第八章机器人可视化仿真系统的建立.pptx
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第八章机器人可视化仿真系统的建立.pptx页数:80
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2024年度-机器人教学课件(共26张PPT)pptx
介绍了机器人常用传感器类型、 工作原理及在机器人感知中的应 用。
机器人自主导航与定位
阐述了机器人自主导航的基本原 理、定位方法及SLAM技术。
机器人基本概念与分类
机器人操作系统与编程
介绍了机器人的定义、发展历程 、分类及应用领域。
介绍了ROS的基本概念、功能特 点、常用命令及编程实践。
32
学生自我评价报告分享
第三代机器人
智能型机器人，具备自主 学习和决策能力，能够适 应复杂环境和任务。
5
未来趋势展望
人机协作
随着人工智能技术的发展，未来 机器人将更加注重与人类的协作 ，共同完成任务。
应用领域拓展
随着技术进步和应用需求增加， 机器人将在更多领域得到应用， 如医疗、教育、娱乐等。
自主化
机器人将具备更高的自主性和智 能化水平，能够独立完成复杂任 务。
以促进课程的不断完善和提高。
33
下一步学习计划和资源推荐
深入学习机器人相关领域知识
鼓励学生继续深入学习机器人相关领域知识，如机器视觉、深度学习在机器人中的应用等 。
参加机器人竞赛和项目实践
推荐学生参加各类机器人竞赛和项目实践，锻炼自己的实践能力和团队协作能力。
利用在线资源进行自主学习
推荐学生利用MOOCs、在线实验室等资源进行自主学习和实践操作，提高自己的学习效 果和兴趣。
01
学习成果展示
通过课程学习，学生能够掌握机器人基本概念、运动学与控制、传感器
与感知、自主导航与定位等关键知识点，并具备一定的实践操作能力。
02
学习方法分享
学生可以采用多种学习方法，如课前预习、课后复习、小组讨论、实践
操作等，以提高学习效果和兴趣。
PPT课件—工业机器人集成系统数字化设计与仿真2.6.1 母盘
图2-224 拉伸打孔
2.6.1 母盘
（9）重复拉伸操作，“选择曲线”如图2-225所示，“指定矢量”为“ZC”方向”，单击“应用”。重复拉伸操作，“选择曲线” 为步骤（7）绘制的直径3的2个圆，“指定矢量”为“ZC”方向，“开始距离”输入0，“结束距离” 输入11，“布尔”操作选择“减去”，单击“确定”，退出拉伸操作。
图2-217 绘制草图
2.6.1 母盘
（2）单击“拉伸”快捷命令，或选择“菜单”→“插入”→“设计特征”→“拉伸”，弹出“拉伸” 对话框。“曲线规则”选择“单条曲线”，“选择曲线”为步骤（1）绘制的直径48的大圆，“指定 矢量”为“-ZC”方向，“开始距离”输入0，“结束距离”输入10，单击“应用”。重复拉伸操作， “选择曲线”为步骤（1）绘制的直径20的圆，“指定矢量”为“-ZC”方向，“开始距离”输入-2， “结束距离”输入10，“布尔”操作选择“合并”，单击“应用”。单击“倒斜角”快捷命令，或 选择“菜单”→“插入”→“细节特征”→“倒斜角”，弹出“倒斜角”对话框，如图2-218所示， 选择直径20的圆柱的顶边，“距离”输入0.5，单击“确定”完成倒斜角操作。
图2-236 倒斜角
2.6.1 母盘
（21）选择“菜单”→“插入”→“设计特征”→“圆柱”，弹出“圆柱”对话框，“指定矢量”为XC 轴，以相对WCS原点的坐标（0，0，-14）为“指定点”，“直径”输入6，“高度”输入20，“布尔” 操作选择“减去”，单击“确定”。选择“菜单”→“插入”→“关联复制”→“阵列特征”，弹出“阵 列特征”对话框。如图2-237所示，选择孔，“布局”选择“圆形”，“指定矢量”为ZC，“指定点”为 WCS原点，“数量”为4，“节距角”为90 ，单击“确定”，完成母盘前端盖的建模。
2.6.1 母盘
