专利名称：一种基于虚拟现实技术的喷涂工业机器人综合控制系统及控制方法
技术领域：
本发明属于机器人综合控制系统，特别是一种基于虚拟现实技术的喷涂工业机器 人综合控制系统。本发明还包括该系统的控制方法。
背景技术：
虚拟现实技术(Virtual reality，VR)，又称灵境技术，是一种由计算机和电子技 术创造的新世界，用户能与计算机产生的数据空间进行直观的、感性的、自然的交互。虚拟现实技术是近年来在计算机领域引起广泛关注的技术，三维建模技术是虚拟 现实中最重要的技术领域，是整个虚拟现实系统建立的基础；随着科学技术的不断发展，虚 拟现实技术与机器人技术的有机结合，将成为极具发展潜力和应用前景的研究方向之一， 虚拟现实技术是新一代人机交互系统中的关键技术，用户通过计算机技术生成一个虚拟仿 真环境，既可节省大量的建造物理仿真环境的经费，也可以方便地修正仿真环境的物理参 数。OpenGL是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，独立于硬件的软件接 口，当前，Microsoft公司开发的面向对象的VC++6. 0中已经集成OpenGL图形标准，再加上 OpenGL具有编程建模、容易实现高度清晰感的实时三维仿真等优点，逐渐被广泛应用与机 器人的设计和运动仿真中。虽然此类虚拟仿真系统已经出现，但还存在诸多的不足，如采用VB+VRML开发的 仿真模型仅仅具有单调的颜色和简单的反光特性；三维模型浏览需借助于外部已有的浏览 器，而外部的浏览器需要单独安装，这使得整个系统的移植性不强；VC+VRML系统交互方式 单一，拆装、机构运动只能被动的进行动画浏览；运用Java语言建立机器人仿真平台并进 行内部数据处理，由VRML建立机器人仿真模型的系统，对用户计算机要求性能比较高，通 过广域网访问时，下载大量数据耗时比较多。综上所述，开发一种功能完善、通用性好、交互性强的虚拟仿真系统具有实际的生产意义。
发明内容
本发明系统的目的在于提供了一种功能完善、交互性好、实用性强的基于虚拟现 实技术的喷涂工业机器人综合控制系统。本发明包括如下技术特征一种基于虚拟现实技术的喷涂工业机器人综合控制系 统，其特征在于包括虚拟环境操作平台、机器人控制器和喷涂机器人；所述机器人控制器 与喷涂机器人连接；所述虚拟环境控制器与机器人控制器连接；所述虚拟环境控制器包括模型数据输入模块、通信与接口模块、数据库模块、喷枪 轨迹生成模块、机器人运动轨迹生成模块、喷涂过程动态仿真模块、分析显示喷涂结果模 块、机器人运动轨迹数据库和作业指令生成模块；
所述模型数据输入模块与通信与接口模块连接，所述通信与接口模块与数据库模 块连接，所述数据库模块与喷枪轨迹生成模块连接，所述喷枪轨迹生成模块与机器人运动 轨迹生成模块连接，所述机器人运动轨迹生成模块与喷涂过程动态仿真模块连接，所述喷 涂过程动态仿真模块与分析显示喷涂结果模块连接，所述分析显示喷涂结果模块与机器人 运动轨迹数据库连接，所述机器人运动轨迹数据库与作业指令生成模块连接，所述作业指 令生成模块与通信与接口模块连接，并通过机器人控制器对喷涂机器人进行控制。进一步的，还包括喷涂设置模块，所述喷涂设置模块分别与数据库模块、喷枪轨迹 生成模块、喷涂过程动态仿真模块、分析显示喷涂结果模块、通信与接口模块和机器人运动 轨迹数据库模块连接。模型数据输入模块的输入数据包括喷涂工件CAD数据机器人模型CAD数据和扫描 得到的喷涂工件数据及其人模型数据。本发明另外一个目的还在于提供一种基于虚拟现实技术的喷涂工业机器人综合 控制系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤第一步骤搭建作业环境；采用VC++6. 