张小江 高秀华 张永智

0 引言
　　
机器人仿真技术是计算机技术、机器人学和计算机图形学相结合的产物。借助于机器人的实体图形对机器人的运动进行仿真，可形象逼真地反映机器人工作运动的全过程，可以实现机器人机构和控制器的优化设计，规划出最优的运动轨迹。机器人的动态图形仿真对机器人的设计、制造、试验及其应用具有重要的指导意义。机器人仿真系统作为机器人设计和研究过程中安全可靠、灵活方便的工具，发挥着越来越重要的作用。目前，离线仿真在国内虽然有些初步研究，但实际应用很少。可以预见随着机器人在我国的大量应用，离线仿真技术的研究和应用不但迫在眉睫，同时它的成功研究和应用也将有广阔的市场前景。

1 DELMIA及其IGRIP
　　
DELMIA集成解决方案在全球领先的企业与科研机构中得到广泛的应用。在航空航天、汽车、造船、重型设备、日用消费品等各个行业发挥着重要的作用。DELMIA公司系列软件以基于物理的虚拟设计与制造及虚拟机器人等模块表现最为优异。
　　
DELMIA软件在机器人应用仿真方面处于世界领先地位。DELMlA软件能显著降低人机时和工程准备时间，提高仿真的精度。DELMIA／IGRIP是专业机器人模拟软件，利用IGRIP可快速和图形化地构造各种应用工作单元作业，同时DELMIA／IG—RIP能很容易导人CAD数据，自动碰撞侦测功能能避免破坏减小风险。不管是对单个机器人作业单元还是整个工厂生产线，IGRIP都能提供相应的解决方案以提高制造质量、精度和效益。

2 机器人仿真
　
在机器人仿真研究中，仿真系统由以下几部分构成：三维几何模型，运动计算，轨迹规划，运动图形仿真等。根据KUKA240—2型机器人结构特点，机器人仿真步骤如下。

2．1机器人任务的设定
　　
工业机器人一般有6个自由度，要实现机器人运动学的逆解是一项十分繁重的工作。DELMIA／IGRIP软件能成功解决这困难。通过“RobotOf—flineProgramming”模块中的“ImporttagGroupInfo”导入机器人路径中的各点。在“RobotMo—tion”对话框中的“TargetAttributes”可看到机器人对应点运动学逆解的各种解，DELMIA／IGRIP对这些逆解进行r奇异性分析，可从中选择恰当逆斛。

2．2机器人轨迹规划
　　
文中采用轨迹规划方法为抛物线捅值。假定两端的过渡域具有相同的持续时间t，且具有大小相等方向相反的恒定加速度。要保证轨迹连续光滑，即要求抛物线的终点速度必须等于线性段的速度。
　　
机器人各关节运动速度经历3个阶段：机器人在第l阶段从初速度作匀加速运动，在2阶段作匀速运动，第3阶段作匀减速运动，直至角速度为0。为使机器人运动平稳，保证机器人在完成某项任务的加速度最小，文中采用的方法为：机器人运动过程中前一段作匀加速运动，后一段做匀减速运动中间不经过匀速运动阶段（即机器人关节运动只经过第l，3阶段）。这样能保证机器人完成同一项任务的加速度比中间有匀速运动的加速度小。在这种前提下则下列条件成立：
　　
文中选用的时间为4S，在机器人的作业空间中选取了3个点，分别为tag1，tag2和tag3。

2.3机器人防碰撞和干涉检测
　　
防碰撞检测的目的是分析机器人和周围环境可能出现的碰撞问题。干涉检测是分析机器人在工作过程中有可能出现的奇异性及速度加速度等超限问题。这是保证机器人能正常工作的必要条件。机器人的防碰撞检测问题比较复杂，在其设计中是一个非常棘手、但又必须妥善解决的问题。
　　
利用DELMIA／IGRIP的标准自动碰撞侦测功能允许用户生成多个碰撞和接近队列以避免碰撞，而且可由自动路径规划器，生成避碰机器人轨迹。可利用也可检测机器人速度和加速度超限问题，效率高，准确度好，解决了实际工作中的难题，使机器人碰撞问题在设计过程中得到有效的解决。在DELMIA／IGRIP环境中防碰撞检测的步骤是：在“SimulationAnalysisTools”工具栏中依次选择“碰撞检测（开启）”，对机器人进行碰撞检测；“A—nalysisConfiguration”中的“DeviceSettings”对机器人工具的速度加速度等进行检测；AnalysisCon—figuration”中的“RobotSettings”对机器人的线速度、角速度、线加速度和角加速度进行检测；然后选择“CheckClash”对机器人进行干涉检测。

2．4运动学仿真分析
　　
恨据机器人工作的特点，一般把饥器人各关节的轨迹，机器人末端的轨迹和机器人末端的位姿作研究对象，创建测量曲线，进行运动学仿真分析。产生测量曲线的方法：点击“SimulationAnaly—sis"Fools”中的“DataReadout”；在弹出窗口点击“Sensors”按钮，并选择相应的机器人；在弹出的“Sensormanagement”选择需要测量的曲线，如各关节的轨迹、机器人末端的轨迹、机器人末端的位姿等；对机器人进行仿真，在“SpreadSheet”得到需要测量的一系列数值，点击“Graphics”便得到所要的各个曲线。我们也可以在“Customizedcurves”来绘制其它关系曲线。
　　
本文以KUKA240—2型搬运机器人为研究对象，对机器人的运动采用DELMIA／IGRIP进行了分析，得到机器人各关节的轨迹，如图1～图6所示，机器人末端的运动轨迹，如图7～图9所示，机器人末端的空间轨迹如图10所示。

图 4   4号关节轨迹 
 


　   
从图中可以看出：机器人各关节在整个运动过程中的情况与所设定的初始条件吻合，整个曲线与各个工况运动一致。机器人末端的姿态一般用3×3的旋转矩阵来表示，DELMIA／IGRIP采用RPY方法，用这种方法，通过3个量就可以表示机器人的姿态。仿真结果如图11～图13所示。

从DELMIA／IGRIP对工业机器人的仿真分析来看，我们很清楚地得到机器人关节空间的轨迹、机器人末端的空间轨迹及其姿态，并且利用DEL—MIA／IGRIP能避免机器人的碰撞。

3 结束语
　　
机器人的运动仿真是机器人技术的一个重要组成部分，机器人仿真也是机器人离线编程系统中十分重要的一环。应用DELMIA／IGRIP软件的建模仿真模块，成功解决了机器人在工作过程中无法直接观察空间运动状况的难题，是直观方便地进行机器人仿真的有益尝试。

参考文献：
[1]北京赛四达科技有限公司．DELMIA公司及虚拟制造解决方案[z]．2003．
[2]朱世强．王宣银．机器人技术及其应用[M]．杭州：浙江大学出版社，2600．