机器人3D仿真系统教材
天津市太平村第二中学
张汝生整理
目录
前言 (2)
第一部分预备知识 (3)
1.1 虚拟机器人的结构与功能 (3)
1.1.1 身体结构 (3)
1.1.2 感觉器官 (3)
1.1.3 编程语言 (5)
1.2 《机器人3D仿真系统》能做什么 (5)
1.2.1 为机器人编写程序 (5)
1.2.2 创建环境 (5)
1.2.3 仿真运行 (6)
第二部分初试身手 (7)
第一课简易机器人安装 (8)
第二课机器人前进 (12)
第三课机器人转弯 (19)
第四课机器人走正方形 (22)
第五课机器人走五角星 (27)
第六课机器人走圆形 (32)
第七课落地扇 (35)
第八课机器人测障 (41)
第九课机器人走轨迹 (49)
第十课机器人走迷宫 (61)
第三章稳步前进 (64)
第十一课走正方形 (65)
第十二课赛车 (69)
第十三课曲棍球比赛 (74)
第十四课避障 (79)
第十五课街道灭火 (82)
第十六课消防员灭火 (86)
第十七课消防员搜索 (90)
第十八课机器人探宝 (94)
第十九课射门 (97)
第二十课点球 (101)
第二十一课测障 (105)
第二十二课过人 (108)
第四部分我能赢 (111)
4.1 灭火比赛 (111)
4.2机器人轨迹比赛 (111)
附录一：《机器人3D仿真系统》的安装 (111)
附录二：功能及函数说明 (111)
附录三：如何利用工具制作地面纹理 (111)
附件四：仿真机器人的端口说明 (111)
第一部分预备知识
在本章中，我们对《机器人3D仿真系统》作一个简单介绍，让读者初步了解机器人的结构、传感器和编程语言。在读完本章内容之后，相信读者就能方便地使用机器人3D仿真系统了。
1.1 虚拟机器人的结构与功能
1.1.1 身体结构
1.1.2 感觉器官
智能机器人的感觉功能，是由机器人身上的传感器实现的。纳英特机器人身上安装的传感器有以下几种：
1. 红外传感器
红外传感器由红外发射器和红外接收器两部分组成。当接收装置收到发射装置发射的红外信号，机器人即可利用收到的信号来识别周围特定环境的变化。机器人就是利用这一原理对检测其周围有、无障碍物的。红外传感器测到障碍物返回给主机的数值为1，没测到障碍物返回为0。红外传感器结构如图1-1所示。
图1-1 红外传感器结构图
2. 火焰传感器
火焰传感器能够检测光线的强度，检测到的值为0～255 之间的整数。光线越亮，检测到的数值越小；光线越暗，检测到的数值越大。此项功能跟实物的纳英特8位机器人基本相同。火焰传感器结构如图1-2所示。
图1-2 火焰传感器结构图
3. 碰撞传感器
碰撞传感器碰撞传感器是由一个接触导轮和一个接触开关组成。当接触导轮碰到物体时，接触开关会被按下。当开关按下时返回主机的数值为0，没按下时返回主机的数值为1，碰撞传感器结构如图1-3所示。
图1-3 碰撞传感器图示
碰撞方向的确定利用碰撞传感器，可以判断碰撞发生的方向，在机器人合适位置安装碰撞传感器，当某一处的碰撞传感器发生了碰撞，传感器返回的值为0，否则为1，利用这个值，可以确定发生碰撞的方向。
4. 地面灰度传感器
地面灰度传感器由一个发射装置和一个接收装置组成。发射装置发出的光照射到地面，接收装置通过检测返回的光线强度并将其转换为机器人可以识别的信号。不同颜色反射光的强度不同，颜色越深，反射光越弱，返回的数值就越大；反之，返回的数值就越小，检测到的值为0～255 之间的整数。此项功能跟实物的纳英特8位机器人基本相同。地面灰度传感器结构如图1-4所示。
图1-4 地面灰度传感器图示
5. 指南针传感器
指南针传感器是利用地球磁场辨别方向，并将其转换成机器人可以识别的模拟信号。指南针传感器的返回值为0～360之间的整数。可根据实际需要，将任意方位的传感器值调整设置为特定的值。指南针传感器结构如图1-5所示。
图1-5 指南针传感器图示
1.1.3 编程语言
纳英特智能机器人的编程语言是 C语言，由机器人C语言和流程图编程语言两部分组成。读者使用仿真版的时候，可以用流程图编程。在用流程图编程的同时，可以自动生成C代码，便于读者观察、解释或修改程序，参见图1－6。在图1－6 中，左边模块库，中间是流程图，右边是C代码。在流程图编辑界面右侧，即可看到当前程序的C代码。
图1-6
1.2 《机器人3D仿真系统》能做什么
1.2.1 为机器人编写程序
在纳英特机器人仿真版中，可以用流程图编写机器人程序，同时自动生成C 代码。也可以直接在打开程序编辑器的时候选择用C语言为机器人编写程序为。
1.2.2 创建环境
可以自由创建环境是机器人3D仿真的一个突出优点，这往往是使用真实的机器人时所做不到的。在纳英特3D仿真软件中，读者可以利用光源、障碍物构建各种环境，也可以利用画图工具画各种轨迹图然后导入到仿真中。如房间、迷宫、轨迹灭火场地等。下面的图1－7 就是用仿真版创建的一个场地―“机器人轨迹灭火”。
图1-7
1.2.3 仿真运行
仿真运行就是进入仿真环境，让虚拟机器人按照控制程序指令运行。编好程序、创建环境、搭建好机器人之后，就可以仿真运行了。因此，在仿真版中，读者能够直观地看到机器人运行的效果。
第二部分初试身手
本章内容是以机器人项目的形式编写的，既便于初学者入门，也便于已有基础的读者参考。通过本章的学习，读者学会简单程序的编写及机器人项目制作的基本步骤。
机器人，顾名思义，就是类似人的机器。本章主要介绍了机器人的执行器，即机器人的液晶显示屏、运动系统
、传感器，相当于人的口、腿脚、眼睛。读者只要边看边做，很快就能熟悉机器人了。
第一课简易机器人安装
1）打开仿真软件，在主界面上点击“机器人搭建”按钮。即可进入机器人编辑场景。如图2-1所示：
图2-1
2)在初始机器人选项中选择“新建”，机器人组件选项中选择“马达”，单击“添加部件”，然后用鼠标左键选择要添加部件的位置，如图2-2所示。
图2-2
3) 选中马达的装配点，再以装配点为旋转中心进行角度的调整，再点击要装配的主机位置，如图2-3所示。
图2-3
4) 安装好后，单击右键选择马达，单击左键“设置属性”，将左电机端口号设置为“0”，同样操作设置右电机端口号设置为“1”，（电机端口号可以设置为0、1、2、3）马达装配后如图2-4所示。
图2-4
5) 在机器人组件里选择“轮子”，在部件类型列表里选择“小轮宽胎”进行装配，为马达装配轮胎，装配方法和装马达的方法一样。装好后如图2-5所示。
图2-5
6) 最后再为机器人安装万向轮。在机器人组件里选择“轮子”，在部件类型列表里选择“万向轮”进行装配。装配好如图2-6所示。
图2-6
单击完成，保存机器人。这样就完成一个简单的机器人马达、轮子的装配。
第二课机器人前进
学习任务
本节课将学习控制机器人前进和驱动左右电机的方法，学习使用执行器模块库中的“移动”模块和“启动电机”模块编写程序，熟悉制作仿真项目的基本不步骤和方法。（本节课需用的机器人同第一课搭建的机器人）
场地搭建
软件点击场地编辑即可进入场景编辑部分：
场景组件选择：标识点——起始点，如图2-6所示。
长度、宽度调节栏
位移方向盘
图2-6
添加到场景中如上图所示，在起始点上点击鼠标右键选择设置属性，通过左侧上方的长度和宽度条对起始点的大小进行调节，同时可通过下方位移方向盘，对起始点位置进行调节。
场地编辑完成后点击右下角“完成”按钮保存文件。文件命名为“机器人前进-场地”。
程序设计
1）点击主界面上的“进入仿真”，在“程序代码”下拉菜单中选择“新建”——开始程序的编写给机器人赋予智慧。如图2-7所示。
