CN111862297A - 基于Coin3D的协作机器人可视化仿真示教方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Coin3D的协作机器人可视化仿真示教方法，采用Solid Works对协作机器人进行三维建模，通过Coin3D中的三维渲染引擎的API函数对协作机器人三维模型进行可视化仿真设定，利用Qt Creator作为中间平台对协作机器人三维模型进行加载和显示，并通过Qt Creator自带的UI界面进行人机界面的编制，通过人机界面进行人机交互并显示协作机器人的仿真模型；通过人机界面的界面控件以及外部输入设备控制三维模型运动；由人机界面生成协作机器人的运动控制程序，将示教结果在机器人本体上得到展示。本发明具有良好的跨平台特性，支持多种操作系统，可实现嵌入式平台的移植。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人可视化仿真示教方法，特别涉及一种基于Coin3D的协作机器人可视化仿真示教方法。
背景技术
目前，随着机器人研究的不断深入和机器人领域的不断发展，机器人仿真系统作为机器人设计和研究的工具，发挥着越来越重要的作用。机器人的运动是由关节的运动引起的，而关节的位置是由连杆长度和排列方式决定的，与连杆的具体形状并无关系。但是为了真实地仿真机器人动作，在进行三维图形显示时又必须使每个杆件尽可能与实物一致，这样才能达到仿真的目的，这一过程称为机器人的形态建模，而机器人形态建模技术正是机器人仿真系统的核心技术之一。
仿真是利用数学模型在计算机上对系统进行试验研究的过程。可视化仿真则是数学模型和科学计算可视化技术相结合的产物，一般包括两方面的内容：一是将传统数字仿真计算的结果转化为图形和图像形式；二是仿真交互界面可视化，即具有可视交互和动画展示能力，要求能够实时跟踪显示仿真计算结果。
现有的三维模型的机器人可视化仿真示教系统及方法，通用性比较差，不能满足部分机器人厂商的开放性可视化仿真示教需求。
发明内容
本发明为克服已有技术中存在的技术问题而提供一种通用性强的基于Coin3D的协作机器人可视化仿真示教方法。
本发明为克服已有技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于Coin3D的协作机器人可视化仿真示教方法，采用Solid Works软件对协作机器人进行三维建模，通过Coin3D软件中的三维渲染引擎的API函数对协作机器人三维模型进行可视化仿真设定，利用Qt Creator软件作为中间平台对协作机器人三维模型进行加载和显示，并通过QtCreator软件自带的UI界面进行人机界面的编制，通过人机界面进行人机交互并显示协作机器人的仿真模型；通过人机界面的界面控件以及外部输入设备控制三维模型运动；由人机界面生成协作机器人的运动控制程序，将示教结果在机器人本体上得到展示。
进一步地，该方法包括如下步骤：
步骤一，通过SolidWorks软件建立协作机器人各个关节的三维模型，构建完成后依次导出各个关节的wrl格式文件；
步骤二，将Qt Creator软件作为中间平台，将各个关节的wrl格式文件通过Coin3D软件的API函数加载，并对关节三维模型进行渲染及参数设定，建立协作机器人的形态模型及运动学模型；
步骤三，利用Qt Creator软件自带的窗口模型和接口函数，对完成设定的三维模型进行加载和显示；
步骤四，在Qt Creator软件自带的UI界面，通过编辑控件函数设定功能控件；
步骤五，通过人机界面上的控件或者外部输入设备，操作协作机器人模型到达指定位姿或者按照指定轨迹移动，进行仿真示教；
步骤六，示教完成后，人机界面后台函数对存储的数据进行分析，去除示教过程中因采集密度小产生的冗余点，分段分析运动过程中的动作，结合协作机器人的运动指令，将协作机器人仿真模型示教过程生成的运动程序文件，保存在存储器中；
步骤七，轨迹复现；
步骤八，观察模型的仿真动作是否满足要求，若不满足要求，则重复步骤五至步骤七；若满足要求，则将生成的运动程序文件发送至协作机器人控制器。