0构建系统平台和相关界面，利用OpenGL图形库来实现喷涂机器人喷 涂过程的动态虚拟仿真； 第二步骤喷涂机器人三维建模与显示；机器人三维模型包括机器人的几何实体模型和运动学模型；第三步骤喷涂工件的三维建模与显示；采用计算机图形学原理对喷涂工件进行造型，并将造型后的CAD数据存入数据 库，系统还可以通过格式转换读取其他CAD软件存储的工件CAD数据或通过扫描直接获得 喷涂工件的三维CAD数据；第四步骤喷涂过程的动态虚拟仿真；系统根据用户设置的参数和喷枪轨迹进行可视化仿真，用户通过三维仿真平台实 时观察喷涂过程，查看喷涂结果，如果喷涂过程中，机器人运行平稳，喷涂效果满足要求，则 将生成的机器人运动轨迹相关数据存入数据库，否则，用户可以调整喷枪参数，选择插值方 法，重新进行虚拟仿真，直到获得满意喷涂效果的机器人运动轨迹为止；通过人机交互界面 的控制菜单，用户可以通查看仿真过程中机器人的各关节位置、速度、加速度的实时曲线和 喷涂时间、漆膜厚度方差等测评喷涂效果好坏的参数，用户通过人机交互界面观察喷涂过 程中是否发生机器人碰撞工件；第五步骤机器人编程结果下载；用户将满足喷涂效果的机器人编程结果，通过通信与接口模块将机器人传输给机 器人控制器控制喷涂机器人。本发明系统提供了一种崭新的人机交互环境，通过系统的虚拟仿真，完成整个喷 涂过程的预演；用户通过在系统上的虚拟操作，可以实时观察喷涂作业的整个过程，分析喷 涂效果，从而选择满足喷涂效果的技术指标及参数，不仅缩短了机器人程序的开发周期，更 提高了系统的喷涂精度，是一种经济效益高，易被用户接受的平台。
图1为本发明系统的硬件结构示意图；图2为本发明系统的系统结构图。
具体实施例方式如图1、图2所示本发明为一种基于虚拟现实技术的喷涂工业机器人综合控制系 统，其特征在于包括虚拟环境操作平台、机器人控制器和喷涂机器人；所述机器人控制器 与喷涂机器人连接；所述虚拟环境控制器与机器人控制器连接；用户在给定一个喷涂任务命令前，先将此命令发送给虚拟仿真系统，通过虚拟仿 真，完成喷涂过程的预演，在仿真过程中，用户可以观察虚拟仿真系统的喷涂结果，如果喷 涂机器人运行过程平稳且喷涂效果达到要求，即将满足此要求的机器人运动轨迹数据存储 并将相应的机器人文件传输给实际操作系统的喷涂机器人控制器，否则，用户可以通过控 制菜单，调整系统参数，选择不同的插值方法重新进行喷涂机器人的动态仿真，最终生成一 条满足喷涂效果的最优机器人运动轨迹，存储相关数据并将相应的机器人可识别作业指令 文件传输给实际操作系统的机器人控制器；所述虚拟环境控制器包括模型数据输入模块1、通信与接口模块2、数据库模块3、 喷枪轨迹生成模块4、机器人运动轨迹生成模块5、喷涂过程动态仿真模块6、分析显示喷涂 结果模块7、机器人运动轨迹数据库8和作业指令生成模块9 ；所述模型数据输入模块1与通信与接口模块2连接，所述通信与接口模块2与数 据库模块3连接，所述数据库模块3与喷枪轨迹生成模块4连接，所述喷枪轨迹生成模块4 与机器人运动轨迹生成模块5连接，所述机器人运动轨迹生成模块5与喷涂过程动态仿真 模块6连接，所述喷涂过程动态仿真模块6与分析显示喷涂结果模块7连接，所述分析显示 喷涂结果模块7与机器人运动轨迹数据库8连接，所述机器人运动轨迹数据库8与作业指 令生成模块9连接，所述作业指令生成模块9与通信与接口模块2连接，并通过机器人控制 器对喷涂机器人进行控制。系统还包括喷涂设置模块10，所述喷涂设置模块10分别与数据库模块3、喷枪轨 迹生成模块4、喷涂过程动态仿真模块6、分析显示喷涂结果模块7、通信与接口模块2和机 器人运动轨迹数据库模块8连接。其中，模型数据输入模块1的输入数据包括喷涂工件CAD数据机器人模型CAD数 据和扫描得到的喷涂工件数据及其人模型数据。为实现上述目的，本发明所采用的方法是以三维建模技术、可视化技术、虚拟现 实技术为核心，以VC++6. 0和OpenGL图形库为实现工具，结合机器人运动学动力学原理，建 立了一个六自由度喷涂机器人综合控制系统，其构思如下为了使用户能够实时地观察到六自由度喷涂机器人的喷涂过程，把软件分为控制 菜单和图像显示两部分，控制菜单用于控制和输出，图像显示部分用于显示图像。在控制菜单中，包括数据库管理、喷涂设置、关节轨迹实时显示、代码生成及远程 通讯等，用户通过控制菜单可以控制机器人的喷涂动作、设置喷涂参数、选择机器人模型及 不同的插值方法等，用户还可以通过控制菜单实时查看机器人关节变量曲线，喷涂时间等。在图像显示部分，包括喷涂空间的三维模型显示、喷涂机器人三维动态显示、喷涂工件三维模型、喷涂过程中机器人运行情况显示及喷涂效果显示等，为了使整个虚拟场景更加 “真实”，图像显示部分还加入了光照、视点等要素，用户通过图像显示部分可以实时观察喷涂过 程，检查机器人碰撞工件等情况，从而判断机器人运行过程是否平稳、喷涂效果是否满意。