图2-7
一般选用流程图文件。如果能熟练运用C语言的也可以选择C语言文件。
2）进入机器人编程环境，拖动执行器模块库中的“移动”模块到“主程序”下，如图2-8所示。
单击鼠标左键拖到“主程序”下
图2-8
在拖动时，必须将拖动的模块对准“主程序”下方的黑色箭头，当箭头变为红色时，松开鼠标左键，这样才能成功地将此模块与主程序连接起来。如果模块图标的外框是虚线框，则表示模块之间没有正确连接，此时，可以用鼠标左键拖动模块重新连接也可以单击鼠标左键选中错误连接的模块，按Delete 键，确认后删除。
双击“移动”图标，进行参数设置。左右电机分别输入相同的数值70，此时电机正转，如图2-9所示。
图2-9
3）在模块库中选择 “延时”模块，并拖动到“前进”模块下面，正确连接后双击“延时”模块设置机器人时间为1.5秒钟，如图2-10 所示。
图2-10
4）在程序设计中，当机器人到达目的地后停下来，需要从执行器模块库中拖动“停止”模块到“延时”模块下,并设置参数让机器人停止。取消选择停止所有电机，选择电机0、电机1，设置完成后，程序流程图中的“停止”模块，显示为“停止电机0,1”。如果机器人安装有多个电机，则根据机器人装配的实际情况选择停止相应的电机，如图2-11所示。
1．输入70
2．输入70
3．单击
1．拖动“延时”
2．双击
4．输入时间值
5．单击确定
3．选中时间精确度
1．拖动“停止”模块到
“延时”模块下
3．单击确定
2．双击
图2-11
最后关闭窗口并保存文件到默认的目录下，命名为“机器人前进-程序”。如图2-12所示。
图2-12
仿真运行
点击“进入仿真”进入机器人组队的设置界面，规则选择“常规”，场地选择保存的场地：机器人前进-场地；分组不用设置；机器人名称可以随便命名；程序代码选择保存的程序：机器人前进-程序；机器人选择第一课搭建的机器人。此时点击“下一步”进入仿真。具体设置如图2-13所示。
图2-13
在下面这个界面上点击“进入仿真”会自动跳出保存项目对话框。输入项目名称即可以对做好的仿真项目进行保存以便在快速启动中打开。如图2-14所示。
图2-14
保存好之后，将进入如图的界面点击“开始”，开始运行做好的仿真。如图2-15所示。
热博机器人3D仿真系统 用 户 手 册
杭州热博科技有限公司 1.软件介绍 RB-3DRSS是热博科技有限公司新近推出的一款以.NET平台为基础，在Microsoft Windows平台上使用3D技术开发的3D机器人仿真软件。用户通过构建虚拟机器人、虚拟环境，编写虚拟机器人的驱动程序，模拟现实情况下机器人在特定环境中的运行情况。 RB-3DRSS与市面上的同类产品相比，它具有如下的特点： 1．全3D场景。用户可自由控制视角的位置，角度。 2．先进的物理引擎技术，引入真实世界的重力、作用力、反作用力、速度、加速度、摩擦力等概念，是一款真正意义上的仿真软件。 3．逼真的仿真效果。采用虚拟现实技术，高度接近实际环境下的机器人运动状态，大大简化实际机器人调试过程。
4．实时运行调试。运行时，依据实际运行情况，调整机器人参数，帮助用户快速实现理想中的效果。 5．自由灵活的机器人搭建与场地搭建。用户可自由选择机器人及其配件，进行机器人搭建，可自行编辑3D训练比赛场地，所想即所得。 6．单人或多人的对抗过程。用户可添加多个机器人，自由组队进行队伍间对抗。7．与机器人图形化开发平台无缝连接。其生成的控制程序代码可在虚拟仿真系统中直接调用，大大节省编程时间。
系统配置要求 操作系统:win98,win2000全系列,winXp,win2003 server 运行环境:.Net Framework v2.0,DirectX 9.0c 最低硬件配置： 2.0GHz以上主频的CPU,512M内存,64M显存以上的3D显卡.支持1024×768分辨率,16bit颜色的监视器，声卡 推荐配置： 3.0G以上主频的CPU,1G内存,128M显存的3D显卡，支持1024×768分辨率,16bit 颜色监视器，声卡
《工业机器人工程应用虚拟仿真》课程标准 制定人：高亮制定时间：2016年10月 批准人：批准时间： 适用专业：工业机器人技术专业课程类型： 建议学时：102 学分：8 本课程旨在提高学生在机器人方面的综合素质，着重使学生掌握从事机器人加工类企业中机器人工作所必备的知识和基本技能，初步形成处理实际问题的能力。培养其分析问题和解决问题的学习能力，具备继续学习专业技术的能力；在本课程的学习中渗透思想道德和职业素养等方面的教育，使学生形成认真负责的工作态度和严谨的工作作风，为后续课程学习和职业生涯的发展奠定基础。一、课程分析 （一）教学计划的制定和教学内容的选取 根据培养应用技能型人才总目标，制订本专业教学计划，课程的教材配套，教学、实验、实训、课程设计大纲和指导书等教学文件齐全，近几年来引入了现代教学技术手段，已初步建设、形成了具有特色的全套课堂教学和实验教学课件。 根据该课程的基本教学要求和特点，结合学时的安排，从教材的整体内容出发，有侧重地进行取舍，筛选出学生必须掌握的基本教学内容，较好地解决了教学中质量与数量的矛盾。 通过本课程的学习，使学生了解工业机器人工程应用虚拟仿真的基础知识、机器人虚拟仿真的基本工作原理；掌握机器人工作站构建、RobotStudio中的建模功能、机器人离线轨迹编程、Smart组件的应用、带轨道或变位机的机器人系统创建于应用，以及RobotStudio的在线功能，具备使用RobotStudio仿真软件的能力和针对不同的机器人应用设计机器人方案的能力，为进一步学习其它机器人课程打下良好基础。 （二）教学方法分析 1、本课程适宜采用理论、实践一体化的教学方法。坚持理论联系实际，突出实际上机训练，切实保证技能训练教学的时间和质量。
注：1）2008年春季讲课用；2）带下划线的黑体字为板书内容；3）公式及带波浪线的部分为必讲内容第3章工业机器人静力学及动力学分析 3.1 引言 在第2章中，我们只讨论了工业机器人的位移关系，还未涉及到力、速度、加速度。由理论力学的知识我们知道，动力学研究的是物体的运动和受力之间的关系。要对工业机器人进行合理的设计与性能分析，在使用中实现动态性能良好的实时控制，就需要对工业机器人的动力学进行分析。在本章中，我们将介绍工业机器人在实际作业中遇到的静力学和动力学问题，为以后“工业机器人控制”等章的学习打下一个基础。 在后面的叙述中，我们所说的力或力矩都是“广义的”，包括力和力矩。 工业机器人作业时，在工业机器人与环境之间存在着相互作用力。外界对手部（或末端操作器）的作用力将导致各关节产生相应的作用力。假定工业机器人各关节“锁住”，关节的“锁定用”力与外界环境施加给手部的作用力取得静力学平衡。工业机器人静力学就是分析手部上的作用力与各关节“锁定用”力之间的平衡关系，从而根据外界环境在手部上的作用力求出各关节的“锁定用”力，或者根据已知的关节驱动力求解出手部的输出力。 关节的驱动力与手部施加的力之间的关系是工业机器人操作臂力控制的基础，也是利用达朗贝尔原理解决工业机器人动力学问题的基础。 工业机器人动力学问题有两类：(1)动力学正问题——已知关节的驱动力，求工业机器人系统相应的运动参数，包括关节位移、速度和加速度。(2)动力学逆问题——已知运动轨迹点上的关节位移、速度和加速度，求出相应的关节力矩。 研究工业机器人动力学的目的是多方面的。动力学正问题对工业机器人运动仿真是非常有用的。动力学逆问题对实现工业机器人实时控制是相当有用的。利用动力学模型，实现最优控制，以期达到良好的动态性能和最优指标。 工业机器人动力学模型主要用于工业机器人的设计和离线编程。在设计中需根据连杆质量、运动学和动力学参数，传动机构特征和负载大小进行动态仿真，对其性能进行分析，从而决定工业机器人的结构参数和传动方案，验算设计方案的合理性和可行性。在离线编程时，为了估计工业机器人高速运动引起的动载荷和路径偏差，要进行路径控制仿真和动态模型的仿真。这些都必须以工业机器人动力学模型为基础。 工业机器人是一个非线性的复杂的动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间。因此，简化求解过程，最大限度地减少工业机器人动力学在线计算的时间是一个受到关注的研究课题。 在这一章里，我们将首先讨论与工业机器人速度和静力学有关的雅可比矩阵，然后介绍工业机器人的静力学问题和动力学问题。
