OpenHRP环境下多机器人三维仿真与离线编程系统设计

摘要

目前，随着制造过程复杂性的增加，多机器人系统在工业生产中应用越来越广泛。但是，多机器人系统在线示教编程困难且编程周期长，严重影响了系统的适用范围和生产的连续性，因而迫切需要多机器人三维仿真与离线编程系统的出现来解决这个问题。然而传统的机器人三维仿真与离线编程系统相关研究大都集中在单机器人系统上，几乎没有文献讨论过多机器人三维仿真与离线编程系统的设计。在此背景下，本文对多机器人三维仿真与离线编程系统的设计进行了探讨，并提出了一种搭建结构灵活的多机器人三维仿真与离线编程系统的方法。
　　单机器人三维仿真与离线编程系统的设计已被深入地研究从而相对成熟，在此基础上搭建多机器人三维仿真与离线编程系统需要解决两大问题:系统可能常会更换协作机器人的类型和数目，因此系统必须具备结构的灵活性;系统必须具备多机器人协作运动的规划功能。
　　OpenHRP(Open Architecture Humanoid Robotics Platform)是一个为机器人所开发的集成仿真平台，仿真功能可靠而强大。OpenHRP支持灵活地配置仿真机器人个数，能够保证所开发系统结构的灵活性;OpenHRP是开源的，避免了基于Microsoft Robotics Studio（微软机器人平台）等闭源机器人平台开发时，受制于平台提供的程序开发接口。本文选择OpenHRP作为开发平台，通过查阅官方提供的少量文档并翻阅大量的程序源码，在国内首次对基于该平台的机器人三维建模与运动学建模方法，机器人通用正、逆解的调用方法和机器人运动仿真控制器的设计方法进行了研究。另外，本文介绍了课题组最新提出的多机器人协作运动规划方法与轨迹同步方法，并以此为系统提供协作运动规划功能。
　　本文最后以实验室里的VA1400和HP20D双机器人系统为仿真对象，基于OpenHRP搭建起双机器人三维仿真与离线编程系统，并在该系统中离线规划协作运动进而进行协作运动三维仿真;将规划好的协作运动作业文件下载到真实机器人系统中并成功执行;经过简单的配置快速搭建双HP20D三维仿真与离线编程系统。综上所述验证了，基于OpenHRP并利用课题组所提出的协作运动规划方法而搭建的多机器人三维仿真与离线编程系统可以完成协作运动三维仿真，能够支持对真实多机器人系统的离线编程且结构灵活，实现了研究目标。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 课题研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 研究存在的主要问题与本文的解决方法

1．3 论文主要内容与组织结构

1．3．1 论文的主要内容

1．3．2 论文的组织结构

第二章 OpenHRP环境下机器人三维建模与运动学建模

2．1 虚拟现实建模语言VRML简介

2．1．1 复杂几何体造型

2．1．2 造型的外观设计

2．2 机器人三维建模与运动学建模

2．2．1 OpenHRP中机器人三维模型的文本结构

2．2．2 机器人运动学建模与零件模型的简化

2．2．3 机器人末端工具模型的设置

2．2．4 机器人三维模型的生成

2．3 机器人通用正逆解接口的使用

2．3．1 机器人通用正解接口的使用

2．3．2 机器人通用逆解接口的使用

2．4 本章小结

第三章 OpenHRP环境下机器人运动仿真控制器设计

3．1 机器人技术中间件OpenRTM的内涵和优点

3．1．1 OpenRTM简介

3．1．2 使用OpenRTM开发离线编程系统的优点

3．2 机器人运动仿真控制器内部逻辑设计与实现

3．2．1 机器人运动仿真控制器内部逻辑设计

3．2．2 机器人运动仿真控制器的实现

3．3 机器人运动仿真验证

3．4 本章小结

第四章 OpenHRP环境下多机器人协作运动规划模块设计

4．1 多机器人协作系统的运动学约束关系与轨迹同步方法

4．1．1 耦合运动的运动学约束关系分析

4．1．2 叠加运动的运动学约束关系分析

4．1．3 协作运动同步

4．2 多机器人协作运动规划模块设计与实现

4．2．1 动态链接库DLL

4．2．2 使用科学计算库Lapack和Eigen

4．2．3 接口的设计与实现

4．3 本章小结

第五章 OpenHRP环境下多机器人离线编程系统的建立与功能验证

5．1 搭建VA1400和HP20D双机器人三维仿真与离线编程系统

5．2 协作运动三维仿真功能验证

5．2．1 直线耦合运动三维仿真功能验证

5．2．2 圆弧耦合运动三维仿真功能验证

5．2．3 直线上叠加直线三维仿真功能验证

5．2．4 直线上叠加圆弧三维仿真功能验证

5．3 协作运动离线编程的物理实验验证

5．4 多机器人离线编程系统搭建的灵活性验证

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 课题完成的主要工作

6．2 课题下一步的工作

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果