教学用坐标机械手三维模型、构建方法及其仿真系统

摘要

本发明公开了一种教学用坐标机械手三维模型、构建方法及仿真系统，将多种坐标机械手、末端执行器的模型存储在模型库中，通过属性面板设置坐标机械手模型和末端执行器的属性信息、以及两者之间的匹配信息，使得坐标机械手模型及末端执行器具有动态属性，实现动作的配合联动；终端使用者，通过拖拽仿真模型列表中的坐标机械手模型和末端执行器模型完成安装与卸载。该坐标机械手三维模型的使用具有很强的复用性和灵活性，规避了在仿真中使用坐标机械手时工作量大的问题。坐标机械手运输轨迹自由设置，使得坐标机械手运输多样化，使用者滑动滑块即可定义自己的运输动作，达到提升灵活度的目标。采用统一结构化方式，提高了坐标机械手模型的可扩展性。

说明书

技术领域

本发明属于教学用仿真软件领域，具体涉及一种教学用坐标机械手三维模型、构建方法及其仿真系统。

背景技术

在市面上主流的仿真软件中，坐标机械手的构建与仿真运行通常都是由三维数模软件制作好的数模文件导入进仿真软件，在仿真软件中对其进行各坐标运动轨迹控制定义，再通过逻辑控制指令调用仿真运动的执行，现有技术中仿真软件的操作步骤如下：

第一步、导入坐标机械手数模：

导入坐标机械手三维模型文件至仿真软件中，在模型列表中显示文件包含的所有模型；

第二步、对模型分组，并添加运动能力，操作步骤如下：

2.1、对坐标机械手模型的子模型根据机械结构组成进行调整分类，相同运动机制的子模型分为一类，坐标机械手模型按轴向运动最多分为3类，即X轴、Y轴和Z轴；

2.2、为同一类的子模型创建对应的机械结构组；

2.3、为不同的机械结构组添加运动能力，不同机械结构组沿单个轴运行为一个动作姿态，坐标机械手不同轴向的仿真运行状态由多个动作姿态组成；

第三步、创建动作组件，为其绑定运动能力、关联信号，操作步骤如下：

3.1、新建一个动作组件，将定义好的多个动作姿态进行绑定；

3.2、在动作组建中，配置动作姿态的属性定义；

3.3、新建动作组件信号，为每个动作姿态对应配置信号，供虚拟系统对应调用；

第四步、生成虚拟系统，新建系统逻辑信号，将其与动作组件信号关联，操作步骤如下：

4.1、创建虚拟系统，用于构建并存储坐标机械手的运行流程；

4.2、配置虚拟系统编辑器中的系统逻辑信号，设置信号名称、类型、端口值，完整定义信号信息；

4.3、将系统逻辑信号与动作组件中的信号一一对应匹配；

第五步、在虚拟系统中新增存放坐标机械手仿真运行逻辑的路径，操作步骤如下：

5.1、创建控制逻辑指令，根据坐标机械手的仿真运行逻辑选择对应的系统逻辑信号；

5.2、在仿真执行时可查看坐标机械手的运行流程。

上述坐标机械手的模型构建与仿真运行构建方式存在着诸多缺点和不便利之处，且和实际的操作逻辑存在一定的偏差，例如：

坐标机械手通常搭配末端执行器执行不同应用场景下的各类任务，在现有的仿真软件中除了需配置坐标机械手的运行路径，还需配置末端执行器的相关动作，操作较为复杂。。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种教学用坐标机械手三维模型、构建方法及其仿真系统，解决了现有技术中仿真用坐标机械手三维模型操作复杂、无法灵活运用且不适用于教学的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种教学用坐标机械手三维模型，包括坐标机械手模型、末端执行器模型本体及对应的属性面板，将多种坐标机械手、末端执行器的模型存储在模型库中，通过属性面板设置坐标机械手模型和末端执行器的属性信息、以及两者之间的匹配信息，使得坐标机械手模型及末端执行器具有动态属性，实现动作的配合联动；终端使用者，通过拖拽仿真模型列表中的坐标机械手模型和末端执行器模型完成安装与卸载。