中学信息技术《机器人仿真系统》教案第16课机器人仿真系统 【教学目标】 .知识目标 ◆认识仿真下的虚拟机器人； ◆能用NSTRSS设计场地、构建机器人并利用仿真环境进行组队测试。 2．过程与方法 ◆通过教师演示在虚拟仿真环境下的机器人运行，激发学生兴趣； ◆通过教师讲解虚拟仿真软件，培养学生对新软件的兴趣； ◆通过让学生自己动手调试，体会学习新事物的乐趣。 3．情感态度与价值观 ◆使学生领悟“自由无限，创意无限，只有想不到，没有做不到”的道理； ◆培养学生积极探索、敢于实践、大胆创新的精神和意识。 【教法选择】 示例讲解、任务驱动、辅导答疑。 【教学重点】 ．用NSTRSS仿真系统设计仿真场地；
2．搭建仿真机器人； 3．运行仿真。 【教学难点】 ．设计场地； 2．搭建仿真机器人。 【教学过程】 一、巩固1日知，引入新知 教师活动 将上节课学生完成的在现实场地中运行的走迷宫机器人进行分组比赛，一是能够检验学生的学习情况，二是能调动起学生的积极性，三是为引入仿真系统做准备。 学生活动 小组合作，调试机器人程序，检查机器人的搭建，准备比赛。 教师活动 通过比赛，提出问题：同学们想不想经常地进行这样的比赛呢?但是在现实中调试，需要很多的时间，而且还需要固定的场地环境等等，非常不方便，我们有没有什么好办法解决这个问颢？ 引入纳英特的仿真模拟系统，展示它的特点，与现实情况做比较。 教师给学生演示讲解：
．关于仿真系统 什么是仿真系统?仿真系统是机器人的设计、实现，完全在虚拟的环境中，以虚拟的形式出现，它以优化机器人硬件和软件设计、缩短研发周期、节约成本为特色，解决机器人设计过程的不足。 2．初识NSTRSS软件 NSTRSS是NST科技新近推出的一款以．NET平台为基础，使用microsoftDirectX9．0技术的3D机器人仿真软件。用户通过构建虚拟机器人、虚拟环境，编写虚拟机器人的驱动程序，模拟现实情况下机器人在特定环境中的运行情况。 NSTRSS与市面上的同类产品相比，它具有如下的特点：全3D场景。用户可自由控制视角的位置及角度，甚至以第一人称方式进行场景漫游； 逼真的仿真效果。采用虚拟现实技术，高度接近实际环境下的机器人运动状态，大大简化实际机器人调试过程； 实时运行调试。运行时，依据实际运行情况，调整机器人参数，帮助用户快速实现理想中的效果； 自由灵活的机器人搭建与场地搭建。用户可自由选择机器人及其配件，进行机器人搭建，可自行编辑3D训练比赛场地，所想即所得； 单人或多人的对抗过程。用户可添加多个机器人，自由组队进行队伍间对抗；
1 主要介绍以下七种仿真平台(侧重移动机器人仿真而非机械臂等工业机器人仿真)： 1.1 USARSim-Unified System for Automation and Robot Simulation USARSim是一个基于虚拟竞技场引擎设计高保真多机器人环境仿真平台。主要针对地面机器人，可以被用于研究和教学，除此之外，USARSim是RoboCup救援虚拟机器人竞赛和虚拟制造自动化竞赛的基础平台。使用开放动力学引擎ODE(Open Dynamics Engine)，支持三维的渲染和物理模拟，较高可配置性和可扩展性，与Player兼容，采用分层控制系统，开放接口结构模拟功能和工具框架模块。机器人控制可以通过虚拟脚本编程或网络连接使用UDP协议实现。被广泛应用于机器人仿真、训练军队新兵、消防及搜寻和营救任务的研究。机器人和环境可以通过第三方软件进行生成。软件遵循免费GPL条款，多平台支持可以安装并运行在Linux、Windows和MacOS操作系统上。 1.2 Simbad Simbad是基于Java3D的用于科研和教育目的多机器人仿真平台。主要专注于研究人员和编程人员热衷的多机器人系统中人工智能、机器学习和更多通用的人工智能算法一些简单的基本问题。它拥有可编程机器人控制器，可定制环境和自定义配置传感器模块等功能，采用3D虚拟传感技术，支持单或多机器人仿真，提供神经网络和进化算法等工具箱。软件开发容易，开源，基于GNU协议，不支持物理计算，可以运行在任何支持包含Java3D库的Java客户端系统上。 1.3 Webots Webots是一个具备建模、编程和仿真移动机器人开发平台，主要用于地面机器人仿真。用户可以在一个共享的环境中设计多种复杂的异构机器人，可以自定义环境大小，环境中所有物体的属性包括形状、颜色、文字、质量、功能等也都可由用户来进行自由配置，它使用ODE检测物体碰撞和模拟刚性结构的动力学特性，可以精确的模拟物体速度、惯性和摩擦力等物理属性。每个机器人可以装配大量可供选择的仿真传感器和驱动器，机器人的控制器可以通过内部集成化开发环境或者第三方开发环境进行编程，控制器程序可以用C，C++等编写，机器人每个行为都可以在真实世界中测试。支持大量机器人模型如khepera、pioneer2、aibo等，也可以导入自己定义的机器人。全球有超过750个高校和研究中心使用该仿真软件，但需要付费，支持各主流操作系统包括Linux, Windows和MacOS。 1.4 MRDS-Microsoft Robotics Developer Studio MRDS是微软开发的一款基于Windows环境、网络化、基于服务框架结构的机器人控制仿真平台，使用PhysX物理引擎，是目前保真度最高的仿真引擎之一，主要针对学术、爱好者和商业开发，支持大量的机器人软硬件。MRDS是基于实时并发协调同步CCR(Concurrency and Coordination Runtime)和分布式软件服务DSS(Decentralized Software Services)，进行异步并行任务管理并允许多种服务协调管理获得复杂的行为，提供可视化编程语言(VPL)和可视化仿真环境(VSE)。支持主流的商业机器人，主要编程语言为C#，非商业应用免费，但只支持在Windows操作系统下进行开发。 1.5 PSG-Player/Stage/Gazebo
工业机器人教学实训室方案 1、XS-XN虚拟工业机器人教学实训系统技术指标: （可对FANUC、ABB、KUKA、MOTOMAN（安川）等工业机器人进行现场示教编程学习）1.1、虚拟工业机器人教学实训系统组成： 虚拟机器人教学实训系统单元是在计算机中构造虚拟的六自由度工业机器人应用环境，学员可以使用真实的手持盒，操作虚拟工业环境中的虚拟机器人，包括示教、再现编程等。都能在系统中通过工业机器人的三维图形仿真出来。
