多工业机器人虚拟离线协同仿真系统及方法与流程

本发明涉及工业机器人协同仿真技术领域，尤其涉及一种多工业机器人虚拟离线协同仿真系统及方法。

背景技术：

随着工业的飞速发展，工业机器人越来越多地得到推广和应用。常见的机器人编程有两种方法，手动示教和离线编程，手动示教存在精度差、效率低等诸多缺点，基于工件和机器人三维数模的虚拟离线编程仿真则可以克服这些缺点，实现机器人复杂工艺的快速自动编程。机器人离线编程仿真是机器人技术的发展方向之一，它通过导入机器人和工件数模，实现了机器人的轨迹设计、机器人运动仿真、干涉检查和代码输出，避免了复杂的手动示教过程。在实际工作站中，会出现两台或者多台机器人协同运动的情况，因此，在仿真中，需要对多台机器人的协调联动运动进行求解和仿真分析。

国内外对工业机器人离线仿真进行了若干研究，不少文献和专利都有相关介绍。但大多都只涉及到单个机器人的运动学求解和仿真，未涉及到多个机器人的系统运动仿真。还有的研究仅对机器人与变位机协同控制路或机器人路径离线编程进行了研究，但是目前公开成果均未涉及到多个机器人虚拟离线协同仿真方法及系统实现过程。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了多工业机器人虚拟离线协同仿真系统，其系统包括：多机器人路径规划模块、多机器人协同运动求解模块、机器人代码生成模块、运动仿真干涉检查模块和文件保存功能模块。

其方法包括如下工作步骤：

(1)利用三维建模软件内核，导入多个机器人、变位机和工件三维数模，构建多机器人虚拟工作站；

(2)利用工件数模提取机器人实际加工路径，利用加工路径坐标和方位，确定一个主机器人的相对绝对坐标系的路径，以该路径和实际工件加工路径求出其他机器人相对绝对坐标系的路径；

(3)、机器人运动学分析，以目标点在不同坐标系的位姿变换矩阵为例对各机器人的运动学进行求解；

(4)、对整个路径进行离散化处理，根据运动学求解得出的机器人各个关节角度，在三维软件中利用虚拟装配的方式进行运动仿真；

(5)、按照不同机器人的代码格式，输出机器人在整个运动过程中各个机器人的运动控制程序；

(6)、重新执行步骤(4)，实现机器人运动过程中的干涉检查，如果出现干涉和碰撞，进行安全提示；

(7)、保存整个协同运动过程中所需要的必要信息，将系统多机器人协同运动过程中各个机器人路径、求解结果进行保存，同时将生成各个机器人生成代码进行存储。

进一步的，所述步骤(2)的具体工作方法如下：以机器人(1)和机器人(2)的协调运动为例，以机器人(1)坐标系W_obj1为坐标系，首先提取轨迹A₁B₁，机器人(1)在焊接A₁B₁过程中的实际轨迹为机器人(2)的实际轨迹为则根绝运动合成的关系有

进一步的，所述步骤(3)的具体工作方法如下：六轴工业机器人的变换矩阵关系如下式所示，

其中表示连杆n末端相对于连杆n-1末端的变换矩阵，n表示连杆数，θ_n表示关节旋转角度，是法兰盘相对于第六轴的变换矩阵，是工具TCP相对法兰盘的变换矩阵，是机器人(1)轴原点相对于机器人底座的变换矩阵。

通过该方程可以对机器人的运动学进行求解，得出机器人各关节的角度。对于机器人(1)，

其中，是工件坐标系1相对于机器人夹具的变换矩阵，是目标点在工件坐标系1W_obj1中的位姿矩阵。对于机器人(2)，

为机器人(1)基准坐标系和机器人(2)基准坐标系变换矩阵。根据上述方程，可分别求出机器人(1)和机器人(2)在A₁点的各个关节的角度，实现运动学求解。

进一步的，所述步骤(4)的具体工作方法如下：根据机器人连杆DH连杆参数模型和各关节角度，根据机器人正解求解的方法确定各个关节轴位姿矩阵，即获取位置和方向，利用虚拟移动的方式，对机器人各个关节进行旋转和平移操作，实现机器人的动作仿真。

