便携式机器人仿真开发器

本发明涉及一种低成本、高性能，能简便、快速地开发便携式机器人的“便携式机器人仿真开发器”。

由于现代工业生产的需要和工业机器人技术水平的提高，许多工业生产领域都应用了工业机器人。随着这种高科技产品进入工业生产现场，已从根本上改变了传统的生产模式。目前，工业机器人的开发方式直接制约着工业机器人的应用和推广，快速、灵活的开发方式不但直接促进工业机器人的应用和推广，而且直接决定工业机器人完成生产作业的柔性化。

开发工业机器人，包括工业机器人硬件和控制软件开发两部分。工业机器人硬件开发一般包括生产作业分析、方案确定、结构几何分析、运动分析、动特性分析、图纸绘制等步骤，这些分析工作，对工业机器人专业知识要求很高。工业机器人控制软件开发，即对工业机器人编程，都是在微型计算机系统软件的支持下进行。具体有几种方式：机器人语言编程，实现了计算机编程，是采用类似Basic语言编程方式开发机器人控制程序。由于目前开发的机器人语言绝大多数是根据专用机器人而单独开发的，国内外尚无通用的机器人语言；离线编程是在离线的情况下进行机器人轨迹规划的编程方法，其基本系统是基于CAD数据的图形系统。利用CAD数据生成机器人运动轨迹，目前国内外多数仍处于研究阶段。示教编程是目前使用最普遍的方法，这种方法编制程序是在工业机器人生产现场进行，操作人员可以手扶工业机器人按给定运动轨迹运动；或操作示教盒的按钮驱动工业机器人按给定运动轨迹运动，将给定运动轨迹转化为机器人各关节轴的角度信息，记录进主控微型计算机的内存储器；复现给定运动轨迹时，主控微型计算机从内存读出相应信息，采用插补算法和机器人逆向运动学算法，将运动轨迹中间点的位置和姿态，转变为对应关节轴应旋转的角度信息，并向从微型计算机或单片计算机发出控制命令，驱动各关节轴，在一定精度范围内复现示教的运动轨迹。由于要满足实时控制的需要，对微型计算机系统配置提出了很高的要求，在示教和复现运动轨迹时，都必须利用主控微型计算机。上述的工业机器人硬件开发和控制软件开发方式不仅要求高配置的微型计算机，导致开发系统价格高；而且对开发人员的工业机器人、微型计算机、机器人语言和CAD应用等专业知识，都提出了较高的要求。并且，在工业机器人生产作业方式改变或生产作业工艺改进后，再次开发控制软件的周期长，不适应生产作业柔性化的要求。事实上，在实际工业生产中，有很大一类生产作业任务，由于受生产作业现场和生产作业方式的限制，需要一种结构紧凑、体积小、重量轻、便于携带和灵活移动的便携式机器人来完成。一般地，便携式机器人完成生产作业任务是按顺序进行，完成生产作业的运动轨迹是给定的；或者运动轨迹可分解为多种单一运动轨迹的组合，可以对各单一运动轨迹进行控制而合成给定的运动轨迹。并且生产作业过程中末端操作器始终不与外界相接，仅需对便携式机器人进行位置控制。由于关节型机器人占用空间位置小，其关节型手臂型手臂由大臂、小臂、手腕构成，使关节型手臂可以折叠，结构紧凑；关节型手臂伸展后生产作业空间大，安装在关节型手臂上的末端执行器甚至可以越过障碍完成生产作业，是便携式机器人首选的机型。为降低便携式机器人生产成本和缩短控制软件开发周期，便携式机器人驱动一般采用步进电机，控制方式多为基于单片微型计算机的开环控制。如沿用上述现有技术开发便携式机器人和控制软件，是不必要的。现在，机器人正向着多领域、小型化、经济型方向发展，广大技术人员既熟悉本专业技术，又初步掌握微型计算机应用知识，是研制和推广机器人应用的主要技术力量，急需一种低成本、高性能，能简便、快速地开发机器人的开发工具。