1.2、虚拟工业机器人教学实训系统功能要求： ★该实训系统需采用真实的工业机器人控制系统和真实手持示教器控制虚拟的工业机器人完成工业机器人的现场示教编程教学要求。 ★该实训系统配两个不同工业机器人手持示教盒，通过更换手持示教器能够对ABB、FANUC两种品牌工业机器人进行现场示教编程训练； 该实训系统能够支持外部三维模型的导入功能，增加教学的多样性。 ★该实训系统具有工业机器人的理论考试考工及实践考试考工功能，能够自动出题、评分。 该实训系统具有机器人碰撞检测功能，可以检测学示教过程中发生的碰撞错误。1.3虚拟工业机器人教学实训系统技术要求：
1.4、基本技术参数 输入电源:AC220V±10%(单相三线)；配AC220V 三眼插座1个 整体功率：<400VA； 工作环境：温度-5oC～+40oC；湿度85%（25oC）；海拔＜4000m； 安全保护：具有漏电保护，安全符合国家标准 1.5、能够开设的实验内容 A．原理性实验： 1.多自由度工业机器人关节运动控制底层算法实验 2.多自由度工业机器人直线运动轨迹控制底层算法实验 3.多自由度工业机器人圆弧运动轨迹控制底层算法实验 4.多自由度工业机器人加减速约束控制底层算法实验 B.应用性实验： 1.工业机器人手持示教器的认知及使用实验 2.工业机器人各类坐标系转换实验 3.工业机器人编程指令的学习实验 4.工业机器人工具坐标系和用户坐标系设置实验 5.工业机器人控制器IO信号设置和监控实验 6.工业机器人参数、变量的调整实验 7.工业机器人程序调用和自动运行实验 8.工业机器人机床上下料示教编程实验 9.工业机器人的搬运/堆垛示教编程实验 10.工业机器人的点胶/焊接示教编程实验 11.工业机器人装配示教编程实验 12.工业机器人碰撞实验 C.技能考核 1.工业机器人理论考试考工 2.工业机器人实践考试考工 1.6、配套资料 工业机器人操作与编程理论教学大纲
工业机器人工程应用虚拟仿真教程教学提纲 一、说明 1．课程的性质和内容 《工业机器人工程应用虚拟仿真教程》课程是高级技工学校工业机器人应用与维护专业的专业课。主要内容包括：Robot Studio软件的操作、建模、Smart 组建的使用、轨迹离线编程、动画效果的制作、模拟工作站的构建、仿真验证以及在线操作。 2．课程的任务和要求 本课程的主要任务是培养学生熟练操作Robot Studio软件，并能通过Robot Studio软件对工业机器人进行应用开发、调试、现场维护，为学生从事工业机器人工程技术人员打下的必要的专业基础。 通过本课程的学习，学生应该达到以下几个方面的专业基础。 （1）了解Robot Studio工业机器人仿真软件的基础知识，掌握软件使用方法和技巧。 （2）掌握构建基本仿真工业机器人工作站的方法。 （3）能熟练在Robot Studio软件中创建工件、工具模型。 （4）掌握工业机器人离线轨迹编程方法。 （5）掌握Smart组建的应用。 （6）掌握带导轨和变位机的机器人系统创建于应用方法。 （7）了解ScreenMaker示教器用户自定义界面的操作。 （8）掌握Robot Studio软件的在线功能。 3．教学中注意的问题 （1）本课程教学最好采用理论与实际相结合的一体化教学方式，借助多媒体网络教室，一人一机，使用多媒体课件讲解与软件操作相结合。 （2）理论教学中应帮助学生总结并灵活运用所学的相关知识，本着够用的原则讲授，切忌面面俱到。对工业机器人仿真操作不作深入探讨，仅作一般性了解。
（3）实践教学环节中对工业机器人Robot Studio仿真软件常用功能作简单介绍，重点培养学生使用软件对工业机器人进行基本操作、功能设置、二次开发、在线监控与编程、方案设计和检验。教师教学中多联系生产实际并选用一些工业上经典的工业机器人使用案例进行讲解，提高学生对工业机器人进行应用开发、调试、现场维护的能力。 二、学时分配表
1.3 简介能力风暴机器人仿真系统 学习智能机器人，除了需要具备机器人硬件外，还需要为机器人编写控制程序，并在场地上进行反复调试。但如果手边暂时既无机器人实物，又无真实场地，我们还能学习和研究机器人吗？答案是可以的。能力风暴机器人为我们提供了一套仿真的VJC系统软件，在这个仿真系统中，我们不仅可以为机器人编写各种控制程序，同时还可以将编制的程序下载到仿真的机器人上，并在仿真的场地中进行模拟运行和调试,体验机器人控制的全过程。本节我们就来认识VJC系统仿真版软件，学习构建仿真场地和仿真调试的方法。 1.3.1 认识VJC系统仿真版软件 1．VJC系统仿真版软件的安装 安装VJC系统仿真版的方法很简单，先打开本书配套光盘上的“VJC系统软件\VJC1.5仿真版”文件夹，找到名为“setup.exe”的安装程序，用鼠标双击该文件，系统自动将其安装到C盘中，并在Windows桌面上自动生成一个“VJC1.5仿真版”的快捷方式图标，软件安装的路径默认为：C:\program files\VJC1.5仿真版。如果我们使用的计算机中已经安装了VJC系统仿真版，则安装这一步可以跳过不做。 2．VJC系统仿真版软件的启动及主界面 当需要进入VJC系统仿真版编程时，只要双击桌面上的“VJC1.5仿真版”快捷方式图标，就可进入VJC的编程环境。 VJC编程环境的主界面见图1-3-1。可以看出，主界面包含了以下几个部分： （1）菜单栏及工具栏：位于窗口上方，工具栏上除了新建、打开、保存等常规按钮外，还有仿真、JC代码、缩放等按钮,见图1-3-2所示。 （2）模块库：位于窗口左侧，共有五大类模块库，其中：执行器模块库包含了基本动作模块，这是控制机器人运动的基本模
第一课教学机器人 一、教学目标 帮助学生了解机器人的由来 二、重点难点 使学生理解机器人是靠什么来思考，机器人的部分。 三、教学过程： 第一课时机器人的故事 新课导入 “robot”一词源出自捷克语“robota”，意为“强迫劳动”。1920年捷克斯洛伐克作家萨佩克写了一个名为《洛桑万能机器人公司》的剧本,他把在洛桑万能机器人公司生产劳动的那些家伙取名“Robot”,汉语音译为“罗伯特”，捷克语意为“奴隶”——萨佩克把机器人的地位确定为只管埋头干活、任由人类压榨的奴隶，它们存在的价值只是服务于人类。它们沒有思维能力,不能思考,只是类似人的机器,很能干, 以便使人摆脱劳作。它们能生存20年,刚生产出来时由人教它们知识。它们不能思考，也有感情，一个人能干三个人的活，公司为此生意兴隆。后来一个极其偶然的原因,机器人开始有了知觉,它们不堪忍受人类的统治,做人类的奴隶,于是,机器人向人类发动攻击,最后彻底毁灭了人类。“机器人”的名字也正式由此而生。 新课讲授 第一代机器人只能用手抓取东西，用脚行走，听“懂”主人的语言，做一些重复性的机械动作。人们把它称为工业机器人。现在，机器人经过好几代的更新改造，已经能和人们自由交谈，沟通语言，并灵活地走动。也就是说，它不仅有了听觉、视觉、触觉，而且还具有记忆、学习、思维和判断能力。人们把新一代的机器人称为智能机器人。 明天的高级智能机器人将比今天的智能机器人具有更丰富的感觉功能和更熟练的活动能力。到那时，家庭里将有服务周到、态度和蔼可亲的家庭机器人。早晨，主人吃过早点上班以后，它立即用吸尘器清的房间，用洗衣机洗涤(dí)主人换下的衣服。电话铃响了，它马上拿起耳机，在一张便条上记下对话内容。“哇——”摇篮里的婴儿醒了，它又像慈祥的母亲一样抱起婴儿，喂水、喂奶，轻声哼(hēng)起一支优美动听的催眠曲，把婴儿再一次送入梦乡。门铃响了，它并不急于开门，而首先问来访者是谁，然后根据来访者的声音仔细辨别他是不是主人的客人，以此决定是否开门。即使是盗贼的恐吓，它也不会害怕，而是声色俱厉地高喊：“快走，你这个无赖(lài)!再不走，我要报警了!”盗贼听到这喊声，只好胆战心惊地走开。做午餐的铃声响了，