所述坐标机械手模型包括直角坐标式、圆柱坐标式，末端执行器类型包括气动抓手类、吸盘类、机械夹爪类。

所述坐标机械手的模型规格参数信息存储在配置文件中，通过属性面板来限定坐标机械手运输的边界数据。

一种教学用坐标机械手三维模型的构建方法，包括如下步骤：

步骤1、为具有动态属性的坐标机械手模型及末端执行器绑定统一的结构化框架，所述结构化包括规格参数处理、可达运输边界处理、人工交互处理的结构化；

步骤2、根据坐标机械手的运动原理及规格参数，定义坐标机械手模型的动作参数，以及匹配的末端执行器动作接口，为坐标机械手绑定末端执行器的安装放置点位；

步骤3、根据末端执行器的运动原理及规格参数，定义末端执行器的动作参数，并预设末端执行器的模型动作；

步骤4、对坐标机械手的属性面板进行绑定，将坐标机械手的相应动作参数与属性面板中的滑块绑定在一起；

步骤5、在末端执行器的属性面板中配置仿真运行动作及输入输出信号，并映射至坐标机械手动作列表中；

步骤6、在终端显示窗口，将末端执行器拖至或拖离预先设置的坐标机械手模型，实现末端执行器的安装或卸载，完成三维模型整体的构建。

所述坐标机械手模型的动作参数包括移动板水平方向行走方向及移动最大行程、提升梁垂直方向升降方向及升降极限高度；末端执行器的动作参数包括吸附、夹取、松开。

步骤4中，与属性面板中滑块绑定的参数包括移动板的运输轨迹及边界、提升梁的运输轨迹及边界。

所述末端执行器的动作参数包括末端执行器的抓取的物料、方向、行程及动作类型。

一种教学用坐标机械手仿真系统，包括显控终端，存储在显控终端上的坐标机械手及末端执行器模型，外部控制装置；其中，显控终端包括仿真显示界面和存储装置，坐标机械手及末端执行器模型以列表的方式存储，用户通过外部控制装置将坐标机械手从存储列表中拖拽至显示终端，将相应的末端执行器拖拽至坐标机械手的位置，进行安装，安装后，通过坐标机械手和末端执行器的属性面板设置相关参数，并控制其仿真运行。

用户通过坐标机械手的属性面板设置坐标机械手的轨迹路径，X、Y、Z方向的移动行程，匹配的末端执行器动作接口；末端执行器的属性面板设置末端执行器的仿真运行动作及输入输出信号，抓取方向及行程。

坐标机械手和末端执行器在属性面板中配置完成后，实时更新显示其设置参数，同时映射至动作列表中进行存储。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明使得坐标机械手三维模型的使用具有很强的复用性和灵活性，规避了在仿真中使用坐标机械手时工作量大的问题。

2、坐标机械手运输轨迹自由设置，使得坐标机械手运输多样化，使用者滑动滑块即可定义自己的运输动作，达到提升灵活度的目标。

3、坐标机械手模型采用统一结构化方式，使模型动作仅需要更新坐标机械手的规格参数就可以实现扩充，提高了坐标机械手模型的可扩展性。

4、为坐标机械手创建出末端执行器的安装放置点，终端使用者仅需要拖拽末端执行器到坐标机械手模型上就会自动将末端执行器安装上去，提升了配置灵活度的目标，并且坐标机械手安装限制末端执行器的类型，使得这一操作更加符合真实模型具备的特性。

5、终端使用者应用本发明的仿真系统，不需要花费大量的时间配置坐标机械手模型的各种参数，仅通过坐标机械手属性面板中的滑块即可实现各种参数的配置，操作方便，提升了用户的使用感受。

附图说明

图1为本发明坐标机械手三维模型的使用构建方法的模块框图。

图2为本发明坐标机械手三维模型的使用方法流程图。

图3为本发明具体实施例坐标机械手A三维模型结构图。

图4为本发明具体实施例坐标机械手A三维模型的属性面板图。

图5为本发明具体实施例坐标机械手B三维模型结构图。

图6为本发明具体实施例坐标机械手B三维模型的属性面板图。

图7为本发明具体实施例坐标机械手C三维模型结构图。

图8为本发明具体实施例坐标机械手C三维模型的属性面板图。

其中，图中的标识为：1-机械手X轴；2-机械手Y轴；3-机械手Z轴；4-末端执行器；5-桁架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及工作过程作进一步说明。

一种教学用坐标机械手三维模型，包括坐标机械手模型、末端执行器模型本体及对应的属性面板，将多种坐标机械手、末端执行器的模型存储在模型库中，通过属性面板设置坐标机械手模型和末端执行器的属性信息、以及两者之间的匹配信息，使得坐标机械手模型及末端执行器具有动态属性，实现动作的配合联动；终端使用者，通过拖拽仿真模型列表中的坐标机械手模型和末端执行器模型完成安装与卸载。

