机器人模块化可重用仿真平台的设计与研究

摘要

随着机器人研究的不断深入和机器人领域的不断发展，机器人仿真技术作为机器人设计与研究的安全可靠、灵活方便的工具在也得以飞快的发展，并发挥着越来越重要的作用。本文依托国家863重点项目“机器人模块化体系结构设计”子课题“机器人集成开发环境仿真建模平台”，旨在为相关领域的用户开发一种具有模块化可重用性的机器人仿真平台。该平台提供了稳定的核心引擎服务、可视化的模型编辑、多语言交互服务接口等功能，具有功能完善、门槛较低、可扩展性好、操作方便等优点，使得用户可以及时有效地完成所需工作，进一步缩短开发周期。本文的主要研究内容如下:
　　1.从机器人仿真平台的具体功能要求出发，分析了现有机器人仿真平台的优势和不足，按照模块化、可重用性的设计思想，提出了机器人软件平台设计要求，完成机器人软件平台的需求分析。
　　2.基于模块化体系结构，设计了机器人了仿真平台框架，并分别设计了核心引擎模块，模型编辑模块，3D显示模块，接口模块和总控模块的功能和结构，降低系统设计复杂度，明确划分系统各部分功能。
　　3.根据平台模块功能的需求，实现了平台的三大关键技术:三维实时场景渲染、可视化模型编辑、多语言接口，实现了基于Z缓存的实时消隐，基于四叉树的动态层次细节判断，基于XML的可视化模型编辑，提供了对C++和Matlab语言的支持，为实现可重用模块化仿真平台做了铺垫。
　　4.根据系统的设计思想和框架结构，开发了机器人模块化可重用仿真平台。通过绑定PhysX物理引擎和OpenGL渲染引擎，共同搭建了仿真平台高效的核心引擎;基于XML开发了3D可视化建模工具;实现了交互性良好的三维实时显示模块，支持多种输入设备操作;建立了多编程语言接口，降低了平台使用门槛。
　　5.进行机器人模块化可重用仿真平台的实验验证和性能分析。分别对六自由度机械臂和智能机器人进行了仿真，设计了控制算法的虚拟仿真对象和实物对象实验，验证了仿真平台的可靠性和设计的合理性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．1．1 机器人技术的发展

1．1．2 机器人仿真技术的发展和应用

1．2 机器人仿真平台的研究现状

1．3 课题的研究意义

1．4 本文的主要工作

第2章 机器人模块化可重用仿真平台的设计

2．1 机器人模块化可重用仿真平台需求分析

2．2 机器人模块化可重用仿真平台框架设计

2．2．1 机器人模块化可重用仿真平台功能设计

2．2．2 机器人模块化可重用仿真平台框架结构

2．3 机器人模块化可重用仿真平台关键技术

2．3．1 三维实时场景渲染关键技术研究

2．3．2 可视化模型编辑技术研究

2．3．3 多语言接口技术研究

2．4 平台开发工具选择

2．5 本章总结

第3章 机器人模块化可重用仿真平台关键技术的研究与实现

3．1 三维场景实时渲染

3．1．1 基于深度缓存算法的实时消隐

3．1．2 基于四叉树的动态LOD地形快速简化

3．2 基于XML的可视化模型编辑

3．2．1 可视化模型编辑基本体系结构

3．2．2 可扩展性标记语言XML解析器的设计与实现

3．2．3 可扩展性标记语言XML存储器的实现

3．3 多语言接口实现

3．3．1 与C++的实时接口服务的交互

3．3．2 与Matlab的实时接口服务的交互

3．3．3与仿真硬件系统交互通信

3．4 本章小结

第4章 机器人仿真平台的实现

4．1 高效的核心引擎模块

4．1．1 基于Physx的高仿真度物理引擎

4．1．2 基于OpenGL的渲染引擎

4．1．3 物理引擎和渲染引擎的绑定

4．2 三维模型编辑模块

4．2．1 三维模型动态创建

4．2．2 三维模型动态更新

4．3 三维显示模块

4．3．1 纹理映射

4．3．2 光照以及场景设计

4．3．3 基于双缓存和显示列表的快速显示

4．4 接口模块

4．4．1 用户交互编程接口

4．4．2 与硬件系统的实时通讯接口

4．5 总控模块

4．6 本章小结

第5章 六自由度机械臂仿真研究与分析

5．1 新松RH-6A弧焊机器人建模

5．2 六自由度机械臂的D-H参数描述和运动方程的建立

5．2．1 机器人D-H参数描述

5．2．2 机器人正运动学分析

5．2．3 机器人逆运动学分析

5．3 六自由度机械臂的轨迹规划算法研究

5．4 六自由度机械臂的轨迹规划实验分析

5．5 本章小结

第6章 智能移动机器人仿真研究与分析

6．1 半实物仿真技术

6．2 智能移动机器人--未来之星建模

6．3 识别球算法实现

6．4 实验结果与分析

6．4．1 仿真平台一致性分析

6．4．2 网络通讯误码率测试

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 工作总结

7．2 以后研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文和获得的奖励

作者简介