1 主要介绍以下七种仿真平台 (侧重移动机器人仿真而非机械臂等工业机器人仿真 : 1.1 USARSim-Unified System for Automation and Robot Simulation USARSim 是一个基于虚拟竞技场引擎设计高保真多机器人环境仿真平台。主要针对地面机器人, 可以被用于研究和教学, 除此之外, USARSim 是 RoboCup 救援虚拟机器人竞赛和虚拟制造自动化竞赛的基础平台。使用开放动力学引擎 ODE(Open Dynamics Engine,支持三维的渲染和物理模拟,较高可配置性和可扩展性,与 Player 兼容,采用分层控制系统, 开放接口结构模拟功能和工具框架模块。机器人控制可以通过虚拟脚本编程或网络连接使用 UDP 协议实现。被广泛应用于机器人仿真、训练军队新兵、消防及搜寻和营救任务的研究。机器人和环境可以通过第三方软件进行生成。软件遵循免费 GPL 条款, 多平台支持可以安装并运行在Linux 、 Windows 和 MacOS 操作系统上。 1.2 Simbad Simbad 是基于 Java3D 的用于科研和教育目的多机器人仿真平台。主要专注于研究人员和编程人员热衷的多机器人系统中人工智能、机器学习和更多通用的人工智能算法一些简单的基本问题。它拥有可编程机器人控制器, 可定制环境和自定义配置传感器模块等功能, 采用 3D 虚拟传感技术, 支持单或多机器人仿真,提供神经网络和进化算法等工具箱。软件开发容易,开源,基于 GNU 协议,不支持物理计算,可以运行在任何支持包含 Java3D 库的 Java 客户端系统上。 1.3 Webots Webots 是一个具备建模、编程和仿真移动机器人开发平台, 主要用于地面机器人仿真。用户可以在一个共享的环境中设计多种复杂的异构机器人, 可以自定义环境大小, 环境中所有物体的属性包括形状、颜色、文字、质量、功能等也都可由用户来进行自由配置,它使用 ODE 检测物体碰撞和模拟刚性结构的动力学特性, 可以精确的模拟物体速度、惯性和摩擦力等物理属性。每个机器人可以装配大量可
利用虚拟仿真技术辅 助机器人
关于利用虚拟仿真技术辅助机器人维修示教的探讨 周政华 (山西华泽铝电有限公司电解厂) 摘要:利用机器人虚拟仿真技术，可使检修人员在系统离线状态下对机器人进行编程，并以三维图形方式显示出机器人实际运行轨迹，这样通过 离线编程平台进行新系统的测试，既避免了应用上的风险，保证了机器 人系统的安全性，同时又降低了新程序应用的测试成本，并可以作为培 训系统供检修人员进行虚拟操作使用。 关键词：虚拟仿真离线编程机器人 1 引言 在实际设备运行过程中存在许多影响正常生产状态的因素，而如何优化生产过程，减少这些因素所造成的损失，而仿真技术可以将设备放在一个虚拟环境中，通过对已出现或未知的问题进行模拟，为找出解决此类问题提供了便捷的方法，这样不仅可以减少检修时间，保证生产的正常，也可以保证操作安全。而机器人离线技术的出现以及虚拟仿真技术的发展，正是应这样的要求，不仅可以将人从危险和恶劣的环境中解脱出来，也可以解决远程控制中的通信延时问题，同时利用机器人仿真技术可直观显示出机器人实际运行轨迹，而且不占用机器人作业时间，有利于提高经济效益。 2仿真基本理论 机器人仿真技术分为两大类：第一大类是设计机器人时所必须具有的结构分析和运动分析仿真包括：(1)机器人的物理特性，比如
形状等；(2)是机器人的动态特性，比如加速度、速度等，这需要参考机器人本身的动力学方程，而这个方程用来描述机器人的运动轨迹和特性。 2.1机器人的结构仿真主要是对机器人进行物理特性仿真，在虚拟环境中是以三维实体模型表现的，可以用市面上较常用的 Pro/E、UG、CATIA等三维设计软件进行建模。 2.2 机器人的运动学仿真是通过对建立的的函数模型，然后利用ADMAS、Matlab等专业软件对模型进行运动分析，例如图2.1为一台串联六自由度关节式机器人。 图2.1 两个相邻坐标系i与i-1间的齐次变换矩阵(i=1,2,3…,6)为 其中:a i-1为杆长；d i为杆件偏距； i为关节变量。经运动学整解，可得到机器人末端的位姿，而已知机器人末端的位姿，经过运
最 特 别 的 机 器 人 科 技 前 沿 课程： 院系： 专业： 学号： 姓名：
最特别的机器人科技前沿 【摘要】机器人的出现和发展，对全人类的发展具有巨大的影响，机器在很多领域代替了人类自己操作，使人类的生产能力有了巨大的提高。随着智能机器人的研发，机器人将进一步为人类服务，本文主要从不同的角度来探讨仿真机器人的科技原理、应用、影响等。 【关键字】机器人；仿真系统；应用；影响；发展 在人类的发展史中，机器人扮演着一个十分重演的角色，特别是现代机器人。首先让我们来看看机器人的发展简史。追根溯源，早在三千多年前的西周时代，我国就出现了能歌善舞的木偶，称为“倡者”，这可能是世界上最早的“机器人”。在近代，随着第一次、第二次工业革命，各种机械装置的发明与应用，世界各地出现了许多“机器人”玩具和工艺品。这些装置大多由时钟机构驱动，用凸轮和杠杆传递运动。1920年，捷克作家K.凯比克在一科幻剧本中首次提出了ROBOT （汉语前译为“劳伯”）这个名词。现在已被人们作为机器人的专用名词。1950 年美国作家I.阿西莫夫提出了机器人学（Robotics）这一概念，并提出了所谓的“机器人三原则”，即：1.机器人不可伤人；2.机器人必须服从人给与，但不和（1）矛盾的指令； 3.在与（1）、（2）原则不相矛盾的前提下，机器人可维护自身不受伤害。上世纪50，60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人进入了使用化阶；70年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机器人得到了迅速发展；进入80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人—有感觉的机器人。它能够获得作业环境和作业对象的部分有关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。第二代机器人已进随着时代的发展，入了使用化，在工业生产中得到广泛应用。 科学技术日新月异。我们的生活无时无刻不在被新科学新技术影响着、改变着。特别是机器人的到来更是给我们的生活和生产带来了巨大的改变，特别是工业机器人在日本大力发展之后，机器人的发展迎来了一个新的春天。到了上世纪80年代，随着科技的进步，人类也在不断地研发更人性化的机器人，于是科学家们开始了研究一种新的机器人——仿真机器人。 随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。既然有了技术，人类就想最大化利用他们，让他们具有更大的价值，于是人们将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——仿真机器人。 看到仿真机器人这几个字，就能想到仿真技术是他的核心技术，那么下面就针对机器人仿真技术和仿真设计简单介绍一下。机器人系统仿真是指通过计算机对实际的机器人系统进行模拟的技术。通过计算机对实际的机器人系统进行 模拟。机器人系统仿真可以通过单机或多台机器人组成的工作站或生产线。仿真可以通过交互式计算机图形技术和机器人学理论等，在计算机中生成机器人的几何图形，并对其进行三维显示，用来确定机器人的本体及工作环境的动态变化过程。通过系统仿真，可以在制造单机与生产线之前模拟出实物，缩短生产工期，可以避免不必要的返工。在使用的软件中，工作