（9）重复拉伸操作，“选择曲线”如图2-225所示，“指定矢量”为“ZC”方向”，单击“应用”。重复拉伸操作，“选择曲线” 为步骤（7）绘制的直径3的2个圆，“指定矢量”为“ZC”方向，“开始距离”输入0，“结束距离” 输入11，“布尔”操作选择“减去”，单击“确定”，退出拉伸操作。
图2-217 绘制草图
2.6.1 母盘
（2）单击“拉伸”快捷命令，或选择“菜单”→“插入”→“设计特征”→“拉伸”，弹出“拉伸” 对话框。“曲线规则”选择“单条曲线”，“选择曲线”为步骤（1）绘制的直径48的大圆，“指定 矢量”为“-ZC”方向，“开始距离”输入0，“结束距离”输入10，单击“应用”。重复拉伸操作， “选择曲线”为步骤（1）绘制的直径20的圆，“指定矢量”为“-ZC”方向，“开始距离”输入-2， “结束距离”输入10，“布尔”操作选择“合并”，单击“应用”。单击“倒斜角”快捷命令，或 选择“菜单”→“插入”→“细节特征”→“倒斜角”，弹出“倒斜角”对话框，如图2-218所示， 选择直径20的圆柱的顶边，“距离”输入0.5，单击“确定”完成倒斜角操作。
图2-236 倒斜角
2.6.1 母盘
（21）选择“菜单”→“插入”→“设计特征”→“圆柱”，弹出“圆柱”对话框，“指定矢量”为XC 轴，以相对WCS原点的坐标（0，0，-14）为“指定点”，“直径”输入6，“高度”输入20，“布尔” 操作选择“减去”，单击“确定”。选择“菜单”→“插入”→“关联复制”→“阵列特征”，弹出“阵 列特征”对话框。如图2-237所示，选择孔，“布局”选择“圆形”，“指定矢量”为ZC，“指定点”为 WCS原点，“数量”为4，“节距角”为90 ，单击“确定”，完成母盘前端盖的建模。
工业机器人应用系统建模(Tecnomatix)教学课件项目8
2)添加退刀位置
8.２ 项目实施
8.２.2 机器人外部TCP抛光工艺操作
6.砂轮机定义
2）砂轮机工具定义 用“工具定义”定义TOOL ETCP坐标的工 具定义。当对象树浏览器中的FTCP坐标 前面带绿色钥匙图标，则表示定义成功。
2
1
1
3 4
5
8.２ 项目实施
8.２.2 机器人外部TCP抛光工艺操作
7.生成与测试机器人轨迹
8.２ 项目实施
8.２.3 机器人内部TCP去毛刺工艺操作
3.创建研究
设置系统根目录为“Deburr”，创建新研究。
4.导入组件
建模→插入组件。
全选所有组件模型
点击“打开”
8.２ 项目实施
8.２.3 机器人内部TCP去毛刺工艺操作
5.建立工具坐标系
1）建立基准坐标
2
4 1
5
完成“fr1”坐标系创 建，并重命名为
“S-BASE”
3
选择“6值创建坐标 系”
8.２ 项目实施
8.２.3 机器人内部TCP去毛刺工艺操作
3 5.建立工具坐标系
2）建立工具中心点TCP坐标系
4
5
6
用“放置操控器”命令，设置 TCP坐标Z轴的变化量为“6”mm，让Z轴向下移动。
1
6值创建坐标系的方式在工 具下端锥形部件的锥底圆
处创建一个坐标系
3.创建研究
系统根目录为“Robot_NC_Polish”，新建研究，命名为“RobocadStudy”；保存新建的研究为“RobcadStudy.psz”。
4.导入组件
“菜单→组件→插入组件” 选择“Part_Lib”下的组件“3D_Model.cojt” 选择“Resource_Lib”文件夹，选中该文件夹下的全部组件。
8.２ 项目实施
8.２.2 机器人外部TCP抛光工艺操作
6.砂轮机定义
2）砂轮机工具定义 用“工具定义”定义TOOL ETCP坐标的工 具定义。当对象树浏览器中的FTCP坐标 前面带绿色钥匙图标，则表示定义成功。
2
1
1
3 4
5
8.２ 项目实施
8.２.2 机器人外部TCP抛光工艺操作
7.生成与测试机器人轨迹
8.２ 项目实施
8.２.3 机器人内部TCP去毛刺工艺操作
3.创建研究
设置系统根目录为“Deburr”，创建新研究。
4.导入组件
建模→插入组件。
全选所有组件模型
点击“打开”
8.２ 项目实施
8.２.3 机器人内部TCP去毛刺工艺操作
5.建立工具坐标系
1）建立基准坐标
2
4 1
5
完成“fr1”坐标系创 建，并重命名为