进一步地，步骤三中，利用Qt Creator软件自带的QWidget控件作为显示的载体，采用coin3D库函数加载机器人三维模型。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明采用Solid Works三维软件对协作机器人进行三维建模，通过Coin3D软件中的三维渲染引擎的API函数对三维模型进行可视化仿真设定，利用Qt Creator软件作为中间平台对三维模型进行加载和显示，并通过软件自带的UI界面进行人机界面的编制进而控制三维模型运动，由于Qt Creator软件的开放特性，软件同样可以通过接口函数接收来自外部输入设备(包括键盘、普通鼠标、三维鼠标、游戏杆等)的数据进而控制三维模型运动，因此仿真示教操作简单，过程完全可视化，可以直观感受示教过程中机器人模型的动作以及对应的位置信息变化情况，同时可以生成协作机器人可用的运动控制程序，将示教结果在机器人本体上得到展示。
该方法开发过程所使用的软件和库函数均是开源的，拥有大量开放代码供初学者学习，所以具有开发周期短、门槛低、操作简单、容易掌握等优势。同时该方法还具有优良的跨平台特性，支持多种操作系统，能够实现嵌入式平台的移植。
附图说明
图1是本发明的一种基于Coin3D的协作机器人可视化仿真示教方法的工作流程图；
图2是本发明的一种基于Coin3D的协作机器人可视化仿真示教方法中的示教操作流程图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1至图2，一种基于Coin3D的协作机器人可视化仿真示教方法，该方法采用Solid Works软件对协作机器人进行三维建模，通过Coin3D软件中的三维渲染引擎的API函数对协作机器人三维模型进行可视化仿真设定，利用Qt Creator软件作为中间平台对协作机器人三维模型进行加载和显示，并通过Qt Creator软件自带的UI界面进行人机界面的编制，通过人机界面进行人机交互并显示协作机器人的仿真模型；通过人机界面的界面控件以及外部输入设备控制三维模型运动；由人机界面生成协作机器人的运动控制程序，将示教结果在机器人本体上得到展示。
对协作机器人三维模型进行可视化仿真设定包括：协作机器人各个关节的之间的装配关系参数设定、每个旋转轴的旋转角度范围和旋转速度的设定，协作机器人模型基座的固定位置以及模型的零点位置设定等。
在完成协作机器人的形态建模后，根据机器人的D-H参数搭建机器人的运动学模型，机器人的运动学模型包括机器人的正向运动学模型和逆向运动学模型。
进一步地，该方法可包括如下步骤：
步骤一，通过SolidWorks软件建立协作机器人各个关节的三维模型，构建完成后依次导出各个关节的wrl格式文件；
步骤二，将Qt Creator软件作为中间平台，将各个关节的wrl格式文件通过Coin3D软件的API函数加载，并对关节三维模型进行渲染及参数设定，建立协作机器人的形态模型及运动学模型；
步骤三，利用Qt Creator软件自带的窗口模型和接口函数，对完成设定的三维模型进行加载和显示；
步骤四，在Qt Creator软件自带的UI界面，通过编辑控件函数设定功能控件；UI界面即用户界面，通过在UI界面设置功能控件使用户界面成为可人机交互的人机界面。
步骤五，通过人机界面上的控件或者外部输入设备，操作协作机器人模型到达指定位姿或者按照指定轨迹移动，进行仿真示教；在界面操作模式下，通过滑动预先设定好的滑条控件来控制相对应的旋转轴进行旋转，进而控制机器人模型到达指定的位置点或者按照指定轨迹移动。在外部设备操作模式下分为两种情况，一种是通过键盘设备直接在相应的行编辑器中输入位置点的关节坐标信息或者笛卡尔坐标信息，控制机器人模型到达指定的位置点；另一种是通过操作诸如空间鼠标和游戏杆之类的带有方向控制设备来控制协作机器人模型到达指定位姿或按照指定轨迹移动。在接收到来自键盘的关节坐标信息时，可直接将采集到的数据转化为对应协作机器人模型的六个旋转轴的旋转角度变量发送给协作机器人模型；在接收到来自键盘的笛卡尔坐标信息时，将采集到的数据通过逆向运动学方程转化为相应的关节坐标信息，进而转化为旋转角度变量发送给机器人模型；在通过带有方向控制设备控制机器人模型时，调用设备接口API函数读取设备产生的实时数据，将数据转化为机器人模型的六个旋转轴的旋转角度变量发送给协作机器人模型。