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/bc3422763.html, MATLAB在机器人虚拟仿真实验教学中的应用 作者：刘相权 来源：《教育教学论坛》2018年第15期 摘要：本文简要介绍了MATLAB在机器人虚拟仿真实验教学中的基本应用。以 PUMA560机器人为研究对象，在MATLAB环境下，用Robotics Toolbox建立了该机器人的运动学模型，并对其进行求解，绘制了关节运动曲线和机器人末端运动轨迹。通过使用虚拟仿真技术，使学生的创新能力和实践能力得到提高。 关键词：MATLAB；机器人；虚拟仿真；实验教学 中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）15-0261-02 在机器人学课程的实验教学中，一方面由于机器人价格比较昂贵，不可能用许多实际的机器人来作为教学实验设备，另一方面，由于机器人的教学涉及大量数学运算，手工计算烦琐，采用虚拟仿真技术可以有效地提高教学的质量和效率，在实验教学中的作用越来越明显[1]。 本文以PUMA560机器人为研究对象，采用改进的D-H法分析其结构和连杆参数，运用Robotics Toolbox构建运动学模型并进行运动学仿真。 一、PUMA560机器人的结构及连杆参数 PUMA560机器人是美国Unimation公司生产的6自由度串联结构机器人，本文采用改进 的D-H法建立6个杆件的固接坐标系，如图1所示。 二、PUMA560机器人的运动学仿真 1.机器人模型的建立。在Robotics Toolbox中，构建机器人模型关键在于构建各个杆件和关节，Link函数用来创建一个杆件，其一般形式为： L=Link（[theta d a alpha sigma]，CONVENTION） 根据表1的数据，构建模型的仿真程序如下： 三、结束语 通过研究利用MATLAB软件进行虚拟仿真实验教学，克服了机器人实验设备数量不足的现状，把学生从烦琐的数值计算中解脱出来，实现了实验教学的创新，获得了良好的教学效
机器人系统仿真 机器人系统仿真是指通过计算机对实际的机器人系统进行模拟的技术。目录 1英文 2简介 3发展概况 4机器人本身的设计和研究 5机器人的教学和培训 6遥控操作机器人 7仿真平台开发软件OpenGL 技术 1英文 机器人系统仿真 【simulation of robot system】 2简介 通过计算机对实际的机器人系统进行模拟。机器人系统仿真可以通过单
仿真机器人 机或多台机器人组成的工作站或生产线。仿真可以通过交互式计算机图形技术和机器人学理论等，在计算机中生成机器人的几何图形，并对其进行三维显示，用来确定机器人的本体及工作环境的动态变化过程。通过系统仿真，可以在制造单机与生产线之前模拟出实物，缩短生产工期，可以避免不必要的返工。在使用的软件中，工作站级的仿真软件功能较全，实时性高且真实性强，可以产生近似真实的仿真画面；而微机级仿真软件随实时性和真实性不高，但具有通用性强、使用方便等优点。目前机器人系统仿真所存在的主要问题是仿真造型与实际产品之间存在误差，需要进一步的研究解决。 3发展概况 国外很早便认识班机器人仿真在机器^研究和应用方面的重要作用，并从70年代开始进行了这方面的研究工作．在许多从事机器人研究的部门都装备有功能较强的机器人仿真软件系统，它们为机器人的研究提供了灵活和方便的工具倒如，美国Cornell大学开发了一个通用的交互式机器人图形仿真系统INEFFABELLE，它不是针对某个具体机器人，而是利用它可以很容易建立所需要的机器人及环境的模型，并且具有图形显示和运动的功能。西德Saarlandes大学开发了一个机器人仿真系统R0BsIM，它能进行机器人系统的分析、综合及离线编程，美国Maryland大学开发了一个机械手设计和分析的工具DYNAMAN，它能产生机械手的动力学模型．根据需要可以自动产生F0RTRAN 的仿真程序，同时也可产生符号表示的雅可比矩阵MIT开发了一个机器人CAD软件包OPTARMⅡ，它可用于时间最优轨迹规划的研究。Michigan大学开发了一个机器人图形编程系统——PR0GREss，其特点是菜单驱动和光标控制，并能有219图形符号来仿真外界的传感器和执行部件，以使用户获得更加接近真实的编程环境． 自80年代以来国外已建成了许多用于机器人工作站设计和离线编程的仿真系统，例如美国McAuto公司开发了机器人仿真系统PLACE，它主要用于机器人工作站的设计；
作图步骤： 1、双击桌面ROBOTSTUDIO 5.15图标，如下图所示。 点击左侧选项栏，选择授权。 然后选择激活向导，选择如下： 2、点击创建文件，出现如下界面。 3、选择机器人模型，点击ABB模型库，出现如下界面，选择IRB2600.把承重能力改为20KG. 4、然后点击导入模型库，下拖选择MYTOOL后，然后把左侧边mytool工具拖到IRB2600-20-165-01，机器人上自动安装了喷头工具。 5、然后点击机器人系统菜单，选择从布局创建系统。 在此项目中，可以在名称处修改系统的名称，尤其在系统多的情况下。在主菜单中，一定要修改工具，把原始的tool10改为mytool。或者，在放入机器人时，即完成此项设置，可以不需要修改此项。 一直选择下一个，即可成功。 成功后，屏幕右下角变为绿色。 5、选择建模，在菜单中选择固体，再选择矩形体。 6、选择矩形体后，设置矩形体的长宽高参数为400、500、400后，点击创建，后关闭，即可在屏幕上看到矩形体。 在此项中选择左侧布局后，双击部件1，修改名称为box。 7、点击菜单中大地坐标中的移动，即可移动矩形体。 此项中一定要注意看俯视图，使正方体在机器人运动范围内，否则出错。 8、点击基本菜单中的路径。 一种路径就设置为PATH10，如果有其他，就要多设置几个路径。 后选择捕捉末端和手动线性，并把屏幕右下方的几个参数设置为MOVEJ,V300，Z为fine，准备设置示教指令。 9、做6个示教指令，第一个和最后一个为MOVEJ，其他都为MOVEL。每移动一个点，点一次示教指令。 10、设置完示教指令后，点击基本菜单下同步，选择同步到VC 然后，所有同步下选项都选择，点击确定即可。 11、然后选择仿真菜单。首先点击仿真设定，把原有路径删除，把新的路径添加到主队列中，然后确定。 12、设定好后，点击播放，即可进行仿真。 13、如需要录像，则应该先点击仿真录像，后在点击播放，即可进行仿真录像。 14、最终保存和打包。 先点击文件菜单，然后选择保存。 保存后，在点击“共享”，后选择第一个选项“打包”。 即可完成文件程序打包。 至此，所有过程完成。