所述坐标机械手模型包括直角坐标式、圆柱坐标式，末端执行器类型包括气动抓手类、吸盘类、机械夹爪类。

所述坐标机械手的模型规格参数信息存储在配置文件中，通过属性面板来限定坐标机械手运输的边界数据。

一种教学用坐标机械手三维模型的构建方法，包括如下步骤：

步骤1、为具有动态属性的坐标机械手模型及末端执行器绑定统一的结构化框架，所述结构化包括规格参数处理、可达运输边界处理、人工交互处理的结构化；

步骤2、根据坐标机械手的运动原理及规格参数，定义坐标机械手模型的动作参数，以及匹配的末端执行器动作接口，为坐标机械手绑定末端执行器的安装放置点位；

步骤3、根据末端执行器的运动原理及规格参数，定义末端执行器的动作参数，并预设末端执行器的模型动作；

步骤4、对坐标机械手的属性面板进行绑定，将坐标机械手的相应动作参数与属性面板中的滑块绑定在一起；

步骤5、在末端执行器的属性面板中配置仿真运行动作及输入输出信号，并映射至坐标机械手动作列表中；

步骤6、在终端显示窗口，将末端执行器拖至或拖离预先设置的坐标机械手模型，实现末端执行器的安装或卸载，完成三维模型整体的构建。

所述坐标机械手模型的动作参数包括移动板水平方向行走方向及移动最大行程、提升梁垂直方向升降方向及升降极限高度；末端执行器的动作参数包括吸附、夹取、松开。

步骤4中，与属性面板中滑块绑定的参数包括移动板的运输轨迹及边界、提升梁的运输轨迹及边界。

所述末端执行器的动作参数包括末端执行器的抓取的物料、方向、行程及动作类型。

该方法简化了坐标机械手三维模型的使用方式，根据坐标机械手的规格参数就可以限定坐标机械手的运动边界，并且使用者通过拖拽的方式，将末端执行器与坐标机械手进行安装点定位绑定，达到提升使用灵活度的目标。

模型采用统一结构化方式，使坐标机械手模型的运动通过修改三坐标机械手规格参数即可实现扩充，提高了系统的可扩展性。

重新设计了坐标机械手不同轴向运动路径的配置过程，达到降低使用门槛、工作量和操作时间以及提升灵活度的目标。

具体实施例一，如图1至图4所示，

以坐标机械手A的三维模型为例对该方案的坐标机械手三维模型及其使用构建方法做详细介绍，坐标机械手A包括X轴、Y轴、Z轴、桁架，其中，Z轴的下端设置末端执行器。

该坐标机械手的三维模型的使用构建方法，包括如下步骤：

步骤1、为具有动态属性的坐标机械手A绑定统一的结构化框架，该框架作为坐标机械手A模型通用的基本骨架；

步骤2、根据坐标机械手中移动板及提升梁模型左右平移、上下平移的运动原理，定义该坐标机械手的模型规格参数，结构化框架中会初使化这些参数；

步骤3、根据坐标机械手可安装末端执行器的特点，为坐标机械手绑定末端执行器的安装放置点；

步骤4、编辑末端执行器的动作属性(如：夹取、松开、动作时间等)，作为坐标机械手的从属运动配置；

步骤5、在坐标机械手的属性面板中绑定坐标机械手各轴向的运动边界并通过属性面板中的滑块进行绑定，并在运动轨迹中增加末端执行器的动作，完成整体运行的配置。

该实施例坐标机械手的属性面板中的设置面板应用如下：

该属性界面中分为三个部分，包括空间位置、动作设置部分；

在空间设置中，会显示坐标机械手在仿真场景中的空间位置。

在动作设置界面中，可以根据终端使用者的场景需求自由添加配置运输路径。

1)点击动作设置右上角的添加按钮来添加一条运输路径动作并可以根据终端使用者需求自定义其动作名称和根据节拍调节其轴运动速度。

2)设置好，动作的名称和速度后点开编辑按钮打开运输路径子面板，通过滑动滑块或直接输入行程配合记录按钮来记录当前坐标机械手的运输路径。记录以单轴运动路径为单位，并在记录过程中可以随时调换轴路径以及对单轴运动路径进行自由添加、修改及删除。

3)如果坐标机械手已经安装了末端执行器，在运输路径子面板中，选择单条轴记录路径，终端使用者可以在其后追加末端执行器的动作，表示坐标机械手在运动到此路径后触发安装在坐标机械手上的末端执行器动作。