本专利所述的多工业机器人虚拟离线协同仿真系统及方法，根据虚拟工作站中实际加工轨迹，根据协同运动和多轴联动的方法，确定各个机器人在各自工作坐标系下的轨迹规划，提出了一套多机器人虚拟离线编程仿真方法及系统，它基于机器人运动学原理，利用三维CAD内核对机器人工作站进行建模分析，利用优化的机器人求解方法，实现了工业虚拟离线仿真编程平台与仿真，可对机器人流水线进行碰撞检测、多机节拍设计和规划，实现了多机器人的联动控制；根据各个机器人的绝对路径，利用机器人运动学求解方法，得出个机器人各个关节的角度；对整个路径进行离散化处理，使运动仿真过程更加连续平滑；利用三维造型软件中的实体移动的方法，对多机器人协调运动进行离散化仿真，最终输出各个机器人控制代码。

本专利通过多台机器人的虚拟离线仿真，可以大大提高多机器人联动协同程序的开发效率，降低多机器人联动的技术门槛，提高企业生产效率。

附图说明

图1为多工业机器人虚拟离线协同仿真系统示意图。

图2为多工业机器人及工件组成的工作站的工作状态示意图。

具体实施方式

如图1所示，多工业机器人虚拟离线协同仿真系统，其系统包括：多机器人路径规划模块、多机器人协同运动求解模块、机器人代码生成模块、运动仿真干涉检查模块和文件保存功能模块。

如图2所示，其方法包括如下工作步骤：

(1)利用三维建模软件内核，导入多个机器人、变位机和工件三维数模，构建多机器人虚拟工作站；

(2)利用工件数模提取机器人实际加工路径，利用加工路径坐标和方位，确定一个主机器人的相对绝对坐标系的路径，以该路径和实际工件加工路径求出其他机器人相对绝对坐标系的路径；

(3)、机器人运动学分析，以目标点在不同坐标系的位姿变换矩阵为例对各机器人的运动学进行求解；

(4)、对整个路径进行离散化处理，根据运动学求解得出的机器人各个关节角度，在三维软件中利用虚拟装配的方式进行运动仿真；

(5)、按照不同机器人的代码格式，输出机器人在整个运动过程中各个机器人的运动控制程序；

(6)、重新执行步骤(4)，实现机器人运动过程中的干涉检查，如果出现干涉和碰撞，进行安全提示；

(7)、保存整个协同运动过程中所需要的必要信息，将系统多机器人协同运动过程中各个机器人路径、求解结果进行保存，同时将生成各个机器人生成代码进行存储。

进一步的，所述步骤(2)的具体工作方法如下：以机器人(1)和机器人(2)的协调运动为例，以机器人(1)坐标系W_obj1为坐标系，首先提取轨迹A₁B₁，机器人(1)在焊接A₁B₁过程中的实际轨迹为机器人(2)的实际轨迹为则根绝运动合成的关系有

进一步的，所述步骤(3)的具体工作方法如下：六轴工业机器人的变换矩阵关系如下式所示，

其中表示连杆n末端相对于连杆n-1末端的变换矩阵，n表示连杆数，θ_n表示关节旋转角度，是法兰盘相对于第六轴的变换矩阵，是工具TCP相对法兰盘的变换矩阵，是机器人(1)轴原点相对于机器人底座的变换矩阵。

通过该方程可以对机器人的运动学进行求解，得出机器人各关节的角度。对于机器人(1)，

其中，是工件坐标系1相对于机器人夹具的变换矩阵，是目标点在工件坐标系1W_obj1中的位姿矩阵。对于机器人(2)，

为机器人(1)基准坐标系和机器人(2)基准坐标系变换矩阵。根据上述方程，可分别求出机器人(1)和机器人(2)在A₁点的各个关节的角度，实现运动学求解。

进一步的，所述步骤(4)的具体工作方法如下：根据机器人连杆DH连杆参数模型和各关节角度，根据机器人正解求解的方法确定各个关节轴位姿矩阵，即获取位置和方向，利用虚拟移动的方式，对机器人各个关节进行旋转和平移操作，实现机器人的动作仿真。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本发明技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。