２０１８年６月 第４６卷第１１期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｊｕｎ ２０１８ Ｖｏｌ ４６Ｎｏ １１ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１８ １１ ０１２ 收稿日期：２０１７－０２－０７ 基金项目：广东省科技厅专项资金项目（２０１５Ａ０２０２０９０１０）；广东省高等职业技术教育研究会项目（ＧＤＧＺ１５Ｙ０３２）作者简介：郝建豹（１９７８ ），男，硕士，讲师，研究方向为工业机器人技术及应用三Ｅ－ｍａｉｌ：９５２６９１５４４＠ｑｑ ｃｏｍ三 基于ＲｏｂｏｔＳｔｕｄｉｏ的多机器人柔性制造生产线虚拟仿真设计 郝建豹，许焕彬，林炯南 （广东交通职业技术学院机电工程系，广东广州５１０８００） 摘要：以多机器人柔性制造生产线为研究对象，介绍了一种利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ和ＲｏｂｏｔＳｔｕｄｉｏ对多机器人自动线建模及虚拟生产的方案三构建了生产线的布局，为上下料机器人设计了专用夹具，依据生产线连续运行模式，创建了仿真运行Ｉ／Ｏ信号和动态Ｓｍａｒｔ组件，实现了生产线的离线编程和仿真三仿真结果表明：实时改变机器人ＴＣＰ速度等参数可动态输出机器人速度轨迹和生产节拍三该设计方案可以为多机器人自动化生产线在现代工业制造领域的推广和应用提供理论依据和试验平台三 关键词：ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ；ＲｏｂｏｔＳｔｕｄｉｏ；多机器人；虚拟仿真 中图分类号：ＴＰ１６５一一文献标志码：Ａ一一文章编号：１００１－３８８１（２０１８）１１－０５４－４ ＶｉｒｔｕａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＭｕｌｔｉ?ｒｏｂｏｔＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＬｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＲｏｂｏｔＳｔｕｄｉｏ ＨＡＯＪｉａｎｂａｏ，ＸＵＨｕａｎｂｉｎ，ＬＩＮＪｉｏｎｇｎａｎ （ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１０８００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｌｉｎｅｏｆｍｕｌｔｉ?ｒｏｂｏｔａｓｔｈｅｏｂｊｅｃｔｏｆｓｔｕｄｙ，ａｓｃｈｅｍｅｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｌｉｎｅｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄ ｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌｔｉ?ｒｏｂｏｔｂａｓｅｄｏｎｕｓｉｎｇＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓａｎｄＲｏｂｏｔＳｔｕｄｉｏｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅｌａｙｏｕｔｗａｓｃｏｎ?ｓｔｒｕｃｔｅｄ，ｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｆｉｘｔｕｒｅｆｏｒｔｈｅｒｏｂｏｔｆｏｒｌｏａｄｉｎｇａｎｄｄｏｗｎｌｏａｄｉｎｇ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅｆｏｒｃｏｎ?ｔｉｎｕｏｕｓｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＩｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ（Ｉ／Ｏ）ｓｉｇｎａｌａｎｄｄｙｎａｍｉｃＳｍａｒｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｗｅｒｅｃｒｅａｔｅｄ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙｔｈｅｏｆｆ?ｌｉｎｅｐｒｏ?ｇｒａｍｍｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅｗｅｒｅｒｅａｌｉｚｅｄ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｏｂｏｔｓｐｅｅｄｔｒａｊｅｃｔｏｒｙａｎｄｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｉｍｅｃａｎｂｅｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙｏｕｔｐｕｔｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｕｃｈａｓｒｏｂｏｔＴｏｏｌＣｅｎｔｅｒＰｏｉｎｔ（ＴＣＰ）ｓｐｅｅｄｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｔｈｅｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉ?ｒｏｂｏｔａｕｔｏｍａｔｉｃｐｒｏｄｕｃ?ｔｉｏｎｌｉｎｅｉｎｍｏｄｅｒｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｆｉｅｌｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ；ＲｏｂｏｔＳｔｕｄｉｏ；Ｍｕｌｔｉ?ｒｏｂｏｔ；Ｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ０一前言 以机器人为主体的智能制造，体现了制造业的智能化二数字化和网络化的发展要求三在机械制造行业中大规模应用机器人正成为一种趋势［１－２］三因此，研究多机器人柔性制造生产线，使企业早日实现面向未来的智能制造，增强企业的竞争力，推动制造业的转型升级，己成为当前企业界和学术界的关注热点三为提高多机器人柔性制造生产线的设计二改造二过程监控二产品可制造性的快速响应，虚拟仿真技术正成为多机器人柔性制造生产线组建的趋势［３－４］三 虚拟仿真技术是借助虚拟现实技术，在虚拟环境 中对生产线各元素二生产过程二节拍等进行仿真模拟，用更加经济二有效的方式对生产线进行合理配置，降低设备投资风险三王友发［５］对Ｅ－ＣＡＲＧＯ模型进行了扩展，研究了智能制造领域多机器人系统的任务分配模型和算法三邱雪松等［６］在Ｄｙｎａｆｏｒｍ平台下， 建立冲压生产线的虚拟样机模型，并介绍分析了自上而下和自下而上产品的虚拟模型设计方法三而这些方法较为复杂，难以做到虚拟与现实的无缝衔接，难以在工程上推广应用三陆叶［７］利用ＵＧ和ＲｏｂｏｔＳｔｕｄｉｏ分析了机床上下料工作站，而目前生产线大多是多机器人自动线［８］三 本文作者应用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ和瑞典ＡＢＢ公司的Ｒｏ?ｂｏｔＳｔｕｄｉｏ联合建立了多机器人柔性制造生产线三该生产线可依靠带驱动的仿真模型，模拟现场的生产环境及生产过程，也可通过虚拟仿真找出提高生产节拍的可行性，进而指导现场生产，因此，对于实际盘类二轴类及箱体类自动化加工生产线，具有普遍意义和经济实用性三 １一生产线仿真系统 利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件设计好数控机床二供料站二检测二装配及仓储等工作站的三维仿真模型，将该模
