基于OpenGL的码垛机器人离线编程与仿真系统设计

摘要

随着工业自动化技术的发展,工业机器人被广泛应用于各种场合,对机器人编程的技术要求也越来越高.传统的机器人编程方法对操作者有一定的技术要求,停机编程不仅占用生产时间而且效率低下.针对这种现状,以实现机器人编程的高效性、安全性、精确性为目标,深入的研究机器人离线编程与仿真技术,具有十分重要的意义.
　　本文在调研国内外机器人离线编程与仿真技术的基础上,针对码垛机器人专有离线编程系统较匮乏,且在不同机器人品牌间通用性差的状况.通过对系统功能需求和开发方案的具体分析,设计开发了基于句enGL的码垛机器人离线编程与仿真系统.
　　本文以常见的四自由度关节式加双摇杆码垛机器人为研究对象,首先依据其机械结构进行了运动规律的分析,建立D-H矩阵求得机器人运动学正逆解.其次对机器人的空间运动轨迹规划和碰撞检测算法进行了研究,并对机器人在不同码垛条件下的末端位姿参数进行了深入的分析计算,为机器人离线仿真模块的设计提供了算法基础.
　　在Visual C++开发环境下搭建基于OpenGL的虚拟三维仿真环境,对三维模型不同的导入方法和规则进行了分析.随之对机器人的码垛参数设定、离线示教与编程、离线程序仿真运行等功能模块进行了详尽的设计.最后,以川崎码垛机器人为例,解析其程序的结构,设计了相应的程序转换模板,将自定义语言编写的代码转化为机器人可执行的程序.
　　在理论分析和研究的基础上,搭建实际的机器人码垛系统环境.对离线编程与仿真系统的各部分功能进行实验验证,分析对比仿真环境与实际环境下的物体尺寸和示教点位姿数据.实验结果表明,本课题设计的基于OpenGL的码垛机器人离线编程与仿真系统能够应用于实际的码垛作业项目,导出的机器人程序稳定可靠,运动轨迹和精度满足码垛要求.

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摘要

ABSTRACT

Contents

1 绪论

1.2 国内外相关课题研究现状

1.2.1 码垛机器人研究现状

1.2.2 机器人离线编程与仿真研究现状

1.3 本课题主要研究内容与框架

1.3.3 论文结构

2 离线编程与仿真系统整体设计

2.2 系统开发方案的选择

2.2.2 图形程序接口的选择

2.3 系统的结构组成

2.4 本章小结

3.1.1 机器人运动规律分析

3.1.2 机器人正运动学建模

3.1.3 机器人逆运动学分析

3.2 机器人运动轨迹规划

3.2.1 空间直线插补算法设计

3.2.2 空间圆弧插补算法设计

3.2.3 机器人末端姿态参数设计

3.3 机器人碰撞检测算法

3.3.1 碰撞检测算法分析

3.3.2 AABB检测算法

3.4 基于OpenGL的仿真环境搭建

3.4.2 OpenGL工作环境的配置

3.5 虚拟三维模型的导入

3.5.1 机器人三维模型的导入

3.5.2 机器人工作环境物体的导入

3.5.3 仿真环境尺寸单位的设定

4 机器人离线编程模块的设计与实现

4.1.1 机器人与码垛参数设定模块设计

4.1.2 机器人离线示教与编程模块设计

4.1.3 机器人离线程序仿真模块设计

4.2 离线示教与编程辅助功能设计

4.2.2 鼠标交互功能设计

4.2.3 关键点捕捉设计

4.3 机器人程序解析与转换设计

4.3.1 码垛机器人程序解析

4.3.2 自定义编程语言的创建

4.3.3 程序转换模板的设计

4.4 本章小结

5 实验与结果分析

5.1.2 机器人码垛系统软件环境的搭建

5.2 机器人离线编程与仿真功能测试与分析

5.2.1 机器人与码垛环境物体导入实验

5.2.2 机器人离线示教实验

5.2.3 离线程序仿真运行实验

5.2.4 程序转换与实体样机实验

5.3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况

致谢