具体实施例二，如图5、图6所示：

以坐标机械手B的三维模型为例对该方案的坐标机械手三维模型及其使用构建方法做详细介绍，坐标机械手B包括X轴、Z轴、桁架，其中，末端执行器安装在系统预设的结构从属点上。

该坐标机械手的三维模型的使用构建方法，包括如下步骤：

步骤1、为具有动态属性的坐标机械手B绑定统一的结构化框架，该框架作为坐标机械手模型通用的基本骨架；

步骤2、根据坐标机械手B中移动板及提升梁模型左右平移、上下平移的运动原理，定义该坐标机械手的模型规格参数，结构化框架中会初使化这些参数；

步骤3、根据坐标机械手可安装末端执行器的特点，为坐标机械手绑定末端执行器的安装放置点；

步骤4、在坐标机械手的属性面板中绑定坐标机械手各轴向的运动边界并通过属性面板中的滑块进行绑定。

该实施例坐标机械手的属性面板中的设置面板应用如下：

该属性界面中分为三个部分，包括空间位置、动作设置部分；

在空间设置中，会显示坐标机械手在仿真场景中的空间位置。

在动作设置界面中，可以根据终端使用者的场景需求自由添加配置运输路径。

1)点击动作设置右上角的添加按钮来添加一条运输路径动作并可以根据终端使用者需求自定义其动作名称和根据节拍调节其轴运动速度。

2)设置好，动作的名称和速度后点开编辑按钮打开运输路径子面板，通过滑动滑块或直接输入行程配合记录按钮来记录当前坐标机械手的运输路径。记录以单轴运动路径为单位，并在记录过程中可以随时调换轴路径以及对单轴运动路径进行自由添加、修改及删除。

3)如果坐标机械手已经安装了末端执行器，在运输路径子面板中，选择单条轴记录路径，终端使用者可以在其后追加末端执行器的动作，表示坐标机械手在运动到此路径后触发安装在坐标机械手上的末端执行器动作。

具体实施例三，如图7、图8所示：

以坐标机械手C的三维模型为例对该方案的坐标机械手三维模型及其使用构建方法做详细介绍，坐标机械手C包括X轴、Z轴，其中，Z轴的下端设置末端执行器。

该坐标机械手的三维模型的使用构建方法，包括如下步骤：

步骤1、为具有动态属性的坐标机械手绑定统一的结构化框架，该框架作为坐标机械手模型通用的基本骨架；

步骤2、根据坐标机械手中移动板及提升梁模型左右平移、上下平移、前后平移的运动原理，定义该坐标机械手的模型规格参数，结构化框架中会初使化这些参数；

步骤3、根据坐标机械手可安装末端执行器的特点，为坐标机械手绑定末端执行器的安装放置点；

步骤4、在坐标机械手的属性面板中绑定坐标机械手各轴向的运动边界并通过属性面板中的滑块进行绑定；。

该实施例坐标机械手的属性面板中的设置面板应用如下：

该属性界面中分为三个部分，包括空间位置、动作设置部分；

在空间设置中，会显示坐标机械手在仿真场景中的空间位置。

在动作设置界面中，可以根据终端使用者的场景需求自由添加配置运输路径。

1)点击动作设置右上角的添加按钮来添加一条运输路径动作并可以根据终端使用者需求自定义其动作名称和根据节拍调节其轴运动速度。

2)设置好，动作的名称和速度后点开编辑按钮打开运输路径子面板，通过滑动滑块或直接输入行程配合记录按钮来记录当前坐标机械手的运输路径。记录以单轴运动路径为单位，并在记录过程中可以随时调换轴路径以及对单轴运动路径进行自由添加、修改及删除。

3)如果坐标机械手已经安装了末端执行器，在运输路径子面板中，选择单条轴记录路径，终端使用者可以在其后追加末端执行器的动作，表示坐标机械手在运动到此路径后触发安装在坐标机械手上的末端执行器动作。

终端使用者通过坐标机械手三维模型的属性面板进行模型动作参数配置。

上述所有的技术特征中，除属性面板及用户操作外，均为底层设置，坐标机械手三维模型使用构建过程中，作为一种隐形的控制数据赋予给坐标机械手三维模型的本体，用户在应用的过程中，只要通过属性面板做简单的参数设置即可直接应用。

上述实施举例仅仅作为特例对本技术方案做进一步的说明，不能认为本方案仅仅保护所述实例，而是所有的仿真用坐标机械手三维模型均可用该方法构建，方便了用户应用，节约了教学时间，提高了教学效率。