，通过在场景中设置机器人三维模型的禁入区，可避免机器人三维模型与环境模型发生碰撞，示教的安全性高；

(4)本发明提供的机器人可视化虚拟示教系统及方法，基于开源的跨平台的qt和openscenegraph，能实现嵌入式平台的移植，可移植性优于现有的离线编程方法。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于三维模型的机器人可视化虚拟示教系统的功能框图；

图2是本发明实施例提供的基于三维模型的机器人可视化虚拟示教系统的人机交互模块的界面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的机器人可视化虚拟示教系统及方法，基于qt和openscenegraph平台，在openscenegraph平台搭建可视化虚拟示教系统，导入机器人三维模型与环境模型，并与外部机器人进行通信，通过拖动机器人三维模型或指定示教目标点，调整机器人三维模型在三维场景中的位姿关系，实现驱动机器人本体的关节运动，在三维场景中进行虚拟示教，将虚拟示教点的位姿信息与编辑程序进行整合，完成机器人作业编程；通过将示教点位信息下发给机器人控制器，驱动机器人本体运动到实际的示教目标点。

实施例提供的基于三维模型的机器人可视化虚拟示教系统，其功能框图如图1所示，包括三维仿真模块、运动控制模块、程序编辑模块、通信模块和人机交互模块；

其中，三维仿真模块的输入端与运动控制模块的输出端相连，程序编辑模块的输入端与三维仿真模块的第一输出端相连；通信模块的第一输入端与三维仿真模块的第二输出端相连，通信模块的第二输入端与程序编辑模块的输出端相连，通信模块的输出端用作与外部机器人之间的通信接口；人机交互模块与三维仿真模块、运动控制模块、程序编辑模块相连；

其中，运动控制模块用于根据用户输入的关节角或位姿信息，利用机器人正逆解运动算法和轨迹规划算法，对机器人末端的运功轨迹进行规划；三维仿真模块用于根据运动控制模块输出的模型驱动信号，进行模型显示、场景刷新和运动仿真，根据仿真结果输出模型位姿信息；程序编辑模块用于将该模型位姿信息作为目标示教点来编辑机器人作业程序，并记录示教目标点；该示教目标点通过通信模块下发给机器人本体控制器，驱动机器人本体运动；通信模块接收模型位姿信息和机器人作业程序，并发送到外部待示教的机器人；人机交互模块用于显示机器人三维模型、环境模型和机器人三维模型的位姿数据，并用于接收操控者输入的操控信息，下发到程序编辑模块。

本实施例中，三维仿真模块采用openscenegraph的三维图形显示技术在qt窗体中实时显示机器人三维模型与环境模型，并根据运动控制模块发送的模型驱动通过openscenegraph三维图形接口处理，实现在该窗口内对机器人三维模型进行选中、自由拖动并同步显示机器人三维模型的状态，并将机器人三维模型的位姿信息下发给通信模块。

本实施例中，人机交互模块的界面的布局如图2所示，包括菜单栏、三维模型显示区、位置与姿态数据显示区、手动操控区和程序编辑区。其中，菜单栏是人机交互界面进行示教操作的功能区，菜单栏中包含文件加载，通信，运行模式切换，坐标系选择，运动倍率切换，参数设置等菜单项。三维模型显示区是显示机器人模型和环境模型的窗体，是实现可视化虚拟示教最重要的部分，可在该窗体中选中末端关机，自由拖动模型到达指定的示教目标位点；位置与姿态数据显示区是显示机器人关节角信息、位置信息、欧拉角姿态信息的窗体，通过该窗体，能知道机器人模型运动的位姿信息；程序编辑区是进行示教编程时编辑程序和记录示教点位的窗体；手动控制区是主要由控制机器人模型及机器人本体运动的按钮组成的窗体，通过该区域的按钮，驱动机器人模型到达示教目标点。

实施例提供的基于三维模型的机器人可视化虚拟示教方法具体包括如下步骤：

(1)基于六轴机器人运动学d-h参数模型建立机器人三维模型的位姿关系；

(2)利用openscenegraph函数库将机器人三维模型和环境模型导入到基于qt平台建立人机交互界面；

(3)将人机交互界面与待示教的机器人联机，通过在人机交互界面中拖动场景中的机器人三维模型或指定目标位置点，使机器人三维模型运动到示教目标点；

(4)将示教目标点位信息发送到待示教的机器人的控制器，通过该控制器驱动机器人本体运动到示教目标点。

基于实施例提供的基于三维模型的机器人可视化虚拟示教系统和方法进行虚拟示教的流程具体如下：

(1)通过通信模块，将人机交互界面与机器人联机；

(2)将机器人模型和环境模型导入三维仿真模块；

(3)通过在三维仿真模块选中三维场景中的机器人的关节模型，自由拖动机器人模型或采用手动方式驱动或指定机器人模型的末端在场景中的位置与姿态信息，以驱动机器人运动到指定的示教目标点，并保存目标示教点；

(4)将记录的目标示教点通过通信模块发送到待示教的机器人以驱动机器人本体运动到实际的示教目标点；

将保存的目标点载入程序编辑模块，生成机器人作业程序，将机器人作业程序通过通信模块下发给机器人系统，可再现示教过程。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。