“S-BASE”
3
选择“6值创建坐标 系”
8.２ 项目实施
8.２.3 机器人内部TCP去毛刺工艺操作
3 5.建立工具坐标系
2）建立工具中心点TCP坐标系
4
5
6
用“放置操控器”命令，设置 TCP坐标Z轴的变化量为“6”mm，让Z轴向下移动。
1
6值创建坐标系的方式在工 具下端锥形部件的锥底圆
处创建一个坐标系
3.创建研究
系统根目录为“Robot_NC_Polish”，新建研究，命名为“RobocadStudy”；保存新建的研究为“RobcadStudy.psz”。
4.导入组件
“菜单→组件→插入组件” 选择“Part_Lib”下的组件“3D_Model.cojt” 选择“Resource_Lib”文件夹，选中该文件夹下的全部组件。
项目2 构建基本仿真工业机器人工作站 ppt课件
建框架”的下拉箭头
© ABB August 23, 2021
| Slide 36
任务2-3：创建工业机器人工件坐标与轨迹程序
一.建立工业机器人工件坐标
6.选中“三点”
7.单击“X轴上的第一个点”的 第一个输入框
8.单击1号角
9.单击2号角 10.单击3号角
© ABB August 23, 2021
二.创建工业机器人运动轨迹程序
13.接下来的指令要沿桌子直 线运动，单击框中对应的选 项并设定为MoveL * v150 fine MyTool\Wobj:=Wobj1。
14.拖动机器人，使工具对准 第二个角点。
15.单击“示教指令”。
© ABB August 23, 2021
| Slide 46
任务2-3：创建工业机器人工件坐标与轨迹程序
二.工业机器人的手动操纵
在 “IRB2600_12_165_01” 上单击右键，在菜单列 表中选择“回到机械原 点”，但不是6个关节轴 都为0度，轴5会在30度
的位置。
© ABB August 23, 2021
| Slide 34
任务2-3：创建工业机器人工件坐标与轨迹程序
一.建立工业机器人工件坐标
备”列表中选择 “propellertable”模型进
行导入。
© ABB August 23, 2021
| Slide 13
任务2-1 ：布局工业机器人基本工作站
四.摆放周边的模型
2.选中机器人单击右键， 选择“显示机器人工作区
域”。
© ABB August 23, 2021
ห้องสมุดไป่ตู้
| Slide 14
四.摆放周边的模型
© ABB August 23, 2021
| Slide 36
任务2-3：创建工业机器人工件坐标与轨迹程序
一.建立工业机器人工件坐标
6.选中“三点”
7.单击“X轴上的第一个点”的 第一个输入框
8.单击1号角
9.单击2号角 10.单击3号角
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二.创建工业机器人运动轨迹程序
13.接下来的指令要沿桌子直 线运动，单击框中对应的选 项并设定为MoveL * v150 fine MyTool\Wobj:=Wobj1。
14.拖动机器人，使工具对准 第二个角点。
15.单击“示教指令”。
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任务2-3：创建工业机器人工件坐标与轨迹程序
二.工业机器人的手动操纵
在 “IRB2600_12_165_01” 上单击右键，在菜单列 表中选择“回到机械原 点”，但不是6个关节轴 都为0度，轴5会在30度
的位置。
© ABB August 23, 2021
| Slide 34
任务2-3：创建工业机器人工件坐标与轨迹程序
一.建立工业机器人工件坐标
备”列表中选择 “propellertable”模型进
行导入。
© ABB August 23, 2021
| Slide 13
任务2-1 ：布局工业机器人基本工作站
四.摆放周边的模型
2.选中机器人单击右键， 选择“显示机器人工作区
域”。
