本發(fā)明屬于工業(yè)機器人技術領域，更具體地，涉及一種基于三維模型的機器人可視化虛擬示教系統(tǒng)及方法。

背景技術：

工業(yè)機器人系統(tǒng)主包括機械本體、伺服驅動、控制系統(tǒng)和示教器；其中示教器作為上位機，是工業(yè)機器人系統(tǒng)的人機交互工具，操作人員可通過示教器查看和更改機器人的參數、位姿、速度、加速度和運行模式等信息，還能通過手動示教和加載程序的方式操控機器人運動，編程工作主要在示教器中完成。

目前工業(yè)機器人主要有兩種編程方式：一種是示教-再現型編程，一種是離線編程；示教-再現型編程方法的缺陷在于：通過按鍵控制機器人運動只能控制一個軸或一個方向的運行，不能自由的到達空間任意示教目標點；而且示教過程中只能觀察到枯燥的數據，無法形象的觀察模型的運動狀態(tài)，示教過程全憑經驗和肉眼觀察，無法準確確定工具末端點是否與環(huán)境發(fā)生碰撞；另一方面，由于示教編程只能進行簡單的點位示教，難以滿足復雜的焊接、裝配等工作要求；而且，由于示教狀態(tài)下機器人必須脫離生產，示教過程將占用大量實體機器人的工作時間，效率低下。

離線編程方法雖能完成脫離實際工作環(huán)境進行編程，很好的解決示教-再現型編程方法的不足，但仍然存在以下不足：離線編程方法一般均基于商業(yè)化的大型離線編程軟件，價格高昂，配置專業(yè)的離線編程軟件會增加生產成本；離線編程軟件規(guī)模較大，一般基于大型工作站或pc端，對硬件的要求高，對嵌入式平臺的支持不夠，可移植性較差；離線編程軟件提供的功能繁多，操作流程復雜，需要配備專業(yè)的技術人員，無形中又增加企業(yè)成本。

隨著機器人應用范圍的擴大和任務復雜性提高，而現有編程方法存在上述不足，對基于機器人三維模型可視化虛擬示教方法具有了需求。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于三維模型的機器人可視化虛擬示教系統(tǒng)及方法，其目的在于實現機器人示教編程過程可視化，并提高可移植性。

為了實現上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于三維模型的機器人可視化虛擬示教系統(tǒng)，包括三維仿真模塊、運動控制模塊、程序編輯模塊和通信模塊；

其中，三維仿真模塊的輸入端與運動控制模塊的輸出端相連，程序編輯模塊的輸入端與三維仿真模塊的第一輸出端相連；通信模塊的第一輸入端與三維仿真模塊的第二輸出端相連，通信模塊的第二輸入端與程序編輯模塊的輸出端相連，通信模塊的輸出端用作與外部機器人之間的通信接口；

其中，運動控制模塊用于根據用戶輸入的關節(jié)角或位姿信息，利用機器人正逆解運動算法和軌跡規(guī)劃算法，對機器人末端的運功軌跡進行規(guī)劃；三維仿真模塊用于根據運動控制模塊輸出的模型驅動信號，進行模型顯示、場景刷新和運動仿真，根據仿真結果輸出模型位姿信息；程序編輯模塊用于將該模型位姿信息作為目標示教點來編輯機器人作業(yè)程序，并記錄視角點示教目標點，該示教目標點通過通信模塊下發(fā)給外部的機器人本體控制器，驅動機器人本體運動；通信模塊用于接收模型位姿信息和機器人作業(yè)程序，并發(fā)送到外部待示教的機器人。

優(yōu)選的，上述的機器人可視化虛擬示教系統(tǒng)，三維仿真模塊采用openscenegraph三維圖形顯示技術在qt窗體中實時顯示機器人三維模型與環(huán)境模型，并根據運動控制模塊發(fā)送的模型驅動通過openscenegraph三維圖形接口處理，實現在該qt窗體內對機器人三維模型進行選中、自由拖動并同步顯示機器人三維模型的狀態(tài)，并將機器人三維模型的位姿信息下發(fā)給通信模塊；其中，qt是指一種跨平臺圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架，openscenegraph是指一種開放源碼的跨平臺的圖形開發(fā)包。