步骤六，示教完成后，人机界面后台函数对存储的数据进行分析，去除示教过程中因采集密度小产生的冗余点，分段分析运动过程中的动作，结合协作机器人的运动指令，将协作机器人仿真模型示教过程生成的运动程序文件，保存在存储器中；人机界面在示教过程中自动存储示教的每个动作的位置、姿态、运动参数和工艺参数等,人机界面后台函数对存储的数据进行分析，并自动生成一个连续执行全部操作的运动程序文件。
步骤七，示教位姿或轨迹复现；
步骤八，观察模型的仿真动作是否满足要求，若不满足要求，则重复步骤五至步骤七；若满足要求，则将生成的运动程序文件发送至协作机器人控制器。
进一步地，步骤三中，可利用Qt Creator软件自带的QWidget控件作为显示的载体，采用coin3D库函数加载机器人三维模型。
本发明还提供了一种计算机设备实施例，所述计算机设备包括显示器、存储器和处理器；所述显示器用于人机交互并显示协作机器人的仿真模型，所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器，用于执行所述计算机程序并在执行所述计算机程序时实现上述的基于Coin3D的协作机器人可视化仿真示教方法步骤。
下面以本发明的基于Coin3D的协作机器人可视化仿真示教方法的优选实施例来进一步说明本发明的工作流程及工作原理：
步骤1，通过SolidWorks软件建立协作机器人各个关节的三维模型，构建完成后依次导出各个关节的wrl格式文件；
采用Solidworks建立三维模型的原因是，其能够导出多种格式的三维模型文件，其中一种wrl格式的文件能够被Coin3D三维渲染引擎读取。导出文件时需要注意相对坐标系的位置关系。
步骤2，以图形界面应用软件Qt Creator作为中间平台，通过Coin3D的API函数对三维模型进行可视化仿真设定；
对三维模型进行可视化仿真设定包括：设定协作机器人各个关节的之间的装配关系参数，设定每个旋转轴的旋转角度范围(限位)和旋转速度，设定协作机器人模型基座的固定位置以及模型的零点位置等。
在Solid Works中完成对各个关节的三维构型，这些关节模型的装配关系是没有保存在导出的格式文件中的。所以需要通过Coin3D的API函数对三维模型进行再次渲染，并且确定各个关节的自由度，进而保证协作机器人模型各关节之间有正确的相对运动关系。在完成自由度设定后，对每个运动关节即旋转轴进行限位设定，保证协作机器人模型的各个轴具有和机器人本体一样的运动范围。
在完成协作机器人的形态建模后，根据机器人的D-H参数建立相应数学模型的搭建，即机器人的运动学模型，包括机器人的正向运动学和逆向运动学。
步骤3，通过Qt Creator自带的窗口模型和函数对设定好的三维模型进行加载和显示；
步骤4，通过Qt Creator软件自带的UI界面进行人机界面的设定；
通过软件自带的控件进行各种功能函数编辑，来实现人机界面的设定，比如添加滑条控件来控制旋转轴进行旋转操作，添加速度条来控制旋转轴旋转速度，添加行编辑器控件接收来自键盘输入的位姿数据，添加标签控件来显示协作机器人当前的位姿信息，添加状态栏来显示一些操作和状态信息等。
步骤5，运行软件，进行人机交互的示教操作，通过人机界面上的控件或者外部输入设备来操作协作机器人模型到达指定位姿或者按照指定轨迹移动，同时点击人机界面的按钮记录操作过程中模型的关节角度变化情况。
在本步骤中进行示教操作有两种操作模式，界面控件操作模式和外部输入设备操作模式。在界面操作模式下，通过滑动预先设定好的滑条控件来控制相对应的旋转轴进行旋转，进而控制机器人模型到达指定的位置点或者按照指定轨迹移动。在外部设备操作模式下分为两种情况，一种是通过键盘设备直接在相应的行编辑器中输入位置点的关节坐标信息或者笛卡尔坐标信息，控制机器人模型到达指定的位置点；另一种是通过操作诸如空间鼠标和游戏杆之类的带有方向控制设备来控制机器人模型到达指定位姿或移动指定轨迹。在接收到来自键盘的关节坐标信息时，直接将采集到的数据转化为机器人模型的六个旋转轴的旋转角度变量发送给机器人模型；在接收到来自键盘的笛卡尔坐标信息时，将采集到的数据通过逆向运动学方程转化为相应的关节坐标信息，进而转化为旋转角度变量发送给机器人模型；在通过带有方向控制设备控制机器人模型时，调用设备接口API函数读取设备产生的实时数据，将数据转化为机器人模型的六个旋转轴的旋转角度变量发送给机器人模型。
步骤6，在点击停止示教按钮后，人机界面后台函数对存储的数据进行分析，去除示教过程中因采集密度小产生的冗余点，分段分析运动过程中的动作，结合协作机器人的运动指令，生成符合机器人模型示教过程的协作机器人运动程序文件，保存在电脑的指定目录下。