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ห้องสมุดไป่ตู้
| Slide 14
四.摆放周边的模型
PPT课件—工业机器人集成系统数字化设计与仿真2.5.1 IRB120机器人1轴底座
图2-86拉伸曲线创建实体
2.5.1 IRB120机器人1轴底座
（12）单击“菜单”→“在任务环境中绘制草图”，弹出“创建草图”对话框，选择步骤（2）中拉伸 边长130的正方形获得的长方体的左侧面（-YC）平面为工作平面，单击“确定”，进入绘制草图工作 界面，绘制如图2-87所示的草图。
图2-87绘制草图曲线
（6）在快捷工具栏单击“拉伸”快捷命令，弹出“拉伸”对话框。“曲线规则”选择“单条曲线”， “选择曲线”如图2-81所示，“指定矢量”为ZC，“开始距离”输入0，“结束距离”输入10，“布 尔”操作选择“无”，单击“应用”。
图2-81 拉伸曲线创建实体
2.5.1 IRB120机器人1轴底座
（7）重复拉伸操作，“选择曲线”如图2-82所示，“指定矢量”为ZC，“开始距离”输入0，“结束 距离”输入20，“布尔”操作为“合并”，单击“应用”。
图2-90 拉伸曲线创建实体
图2-91 拉伸曲线创建实体
谢谢
图2-78 绘制草图曲线
2.5.1 IRB120机器人1轴底座
（4）在工具栏单击“拉伸”快捷命令，弹出“拉伸”对话框。“曲线规则”选择“单条曲线”，“选 择曲线”为如图2-79所示，“指定矢量”为“-ZC”，“开始距离”为0，“结束距离”为15，“布尔” 操作为“减去”，单击“确定”。
图2-79 拉伸曲线创建实体
图2-76 绘制草图曲线
2.5.1 IRB120机器人1轴底座
（2）在快捷工具栏单击“拉伸”快捷命令，或选择“菜单”→“插入”→“设计特征”→“拉伸”，均 可弹出“拉伸”对话框。如图2-77所示，“曲线规则”选择“单条曲线”，“选择曲线”为步骤（1）草 图曲线中边长180的正方形（含R10圆角)，“方向”指定为“-ZC”，“开始距离”输入150，“结束距 离”输入164，“布尔”操作选择“无”，单击“应用”。重复拉伸操作，“选择曲线”为步骤（1）草图 曲线中直径180的圆，“方向”指定为“-ZC”，“开始距离”输入0，“结束距离”输入150，“布尔” 操作选择“无”，单击“应用”。重复拉伸操作，选择曲线”为步骤（1）草图曲线中边长130的正方形， “方向”指定为“-ZC”，“开始距离”输入15.5，“结束距离”输入160.5，“布尔”操作选择“无”， 单击“确定”。
2.5.1 IRB120机器人1轴底座
（12）单击“菜单”→“在任务环境中绘制草图”，弹出“创建草图”对话框，选择步骤（2）中拉伸 边长130的正方形获得的长方体的左侧面（-YC）平面为工作平面，单击“确定”，进入绘制草图工作 界面，绘制如图2-87所示的草图。
图2-87绘制草图曲线
（6）在快捷工具栏单击“拉伸”快捷命令，弹出“拉伸”对话框。“曲线规则”选择“单条曲线”， “选择曲线”如图2-81所示，“指定矢量”为ZC，“开始距离”输入0，“结束距离”输入10，“布 尔”操作选择“无”，单击“应用”。
图2-81 拉伸曲线创建实体
2.5.1 IRB120机器人1轴底座
（7）重复拉伸操作，“选择曲线”如图2-82所示，“指定矢量”为ZC，“开始距离”输入0，“结束 距离”输入20，“布尔”操作为“合并”，单击“应用”。
图2-90 拉伸曲线创建实体
图2-91 拉伸曲线创建实体
谢谢
图2-78 绘制草图曲线
2.5.1 IRB120机器人1轴底座
（4）在工具栏单击“拉伸”快捷命令，弹出“拉伸”对话框。“曲线规则”选择“单条曲线”，“选 择曲线”为如图2-79所示，“指定矢量”为“-ZC”，“开始距离”为0，“结束距离”为15，“布尔” 操作为“减去”，单击“确定”。
图2-79 拉伸曲线创建实体
图2-76 绘制草图曲线
2.5.1 IRB120机器人1轴底座
