基于CoppeliaSim与Matlab的机器人运动控制联合仿真.pdf

第 卷 第 期 年 月南京工程学院学报(自然科学版)().:./.投稿网址:/.基于 与 的机器人运动控制联合仿真陈浩栋史金飞高海涛江王磊(南京工程学院机械工程学院 江苏 南京)摘要:针对六轴机器人运动学与动力学联合仿真需求在分析机器人运动学与动力学模型的基础上利用 制作机器人三维模型并通过 插件换成 机器人描述格式导入 完成机器人的三维可视化借助/通信机制将 控制仿真系统与 通讯建立机器人动力学层面上的联合仿真.基于计算力矩动态控制的机器人联合仿真结果表明:通信下的机器人联合仿真较好地实现了机械与控制的结合仿真过程时延较低同步控制和动态响应效果突出.关键词:六轴机器人 仿真中图分类号:收稿日期:修回日期:基金项目:江苏省研究生科研创新计划项目()作者简介:陈浩栋硕士研究生研究方向为人机协作.:.引文格式:陈浩栋史金飞高海涛等.基于 与 的机器人运动控制联合仿真.南京工程学院学报(自然科学版)():././.随着机器人相关领域研究的深入对机器人仿真软件的要求也越来越高.相较于机器人实物平台验证仿真软件凭借其高效、低成本且安全的优点成为机器人设计与制造过程中的关键环节可进行机器人原理层面有效性的验证从而提前解决机器人实际运行过程中可能出现的问题避免由此带来的安全隐患.选择合适的仿真工具应用于不同的仿真对象能够极大程度为机器人研究提供便利.由于其在机器人运动学计算、验证及轨迹规划等方面表现出色在机器人仿真领域得到广南京工程学院学报(自然科学版)年 月泛应用但在运动控制过程中脱离了机器人实际模型在仿真过程中无法精确展示机器人模型及其位姿变化进而无法准确判断机器人运动过程中是否存在碰撞或者干涉等问题.因此目前的联合仿真系 统 主 要 依 靠 与 可 视 化 仿 真 软 件、等来实现.当仿真对象明确时 和 过于臃肿仿真响应效果并不出色而 交互式仿真效果差强人意使用场景受限.是一款集成开发环境的开源跨平台机器人建模仿真软件具有丰富的内外部库、多种应用程序接口、支持多样控制方式以及多种编程语言等优势并在计算例程、最短路径计算、碰撞处理检测等方面都有着出色的运行效果成为机器人仿真的主要选择.但这款软件仿真过程过度依赖脚本可操作性较差.针对上述机器人仿真软件存在的主要问题本文以 六轴机器人为研究对象采用通信实现 与可视化联合仿真试验对机器人进行运动学、动力学分析和三维建模并通过计算力矩控制更直观地展示并获取机器人运动过程中的运动姿态和轨迹.六轴机器人运动学与动力学分析.运动学分析采用改进 参数法建立 机器人运动学模型其相邻连杆之间的 参数定义为:为连杆转角是 绕 轴旋转到与 轴平行的角度 为连杆长度是 轴沿 轴平移到与 轴重合的距离 为连杆偏距是 轴沿 轴平移到与 轴重合的距离 为关节角是 轴绕 轴旋转到与 轴平行的角度.机器人 连杆坐标系如图 所示对应的 参数如表 所示.图 机器人 连杆坐标系()表 机器人 参数序号/.根据表 的 参数可以求解所在空间内机器人末端相对于基座的位置和姿态建立六自由度串联机器人每个关节的连杆坐标系.通过表 的 个变量可得到坐标系 相对于坐标系 的变换矩阵为:()将表 的 参数带入式()可得到机器人各连杆变换矩阵采用递推法通过各个连杆之间的变换矩阵即可得到机器人末端相对于基坐标系的总变换矩阵为:第 卷第 期陈浩栋等:基于 与 的机器人运动控制联合仿真 ()式中 为连杆坐标系中 相对于基坐标系的变换矩阵.动力学分析用拉格朗日法对 机器人进行动力学建模推导出六自由度机器人动能和势能公式为:()()式中:为连杆 的质量分布矩阵为连杆 上任意点在该连杆坐标系中向下的位置分量.将拉格朗日算子 代入应用方程 可得机器人动力学方程为:()()()()式中:为机器人各关节驱动力 为机器人各关节位置()为正定质量惯性矩阵()为离心力、哥氏力矢量()为重力矢量.与 联合仿真原理.仿真功能 是一款具有高质量仿真引擎的机器人仿真软件主要由场景模块、计算模块和控制模块组成.场景模块主要包括可视化仿真界面及其相应的部件、设备和传感器等实体支持、等格式的外部模型导入计算模块主要包括正/逆运动学、碰撞检测等功能实现控制模块包括嵌入式脚本、插件等内外部控制方式.