優(yōu)選的，上述的機器人可視化虛擬示教系統(tǒng)，還包括人機交互模塊；人機交互模塊與三維仿真模塊、運動控制模塊、程序編輯模塊相連；用于顯示機器人三維模型、環(huán)境模型和機器人三維模型的位姿數據，并用于接收操控者輸入的操控信息，下發(fā)到程序編輯模塊。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于三維模型的機器人可視化虛擬示教方法，具體包括如下步驟：

(1)基于六軸機器人運動學d-h參數模型建立機器人三維模型的位姿關系；

(2)利用openscenegraph函數庫將機器人三維模型和環(huán)境模型導入到基于qt平臺建立人機交互界面；

(3)通過在人機交互界面中拖動場景中的機器人三維模型或指定目標位置點，使機器人三維模型運動到場景中的示教目標點；

(4)將上述的示教目標點位置信息發(fā)送到待示教的機器人的控制器，通過該控制器驅動機器人本體運動到實際示教目標點。

優(yōu)選地，上述基于三維模型的機器人可視化虛擬示教方法，通過保存的示教目標點生成機器人作業(yè)程序，將所述機器人作業(yè)程序加載到擬示教的機器人來實現示教再現。

總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明提供的機器人可視化虛擬示教系統(tǒng)及方法，基于qt和openscenegraph平臺，在openscenegraph平臺搭建可視化虛擬示教系統(tǒng)，導入機器人三維模型與環(huán)境模型，并與外部機器人進行通信，通過拖動機器人三維模型或指定示教目標點，調整機器人三維模型在三維場景中的位姿關系，實現驅動機器人本體的關節(jié)運動；由于是通過拖動場景中的機器人三維模型或者設置機器人三維模型運動的目標點來控制機器人多個軸或多個方向的運行以達到準確的示教點位置，因此具有操作簡單的特點，不必像傳統(tǒng)的示教-再現編程的方法那樣，只能控制機器人運動只能控制一個軸或一個方向的運行，靠肉眼觀察，反復的調整才能達到示教點位置；

(2)本發(fā)明提供的機器人可視化虛擬示教系統(tǒng)及方法，在三維場景中進行虛擬示教，將機器人三維模型和環(huán)境模型導入到場景中，將虛擬示教點的位姿信息與編輯程序進行整合，完成機器人作業(yè)編程，可以形象的觀察機器人與環(huán)境模型的位置關系，而不必面對枯燥的數據；

(3)本發(fā)明提供的機器人可視化虛擬示教系統(tǒng)及方法，通過在場景中設置機器人三維模型的禁入區(qū)，可避免機器人三維模型與環(huán)境模型發(fā)生碰撞，示教的安全性高；

(4)本發(fā)明提供的機器人可視化虛擬示教系統(tǒng)及方法，基于開源的跨平臺的qt和openscenegraph，能實現嵌入式平臺的移植，可移植性優(yōu)于現有的離線編程方法。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的基于三維模型的機器人可視化虛擬示教系統(tǒng)的功能框圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的基于三維模型的機器人可視化虛擬示教系統(tǒng)的人機交互模塊的界面示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明提供的機器人可視化虛擬示教系統(tǒng)及方法，基于qt和openscenegraph平臺，在openscenegraph平臺搭建可視化虛擬示教系統(tǒng)，導入機器人三維模型與環(huán)境模型，并與外部機器人進行通信，通過拖動機器人三維模型或指定示教目標點，調整機器人三維模型在三維場景中的位姿關系，實現驅動機器人本體的關節(jié)運動，在三維場景中進行虛擬示教，將虛擬示教點的位姿信息與編輯程序進行整合，完成機器人作業(yè)編程；通過將示教點位信息下發(fā)給機器人控制器，驅動機器人本體運動到實際的示教目標點。

實施例提供的基于三維模型的機器人可視化虛擬示教系統(tǒng)，其功能框圖如圖1所示，包括三維仿真模塊、運動控制模塊、程序編輯模塊、通信模塊和人機交互模塊；

其中，三維仿真模塊的輸入端與運動控制模塊的輸出端相連，程序編輯模塊的輸入端與三維仿真模塊的第一輸出端相連；通信模塊的第一輸入端與三維仿真模塊的第二輸出端相連，通信模塊的第二輸入端與程序編輯模塊的輸出端相連，通信模塊的輸出端用作與外部機器人之間的通信接口；人機交互模塊與三維仿真模塊、運動控制模塊、程序編輯模塊相連；