（2）在快捷工具栏单击“拉伸”快捷命令，或选择“菜单”→“插入”→“设计特征”→“拉伸”，均 可弹出“拉伸”对话框。如图2-77所示，“曲线规则”选择“单条曲线”，“选择曲线”为步骤（1）草 图曲线中边长180的正方形（含R10圆角)，“方向”指定为“-ZC”，“开始距离”输入150，“结束距 离”输入164，“布尔”操作选择“无”，单击“应用”。重复拉伸操作，“选择曲线”为步骤（1）草图 曲线中直径180的圆，“方向”指定为“-ZC”，“开始距离”输入0，“结束距离”输入150，“布尔” 操作选择“无”，单击“应用”。重复拉伸操作，选择曲线”为步骤（1）草图曲线中边长130的正方形， “方向”指定为“-ZC”，“开始距离”输入15.5，“结束距离”输入160.5，“布尔”操作选择“无”， 单击“确定”。
PPT课件—工业机器人集成系统数字化设计与仿真2.5.5 IRB120机器人5轴小臂
图2-175 合并实体
图2-176 绘制草图
2.5.5 IRB120机器人5轴小臂
（14）在快捷工具栏单击“拉伸”快捷命令，弹出“拉伸”对话框中，“曲线规则”为“单条曲线”， “选择曲线”为如图2-177所示步骤（13）草图曲线，“方向”指定为-YC，“开始距离”输入0， “结束距离”输入2，“布尔”操作选择“合并”，单击“确定”。
（22）单击“拉伸”命令，弹出“拉伸”对话框。“选择曲线”为如图2-185所示，“方向”指定为 YC，“开始距离”-6，“结束距离”6，“布尔”操作选择“无”，单击“确定”。 （23）单击“减去”布尔操作命令，弹出“求差”对话框。“选择体”和“工具体”为如图2-186所 示，单击“确定”。Βιβλιοθήκη 图2-185 外缘轮廓拉伸操作
图2-179 拉伸草图
图2-180 倒斜角
2.5.5 IRB120机器人5轴小臂
（18）选择“菜单”→“插入”→“在任务环境中绘制草图”，弹出“创建草图”对话框，选择如 图2-181所示的平面为工作平面，单击“确定”，进入草图界面，绘制如图2-181所示直径4的6个 圆，单击“完成草图”，退出草图环境。
（6）在快捷工具栏单击“拉伸”快捷命令， 弹出“拉伸”对话框，“曲线规则”选“单条 曲线”，“选择曲线”为如图2-169所示步骤 （5）绘制的草图曲线，“方向”指定为XC， “开始距离”输入35，“结束距离”输入60， “布尔”操作选“无”，单击“应用”。
图2-169 拉伸草图
2.5.5 IRB120机器人5轴小臂
LOGO
2.5.5 IRB120机器人5轴小臂
2.5.5 IRB120机器人5轴小臂
【例2-13】创建如图2-163所示的工业机器人5轴小臂三维模型。 操作步骤如下。
PPT课件—工业机器人集成系统数字化设计与仿真3.1.2 PS软件的仿真流程
3.1.2 PS软件的仿真流程
1.2 PS软件的设备、创建操作、运行仿真、虚拟调试等过程。
1 创建或打开一个Study；
2
导入产品及资源设备的数字化
模型；
3
定义设备运动机构，定义不同
的工具设备类型；
创建对应的操作步骤，关联相 5 关产品零件，制造特征和工具
设备；
4
在工作区域对资源设备布局定
位；
6 定义操作步骤序列；
7 分析和调整路径；
8 分析和调整操作时间；
9
仿真优化路径，调整布局和节
拍；
1 根据需要，导出机器人离线编
0
程的程序；
1.2 PS软件的仿真流程
11
根据需要，连接PLC 进行虚拟调试；
12
根据仿真结果，指导 优化现场生产线调试。
谢谢
1.2 PS软件的设备、创建操作、运行仿真、虚拟调试等过程。
1 创建或打开一个Study；
2
导入产品及资源设备的数字化
模型；
3
定义设备运动机构，定义不同
的工具设备类型；
创建对应的操作步骤，关联相 5 关产品零件，制造特征和工具
设备；
4
在工作区域对资源设备布局定
位；
6 定义操作步骤序列；
7 分析和调整路径；
8 分析和调整操作时间；
9
仿真优化路径，调整布局和节
拍；
1 根据需要，导出机器人离线编
0
程的程序；
1.2 PS软件的仿真流程
11
根据需要，连接PLC 进行虚拟调试；
12
根据仿真结果，指导 优化现场生产线调试。
谢谢