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案，其具体步骤如下第一步骤搭建作业环境。虚拟作业环境主要由一个六自由度的喷涂机器人和被喷涂工件组成，为了使整个 虚拟场景更加“真实”，虚拟场景中还加入了工作平台、环境背景等要素，本发明系统采用 VC++6. 0构建系统平台和相关界面，利用OpenGL图形库来实现喷涂机器人喷涂过程的动态 虚拟仿真；第二步骤喷涂机器人三维建模与显示。喷涂机器人三维建模是整个虚拟仿真系统的关键，机器人三维模型包括机器人的 几何实体模型和运动学模型；获得机器人模型通常有三种方式内置建模、从模型库导入、 以及从其它应用程序文件转换；几何实体建模，是将实际机器人的机械结构用计算机图形学的方法在计算机上描 绘出来，即建立喷涂机器人各个关节的几何实体模型，还可以通过调用OpenGL图形库中的 二次曲面和多边形镶嵌工具来实现；运动学建模，即建立在机器人运动学正问题基础上的， 包括确定各个关节转角的运动范围、关节点位置在机器人坐标系中的描述及其在世界坐标 系中的描述，根据机器人的D-H参数构造机器人的运动学模型，可以使机器人模型按实际 机器人的运动规律移动，并正确反映机器人的实际位置坐标；第三步骤喷涂工件的三维建模与显示。采用计算机图形学原理对喷涂工件进行造型，并将造型后的CAD数据存入数据 库，系统还可以通过格式转换读取其他CAD软件中存储的工件CAD数据或通过扫描直接获 得，喷涂工件的三维CAD数据喷涂工件的三维模型主要包括工件形状及几何参数，其中几 何参数包括空间位置、尺寸大小、倾斜角度等。第四步骤喷涂过程的动态虚拟仿真。系统根据用户设置的参数和机器人运动轨迹进行可视化仿真，用户通过本发明系 统可以实时观察喷涂过程，查看喷涂结果，如果喷涂过程中，机器人运行平稳，喷涂效果满 足要求，则将生成的机器人运动轨迹相关数据存入数据库，否则，用户可以调整喷枪参数， 选择插值方法，重新进行虚拟仿真，直到获得满意喷涂效果的机器人运动轨迹为止；通过人 机交互界面的控制菜单，用户可以查看仿真过程中机器人各关节的位置、速度、加速度的实 时曲线和喷涂时间、漆膜厚度方差等测评喷涂效果好坏的参数，用户也可以通过人机交互 界面观察喷涂过程中是否发生机器人碰撞工件。第五步骤机器人编程结果下载。该系统的目的就是通过在计算机上完成喷涂过程的预演，将满足喷涂效果的机器 人驱动程序及相关数据传递给实际操作系统的机器人控制柜，因此，必须通过通信接口将 机器人编程结果下载到实际机器人控制柜中；一般的通信方式有两种一种是将编程结果 转换成机器人可识别的作业指令文件，传递给机器人控制柜，直接驱动机器人；一种是直接 把相关数据传递给机器人控制柜，最终驱动机器人，传递给机器人控制柜的数据必须保证 机器人平稳运行，喷涂效果达标。
相对于传统的喷涂机器人编程系统，本发明的突出特点是精确、可靠，该系统通过 虚拟仿真，完成实际喷涂过程的预演，用户可直观的查看喷涂机器人喷涂过程的相关信息， 实现对喷涂过程的可视化动态仿真，通过虚拟仿真，用户可以直接分析喷涂效果，不断调整 参数，选择满足喷涂效果的最优机器人运动轨迹，最大限度的减少了机器人的在线调试时 间，不但缩短了机器人程序开发周期，更提高了系统的喷涂精度；相对于现有喷涂机器人 的编程系统，本发明系统的突出特点是功能完善，由于本发明系统提供了多种机器人模型， 用户在虚拟仿真过程中，可以直接调用所需机器人模型，无需重新编程，对同一种型号的机 器人又提供了不同的轨迹规划方法和插值方法，用户可以通过系统的虚拟仿真，对各种轨 迹规划方法和插值方法所产生的喷涂结果、机器人运动情况、能量消耗及喷涂时间进行对 比；本发明系统的另一个重要优点是交互性好、真实感强，该系统通过编程将复杂的喷涂作 业信息转换为直观的、以图形图像显示的、随时间和空间变化的仿真过程，通过虚拟仿真， 完成整个喷涂过程的预演，用户可以直接获得喷涂机器人的静态和动态特性及喷涂效果信 息，用户还可以通过控制菜单管理机器人动作，交互修改相关参数，并实时观察喷涂结果。
权利要求