该软件支持、和 操作系统 下采用 通信实现与/、等外部语言控制.是用于多网络协议访问的模块库支持阻塞函数调用、非阻塞函数调用、数据流和同步操作四种通信模式.为了最大程度减少联合仿真时的网络延迟和负载 在脚本中完成通讯接口与控制程序的编写通过 通信中的远程 函数完成与 的交互在联合仿真时实现应用程序与 之间一对一或多对一的交互.三维模型及 描述在 完成机器人三维模型绘制如图 所示.设置机器人各连杆坐标系和转动、移动轴运用 插件将其转换成 格式并导入 中实现联合建模.图 中 模型图由于机器人零件众多直接导入仿真延迟较高可以将同一连杆的多个零件合成导入来提升运行效率.本文将机器人简化为 个部件通过关节相连.图()为 机器人连杆层级图图()为简化后导入 的机器人模型.()机器人连杆层级图()机器人模型图 中 模型图.联合仿真通信流程联合仿真采用客户端 服务器通信模式将 作为客户端 作为服务器客户端通过 通信不间断接收服务器控制程序南京工程学院学报(自然科学版)年 月发出的指令实现机器人精准运动控制.指令处理流程如图 所示.为了提高仿真速度 与 之间选用同步模式进行通信其通信模式如图 所示.通信及仿真过程为:)在客户端导入机器人模型并搭建仿真环境编写控制脚本解析来自服务器的 控制指令在服务器编写控制程序并输出控制客户端的机器人运动)启动同步模式后开始仿真客户端获取服务器的控制指令发送给执行句柄控制程序计算后服务器通过 发送控制指令给客户端解析后控制机器人按指令运动完成上一个仿真步骤后服务器自动触发下一个仿真步骤重复上述语句直到全部控制指令发送完成)仿真结束时服务器调用语句实现其与客户端通信的中断.图 指令处理流程图 同步模式通信 计算力矩控制联合仿真算例为了验证通信的有效性及更直观地展示机器人的运动姿态对 机器人采用经典的计算力矩控制测试联合仿真系统的响应速度和轨迹跟踪精度.计算力矩控制通过引入非线性补偿将机器人时变非线性系统转换为线性定常系统.根据机器人动力学方程引入控制:()()()()对比式()可以得到:()()()因()可逆故式()可等价于一个解耦的线性定常系统 .引入偏置 控制:()即可得到位置控制率表达式为:()()()()()控制系统模型计算力矩控制框图如图 所示.计算力矩控制器如图 所示.图 计算力矩控制框图图 计算力矩控制器.机器人计算力矩控制仿真结果对机器人采用关节力矩同步控制模式使机器人在 控制下实现对 中机器人一令一动控制过程轨迹如图 所示各关节位置、速度和力矩曲线如 所示.第 卷第 期陈浩栋等:基于 与 的机器人运动控制联合仿真图 机器人计算力矩控制过程()关节位置()关节速度()关节力矩图 机器人计算力矩控制仿真曲线 由图()可见在计算力矩控制过程中机器人接收到控制指令后开始平稳运动各关节位置、速度和力矩曲线平滑并未发生突变.仿真结果表明:采用 通信 中的计算力矩控制算法被多次精准施加在 中的机器人三维模型上机器人能够快速响应到系统指定位置仿真开始至客户端响应延迟时间小于 响应速度快、轨迹跟踪精度高且动态控制效果好.结语本文提出了一种基于 与 的机器人运动控制联合仿真方法通过搭建的仿真实验平台验证了 通信下机器人具有良好的动态响应速度和精准的轨迹跟踪能力直观展示了机器人在控制模型下的动态运动过程可为物理样机的开发提供理论参考.本文方法不仅适用于多连杆串联机器人还可应用于其他构型的机器人通过编写 内部脚本与 控制命令程序实现对机器人多种目的控制仿真.未来希望在其他机械模型上实现多种控制算法为机器人设计和研发提供参考.参考文献:于振中蔡楷倜.六轴工业机器人三维仿真系统.计算机工程与设计():.祁若龙周维佳刘金国等.平台下机器人虚拟运动控制及 运动仿真的有效实现方法.机器人():.李超杨永峰佃松宜等.一种新型电力光缆剪枝机器人的运动学联合仿真.科学技术与工程():.卢衷正戈振扬丁巍.四足除草机器人的 与 联合仿真.机械科学与技术():.任建新黄民刘相权等.基于 与 的货物拣选机器人联合仿真.重庆理工大学学报(自然科学)():.():.宋增来陈振华.自由度机器人仿真的实现.计算机工程与设计():.:/:.