PPT课件—工业机器人集成系统数字化设计与仿真2.2.1 草图的绘制(例2-1)
2.1 草图的绘制
操作步骤如下。
（1）新建模型文件，命名为“草图绘制”。单击下拉“菜单”→“插入”→“在任务环境中绘制草 图”，弹出“创建草图”对话框，如图2-5所示。选择基准坐标系的ZY平面作为工作平面，单击 “确定”，进入绘制草图工作界面，如图2-6所示。
注意：单击下拉“菜单”→“插入”→“草图”， 或者直接单击“主页”菜单下的“草图”图标 ， 也可以弹出“创建草图”对话框，但这种模式工作 界面可用的草图命令较少。
2.1 草图的绘制
NX软件的草图绘制提供了绘制直线、圆弧、圆角、矩形、绘轮廓线、派生直线、样条曲线 等功能。
2.1 草图的绘制
下面通过实例说明草图绘制的一般方法和流程。 【例2-1】采用NX软件的“草图绘制”工具绘制如图2-4（a）所示的快换装置竖直板草图。
（a）竖直板草图
（b）水平板草图
图2-4 快换装置草图
（c）绘制“圆” 图2-7 绘制草图曲线
2.1 草图的绘制
（5）草图绘制完成以后，单击左上角“完成”图标 ，即可退出草图环境。如需要修改草图， 在图形区直接双击草图曲线，则可重新进入草图绘制环境（草图工具命令较少），可以对已有 草图进行修改。
LOGO
谢谢
LOGO
2.2.1 草图的绘制
2.1 草图的绘制
NX建模方式大致有三种方式，即基于草图的建模、基于直接特征的建模以及上述两者的 混合建模。前两种建模方式适用于简单零部件，混合建模方式是大部分复杂零部件建模的首选。 基于草图的建模需要先绘制二维草图，然后通过拉伸、旋转、扫掠等操作，获得三维实体。因 此，二维草图的绘制是基于草图建模的基础。
（a）绘制“轮廓线”
图2-7 绘制草图曲线
2.1 草图的绘制
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2）计算出各关节的DH参数，确定关节变量
所谓D-H（Denevie-Hartenberg）参数最初是在解决由关节变 量定手部位姿的机器人运动学正问题提出来的，它包括4个基 本参数，如下图所示。
图8 连杆坐标系
ai
从Zi到Zi1沿X
测量的距离（杆件长度）
i
i
从Zi到Zi1沿X
旋转的角度（扭转角）
i
di 从X i1到X i沿Zi测量的距离（横距） (移动关节的关节变量)
0
0
sin(i1) cos(i1)
0
i1
di
sin(
i
1
)
di
cos(i1)
1
（根据熊有伦的《机器人学》）
9自由度机器人的运动学建模与DH参数建立
9自由度机器人DH参数表
图10 9自由度机器人DH坐标系
4、机器人OpenGL形态建模基础
现实世界的三维物体需要在计算机中以二维平面的形式 来表现。这在OpenGL中是通过一系列的变换来完成的。 这些变换包括取景变换、几何变换、投影变换、剪切变换、 视口变换等。在算法上，它们是通过矩阵操作来实现的。 OpenGL的变换关系在机器人的仿真系统中是非常重要的， 其中的几何变换正是我们用来建立机器人关节运动坐标系 的基础。用OpenGL中的几何变换命令可以方便的按D-H 法建立起机器人的坐标系。
Te
ny
nz 0
oy oz 0
ay az 0
p
y
pz 1
其中
是机器人末端的三个互相垂直的单位矢量，它们描述了机器人末端的姿态。 是机器人末端的位置矢量。
二、机器人坐标系的建立
1）划分机器人模块，建立机器人各关节的坐标系
创建的坐标系为正交的笛卡尔系，创建的基本过程是先 给机器人各关节、杆件（基座为杆件0）编号，一般以关节 转轴为Z轴，基座关节处的X轴方向可以任取，其他关节则 以相邻两关节转轴的公垂线方向（离开前一关节）为X轴， Y轴与Z轴和X轴构成右手系。建立了坐标系即可以清晰的描 述各杆件之间的关系，从而可以进一步求解关节变量。
机器人可视化仿真 系统的建立
主要内容
1、前言 2、可视化仿真系统概述 3、机器人学的数学基础 4、机器人OpenGL形态建模基础 5、模块化机器人三维模型的建立 6、外部数据导入的OpenGL模型创建