其中，運動控制模塊用于根據用戶輸入的關節(jié)角或位姿信息，利用機器人正逆解運動算法和軌跡規(guī)劃算法，對機器人末端的運功軌跡進行規(guī)劃；三維仿真模塊用于根據運動控制模塊輸出的模型驅動信號，進行模型顯示、場景刷新和運動仿真，根據仿真結果輸出模型位姿信息；程序編輯模塊用于將該模型位姿信息作為目標示教點來編輯機器人作業(yè)程序，并記錄示教目標點；該示教目標點通過通信模塊下發(fā)給機器人本體控制器，驅動機器人本體運動；通信模塊接收模型位姿信息和機器人作業(yè)程序，并發(fā)送到外部待示教的機器人；人機交互模塊用于顯示機器人三維模型、環(huán)境模型和機器人三維模型的位姿數據，并用于接收操控者輸入的操控信息，下發(fā)到程序編輯模塊。

本實施例中，三維仿真模塊采用openscenegraph的三維圖形顯示技術在qt窗體中實時顯示機器人三維模型與環(huán)境模型，并根據運動控制模塊發(fā)送的模型驅動通過openscenegraph三維圖形接口處理，實現在該窗口內對機器人三維模型進行選中、自由拖動并同步顯示機器人三維模型的狀態(tài)，并將機器人三維模型的位姿信息下發(fā)給通信模塊。

本實施例中，人機交互模塊的界面的布局如圖2所示，包括菜單欄、三維模型顯示區(qū)、位置與姿態(tài)數據顯示區(qū)、手動操控區(qū)和程序編輯區(qū)。其中，菜單欄是人機交互界面進行示教操作的功能區(qū)，菜單欄中包含文件加載，通信，運行模式切換，坐標系選擇，運動倍率切換，參數設置等菜單項。三維模型顯示區(qū)是顯示機器人模型和環(huán)境模型的窗體，是實現可視化虛擬示教最重要的部分，可在該窗體中選中末端關機，自由拖動模型到達指定的示教目標位點；位置與姿態(tài)數據顯示區(qū)是顯示機器人關節(jié)角信息、位置信息、歐拉角姿態(tài)信息的窗體，通過該窗體，能知道機器人模型運動的位姿信息；程序編輯區(qū)是進行示教編程時編輯程序和記錄示教點位的窗體；手動控制區(qū)是主要由控制機器人模型及機器人本體運動的按鈕組成的窗體，通過該區(qū)域的按鈕，驅動機器人模型到達示教目標點。

實施例提供的基于三維模型的機器人可視化虛擬示教方法具體包括如下步驟：

(1)基于六軸機器人運動學d-h參數模型建立機器人三維模型的位姿關系；

(2)利用openscenegraph函數庫將機器人三維模型和環(huán)境模型導入到基于qt平臺建立人機交互界面；

(3)將人機交互界面與待示教的機器人聯(lián)機，通過在人機交互界面中拖動場景中的機器人三維模型或指定目標位置點，使機器人三維模型運動到示教目標點；

(4)將示教目標點位信息發(fā)送到待示教的機器人的控制器，通過該控制器驅動機器人本體運動到示教目標點。

基于實施例提供的基于三維模型的機器人可視化虛擬示教系統(tǒng)和方法進行虛擬示教的流程具體如下：

(1)通過通信模塊，將人機交互界面與機器人聯(lián)機；

(2)將機器人模型和環(huán)境模型導入三維仿真模塊；

(3)通過在三維仿真模塊選中三維場景中的機器人的關節(jié)模型，自由拖動機器人模型或采用手動方式驅動或指定機器人模型的末端在場景中的位置與姿態(tài)信息，以驅動機器人運動到指定的示教目標點，并保存目標示教點；

(4)將記錄的目標示教點通過通信模塊發(fā)送到待示教的機器人以驅動機器人本體運動到實際的示教目標點；

將保存的目標點載入程序編輯模塊，生成機器人作業(yè)程序，將機器人作業(yè)程序通過通信模塊下發(fā)給機器人系統(tǒng)，可再現示教過程。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。