一种基于虚拟现实技术的喷涂工业机器人综合控制系统，其特征在于包括虚拟环境操作平台、机器人控制器和喷涂机器人；所述机器人控制器与喷涂机器人连接；所述虚拟环境控制器与机器人控制器连接；所述虚拟环境控制器包括模型数据输入模块(1)、通信与接口模块(2)、数据库模块(3)、喷枪轨迹生成模块(4)、机器人运动轨迹生成模块(5)、喷涂过程动态仿真模块(6)、分析显示喷涂结果模块(7)、机器人运动轨迹数据库(8)和作业指令生成模块(9)；所述模型数据输入模块(1)与通信与接口模块(2)连接，所述通信与接口模块(2)与数据库模块(3)连接，所述数据库模块(3)与喷枪轨迹生成模块(4)连接，所述喷枪轨迹生成模块(4)与机器人运动轨迹生成模块(5)连接，所述机器人运动轨迹生成模块(5)与喷涂过程动态仿真模块(6)连接，所述喷涂过程动态仿真模块(6)与分析显示喷涂结果模块(7)连接，所述分析显示喷涂结果模块(7)与机器人运动轨迹数据库(8)连接，所述机器人运动轨迹数据库(8)与作业指令生成模块(9)连接，所述作业指令生成模块(9)与通信与接口模块(2)连接，并通过机器人控制器对喷涂机器人进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的喷涂工业机器人综合控制系统，其特征 在于还包括喷涂设置模块(10)，所述喷涂设置模块(10)分别与数据库模块(3)、喷枪轨 迹生成模块(4)、喷涂过程动态仿真模块(6)、分析显示喷涂结果模块(7)、通信与接口模块 (2)和机器人运动轨迹数据库模块(8)连接。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的喷涂工业机器人综合控制系统，其特征 在于模型数据输入模块(1)的输入数据包括喷涂工件CAD数据机器人模型CAD数据和扫 描得到的喷涂工件数据及其人模型数据。
4.根据权利要求2所述的基于虚拟现实技术的喷涂工业机器人综合控制系统的控制 方法，其特征在于包括如下步骤第一步骤搭建作业环境；采用VC++6. 0构建系统平台和相关界面，利用OpenGL图形库来实现喷涂机器人喷涂过 程的动态虚拟仿真；第二步骤喷涂机器人三维建模与显示；机器人三维模型包括机器人的几何实体模型和运动学模型；第三步骤喷涂工件的三维建模与显示；采用计算机图形学原理对喷涂工件进行造型，并将造型后的CAD数据存入数据库，系 统还可以通过格式转换读取其他CAD软件存储的工件CAD数据或通过扫描直接获得喷涂工 件的三维CAD数据；第四步骤喷涂过程的动态虚拟仿真；系统根据用户设置的参数和喷枪轨迹进行可视化仿真，用户通过三维仿真平台实时观 察喷涂过程，查看喷涂结果，如果喷涂过程中，机器人运行平稳，喷涂效果满足要求，则将生 成的机器人运动轨迹相关数据存入数据库，否则，用户可以调整喷枪参数，选择插值方法， 重新进行虚拟仿真，直到获得满意喷涂效果的机器人运动轨迹为止；通过人机交互界面的 控制菜单，用户可以通查看仿真过程中机器人的各关节位置、速度、加速度的实时曲线和喷 涂时间、漆膜厚度方差等测评喷涂效果好坏的参数，用户通过人机交互界面观察喷涂过程 中是否发生机器人碰撞工件；第五步骤机器人编程结果下载；用户将满足喷涂效果的机器人编程结果，通过通信与接口模块将机器人传输给机器人 控制器控制喷涂机器人。
全文摘要
本发明包括一种基于虚拟现实技术的喷涂工业机器人综合控制系统及其控制方法，其特征在于包括虚拟环境操作平台、机器人控制器和喷涂机器人；所述机器人控制器与喷涂机器人连接；所述虚拟环境控制器与机器人控制器连接；本发明系统提供了一种崭新的人机交互环境，通过系统的虚拟仿真，完成整个喷涂过程的预演；用户通过在系统上的虚拟操作，可以实时观察喷涂作业的整个过程，分析喷涂效果，从而选择满足喷涂效果的技术指标及参数，不仅缩短了机器人程序的开发周期，更提高了系统的喷涂精度，是一种经济效益高，易被用户接受的平台。
文档编号B05B13/00GK101920233SQ20101022409
公开日2010年12月22日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者刘治, 章云, 蒋海仙 申请人:广东工业大学