1、前言
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，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。
4.1 几何变换
2D 性能曲线展示
图中各模块具有较强的独立性，相互之间又以数据信息进行连接。对于一个确定的
系统而言，形态模型中除属性部分不确定外，是相对稳定的；而数学模型的变化也 仅仅是激励参数的改变，因此在模型交互部分将支持参数的交互编辑；数字模拟是 针对系统数学模型的数值求解过程，应尽量使用现有的成熟算法或成熟软件，确保 结果的可靠性；图形仿真部分一般包括以三维图形表现的系统过程和以二维曲线形 式表现的系统性能，它们是可视化仿真的重要特征。
系统
数学模型
可视交互
形态模型
数字模拟
动画展示
图1 可视化仿真系统的结构
可视化仿真软件的核心是数字模拟，同时又要具备可视化交互和可视化过 程展现的特征，还须有实时性的特点。据此，规划如图2所示软件功能结构。
可视化仿真系统
模型交互
数字模拟Βιβλιοθήκη 图形仿真数学模型形态模型
3D 系统过程展示
图2 可视化仿真软件结构框图
3、机器人的数学基础
一．机器人的位置与姿态的描述
用固联在机器人末端执行器上的坐标系原点在基础坐标中的位置来代表
机器人末端的位置，用这个坐标系在基础坐标系下的投影(即方向余弦)来表示
机器人末端的姿态。基础坐标系通常固联在机器人的基础上。
通常，采用一个矩阵T来表示机器人末端的位置与姿态。
nx ox ax px
i 从Xi1到Xi沿Zi旋转的角度（关节角） （旋转关节的关节变量）
坐标系{i}相对于坐标系{i-1}的变换ii-1T
1)
绕X
i1轴转
i
角；
1
2）沿X i1轴移动ai-1；
3) 绕Zi轴转i角；
4）沿Zi轴移动di .
3）求解各关节坐标系之间的齐次变换矩阵
前面的变换是相对于动坐标系描述的，按照“从左到 右”的原则，我们得到：
2、可视化仿真系统
仿真是利用数学模型在计算机上对系统进行实验研究的过程。 可视化仿真则是数学模拟和科学计算可视化技术相结合的产物，它 一般包括两方面内容：一是将传统数字仿真计算的结果转换为图形 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。
如图1所示为可视化仿真系统结构。其中数学模型着重反映系 统的特征规律，而形态模型着重反映系统的物理构成，它们构成了 可视化仿真的基础。
T i1
i
Rot( X ,i1)Trans( X
, ai1)Rot(Z ,i )Trans(Z , di )
相邻连杆变换矩阵的一般表达式为：
cos(i )
T i1
i
sin(i ) cos(i1)
sin(i
)
sin(
0
i
1
)
sin(i ) cos(i ) cos(i1) cos(i ) sin(i1)
机器人的运动是由关节的运动引起的，而关节的位 置是由连杆的长度和排列方式决定的，与连杆的具体形状 并无关系。因此，我们在研究机器人的运动机理时，可以 对机器人进行某种抽象，将连杆抽象为一条直线，而将关 节抽象为一点。但是，为了真实地仿真机器人的动作，在 进行三维图形显示时又必须使每个杆件尽可能与实物完全 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。
现在比较常用的机器人形态建模技术有以下三种： ⑴商用图形软件包，如AutoCAD、UGII、Solidwork等。 ⑵VRML(Virtual Reality Modeling Language)语言。 ⑶OpenGL、DirectX等图形开发接口。
OpenGL是Silicon Graphics公司在工作站上三维图形规 范的微机板，是一个与硬件无关的图形软件接口。OpenGL 提供了基本的三维图形功能：由点线和多边形产生复杂三维 实体；三维图形变换；着色，材质，纹理，光照，阴影等真 实感处理手段等，完全满足可视化仿真形态模型的要求。