在本步骤中生成的运动程序文件可以通过人机界面上的文本编辑器控件显示修改。不同品牌的机器人拥有着不同的运动控制指令以及运行程序文件格式，在生成运动程序文件后，根据协作机器人控制器的品牌对文件内容进行相应运动指令的匹配修改。
在本步骤中有两种示教模式分别为点到点示教模式和连续轨迹示教模式。在点到点示教模式下，控制机器人模型运动到指定位置点，点击记录按钮，后台自动保存下当前位置的六个旋转轴的角度变量信息。在连续轨迹示教模式下，在点击开始示教按钮后，后台每个隔0.2秒采集存储一次机器人模型当前的六个旋转轴的角度变量信息，在点击停止示教按钮后，停止采集，并将以存储到的信息保存下来。
步骤7，轨迹复现操作；
在示教操作完成后，点击人机界面上的轨迹复现按钮，机器人模型会将示教过程出现过的位置和动作再一次的复现展示。观察模型的运行动作和整体运动情况。若感觉不满足要求，则重复步骤五；若感觉满足要求，将生成的运动程序文件传给协作机器人控制器，运行程序文件，机器人就可以展示在人机界面上进行过的示教动作。
在本步骤中人机界面复现操作有两种模式分别为单次复现模式和循环复现模式。点击单次复现按钮，后台会将保存的角度变量信息以六个为一组依次发送给机器人模型，进而控制模型复现出之前的示教操作。点击循环复现按钮，后台将保存到的角度变量信息以六个为一组依次发送给机器人模型，在完成全部存储数据的发送后，将再次发送存储的数据信息，该过程一直循环执行，直到点击停止复现按钮后，停止给机器人模型发送角度变量信息。
在本步骤中文件传输有两种途径。一种是通过U盘直接将生成的运动程序文件拷贝到机器人的控制器上；另一种是通过网线传输，依靠TCP通讯协议，通过指定的IP地址和端口号，将运行程序文件传送给机器人控制器。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
Claims (3)
1.一种基于Coin3D的协作机器人可视化仿真示教方法，其特征在于，采用Solid Works软件对协作机器人进行三维建模，通过Coin3D软件中的三维渲染引擎的API函数对协作机器人三维模型进行可视化仿真设定，利用Qt Creator软件作为中间平台对协作机器人三维模型进行加载和显示，并通过Qt Creator软件自带的UI界面进行人机界面的编制，通过人机界面进行人机交互并显示协作机器人的仿真模型；通过人机界面的界面控件以及外部输入设备控制三维模型运动；由人机界面生成协作机器人的运动控制程序，将示教结果在机器人本体上得到展示。
2.根据权利要求1所述的基于Coin3D的协作机器人可视化仿真示教方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一，通过SolidWorks软件建立协作机器人各个关节的三维模型，构建完成后依次导出各个关节的wrl格式文件；
步骤二，将Qt Creator软件作为中间平台，将各个关节的wrl格式文件通过Coin3D软件的API函数加载，并对关节三维模型进行渲染及参数设定，建立协作机器人的形态模型及运动学模型；
步骤三，利用Qt Creator软件自带的窗口模型和接口函数，对完成设定的三维模型进行加载和显示；
步骤四，在Qt Creator软件自带的UI界面，通过编辑控件函数设定功能控件；
步骤五，通过人机界面上的控件或者外部输入设备，操作协作机器人模型到达指定位姿或者按照指定轨迹移动，进行仿真示教；
步骤六，示教完成后，人机界面后台函数对存储的数据进行分析，去除示教过程中因采集密度小产生的冗余点，分段分析运动过程中的动作，结合协作机器人的运动指令，将协作机器人仿真模型示教过程生成的运动程序文件，保存在存储器中；
步骤七，轨迹复现；
步骤八，观察模型的仿真动作是否满足要求，若不满足要求，则重复步骤五至步骤七；若满足要求，则将生成的运动程序文件发送至协作机器人控制器。
3.根据权利要求2所述的基于Coin3D的协作机器人可视化仿真示教方法，其特征在于，步骤三中，利用Qt Creator软件自带的QWidget控件作为显示的载体，采用coin3D库函数加载机器人三维模型。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201030 |