MATLAB 机器人工具箱仿真程序： 1）运动学仿真模型程序（） L1=link([pi/2 150 0 0]) L2=link([0 570 0 0]) L3=link([pi/2 130 0 0]) L4=link([-pi/2 0 0 640]) L5=link([pi/2 0 0 0]) L6=link([0 0 0 95]) r=robot({L1 L2 L3 L4 L5 L6}) =’MOTOMAN-UP6’ % 模型的名称 >>drivebot(r) 2）正运动学仿真程序（） L1=link([pi/2 150 0 0]) L2=link([0 570 0 0]) L3=link([pi/2 130 0 0]) L4=link([-pi/2 0 0 640]) L5=link([pi/2 0 0 0]) L6=link([0 0 0 95]) r=robot({L1 L2 L3 L4 L5 L6}) =’MOTOMAN-UP6’ t=[0::10];%产生时间向量 qA=[0 0 0 0 0 0 ]; %机械手初始关节角度 qAB=[-pi/2 -pi/3 0 pi/6 pi/3 pi/2 ];%机械手终止关节角度figure('Name','up6机器人正运动学仿真演示');%给仿真图像命名q=jtraj(qA,qAB,t);%生成关节运动轨迹 T=fkine(r,q);%正向运动学仿真函数 plot(r,q);%生成机器人的运动 figure('Name','up6机器人末端位移图'） subplot(3,1,1); plot(t, squeeze(T(1,4,:)));
群机器人系统的建模与仿真 曾建潮1, 薛颂东1、2 （1.太原科技大学系统仿真与计算机应用研究所，太原 030024；2.兰州理工大学电信工程学院，兰州 730050）摘要：围绕群机器人学的起源与发展，针对群机器人系统与其他多机器人系统的区分准则及系 统级功能特征，讨论个体机器人的交互、通信、协调控制机制和自组织、模式形成等群机器人研 究中的主要问题，洞悉群机器人的研究概貌和既有研究成果，明确其研究方向。通过回顾概括群 机器人系统的主要建模与仿真方法，以个体之间及个体与环境之间的局部交互机制为前提，使感 知能力有限的个体机器人在协调控制算法作用下涌现群体智能完成规定的复杂任务，突出群机器 人规模可伸缩的系统特征。 关键词：群机器人；群体智能；有限感知；局部交互；协调控制；建模 中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号： Modeling and Simulation Approaches to Swarm Robotic Systems Zeng Jian-chao1，Xue Song-dong1,2 (1.Division of System Simulation & Computer Application, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China; 2.College of Electrical & Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China) Abstract：Concentrating on the desirable properties of swarm robotic systems, some key problems in swarm robotics such as limited sense, local interaction, communication among individuals and with environment, cooperation control and self-organization as well as pattern formation are discussed for the sake of getting an insight into sources and development of swarm robotics and understanding the criteria used to distinguish swarm robotics research from other multi-robot studies. To discern the research emphasis on swarm robotics, we describe the disciplinary profile and existing research findings. Then, the main modeling and simulation methods of swarm robotics are summarized. Finally, this survey shows that large numbers of relatively simple robots with limited sense capabilities and local interaction mechanism may emerge swarm intelligence to handle those prescribed complex tasks in scalable manner. Key words：swarm robotics; swarm intelligence; limited sense; local interaction; cooperative control; modeling 引言 群机器人是特殊的多机器人系统，由许多同构的自主机器人组成，具有典型的分布式系统特征。与集中式控制系统相比，完成同样任务的群体系统的成员结构，可设计得相对简单。因此，群系统个体具有模块化、适合大规模生产、具有互换性等特点[1]。群机器人学是研究能力有限的个体机器人如何在局部交互机制和协调控制算法作用下涌现群体智能以合作完成相对复杂的规定任务。因为群一般是高度冗余的，群体系统就比标准控制系统具有更强的抗扰动能力；由于存在冗余性，群就具备了动态适应工作环境的能力，也便有可能执行远超出结构复杂的单体机器人能力的任务。群机器人的研究源于生物学启发，是群体智能在多机器人系统的应用[2]。可以认为，群机器人研究是一般意义上的多机器人 收稿日期：2008-xx-xx 修回日期：xxxx-xx-xx 基金项目：国家自然科学基金（60674104） 作者简介：曾建潮(1963-), 男, 陕西大荔人, 汉, 博士, 教授, 博导, 研究方向为复杂系统建模与控制、智能计算、群体智能行为仿真、群机器人；薛颂东(1968-), 男, 河南孟州人, 汉, 博士生, 副教授, 研究方向为群体智能行为仿真、群机器人协调控制。系统被赋予群体智能属性后的新兴研究领域[3]，其系统建模和仿真体现出有别于通常意义下多机器人系统的特点。明晰其系统特征和所涉问题方可能进行建模并仿真。 1 系统界定 约20年前，学界在研究元胞自动机时用元胞机器人构造如下系统：一组（group）简单机器人像机体细胞那样按照某种模式自组织成复杂结构[4]。后来用术语swarm取代group使之形象化。群机器人与分布式自主机器人等术语并非单元数量的标识，协调背后隐藏的有限感知和局部交互原则才是根本。与群对应的控制结构的规模可变，单元数量从数个到成千上万个甚至数以百万计。事实上，绝大多数群机器人文献提及的仅是规模很小的群，这是因为个体数量庞大使得系统造价昂贵[1]。 1.1 系统特征 研究显示，社会性昆虫协调控制的背后并不存在中心协调机制，然而从系统级层面看却是鲁棒、柔性、规模可伸缩的。这样的特征为群机器人系统所梦寐以求[5]：