本发明是针对采用现有技术开发便携式机器人和控制软件，存在机器人开发系统价格高，开发控制软件周期长，并且对开发人员工业机器人、微型计算机、机器人语言和CAD应用等专业知识要求高的不足。为满足广大技术人员结合本专业工作实际，开发便携式机器人和控制软件的需要，提供一种“便携式机器人仿真开发器”。其主要目的是：以低价格的便携式机器人开发系统，简便、快速地开发便携式机器人及控制软件。

本发明目的是这样实现的：由PC微型计算机、单片机系统、输入接口电路、输出功率驱动电路，以及控制电源构成开发器硬件；和开发的“便携式机器人CAD系统”工具软件一起，共同组成便携式机器人仿真开发器。开发便携式机器人时，首先应用便携式机器人仿真开发器，在“便携式机器人CAD系统”工具软件支持下，按生产作业任务和给定的生产作业运动轨迹优化便携式机器人结构参数，仿真便携式机器人完成生产作业的运动轨迹，规划便携式机器人回程运动路径，自动编辑便携式机器人控制程序，以*.dxf文件形式保存图形资料；对比各开发方案后，再选择最佳方案加工便携式机器人样机；然后将单片机系统、输入接口电路、输出功率驱动电路，按控制需要安装到便携式机器人的大臂、小臂、手腕等执行元件处，PC微型计算机和单片机系统连接。构成开发者、仿真开发器、便携式机器人一体化开发系统，开发者通过仿真开发器实际操作、调试便携式机器人，复现完成生产作业的运动轨迹和动作。调试完毕将控制程序固化在存贮器EPROM内，*.dxf图形文件由AutoCAD软件读入绘制出机械图纸，完成便携式机器人的开发。

采用上述技术方案的便携式机器人仿真开发器，在“便携式机器人CAD系统”工具软件支持下：优化便携式机器人机械结构，仿真便携式机器人完成生产作业的运动轨迹，规划便携式机器人回程运动路径，自动编辑便携式机器人控制程序，以*.dxf文件形式保存图形资料，由AutoCAD软件读入绘出机械图纸，联机调试便携式机器人，简便、快速地开发出便携式机器人和控制软件。通过计算机仿真，既避免了重复修改、重新加工便携式机器人样机带来的经济损失和时间损失，又提高了便携式机器人开发质量，缩短了开发周期。满足了广大技术人员结合本专业工作实际，开发经济型便携式机器人和控制软件的需要。使用486型PC微型计算机作为仿真开发器主机，采用性价比高的电子元器件制作单片机系统、输入接口电路、输出功率驱动电路，降低了便携式机器人仿真开发器的价格，使这一具有较高科技含量的便携式机器人仿真开发器和离线编程方式能在中、小企业得到广泛的应用和推广。

以下结合附图对本发明的实施例进行具体描述，其中：图1是便携式机器人仿真开发器硬件主视图。

图2、图3、图4、图5分别是“便携式机器人CAD系统”工具软件开发界面。

图1所示的微型计算机1采用486型PC微型计算机，基本配置为CPU芯片486DX、内存8MB、软盘驱动器1.44MB、硬盘驱动器270MB、显示卡、VGA单色显示器、键盘、鼠标，操作系统为Dos6.20或Windows3.2/95。

图1所示2为单片机系统，图1所示3为输出功率驱动电路，图1所示4为输入接口电路。实施例1中，单片机系统由芯片8031、输入输出接口芯片8255、地址锁存器74LS373、地址译码器74LS138、程序存贮器2764、数据存贮器6264、串行通讯MC1488、MC1489、按键和两组双列二十脚插座组成，共四组。实施例2中，单片机系统由芯片AT89C52、输入/输出接口芯片82C55、串行通讯MC1488、MC1489、按键和两组双列二十脚插座组成，共四组。输出功率驱动电路3由输入单列三脚插头、光电藕合4N25、集成驱动74LS06和74LS07、功率放大管TIP126、开关控制管TIP127、输出单列六脚插座组成，共八组。输入接口电路4由输入单列三脚插座、光电藕合4N25、TOP12、输出单列四脚插头组成，共八组。设置启动、停止按钮控制单片机系统。设置两只指示灯，一只接入单片机系统，一只接入输出功率驱动电路。根据安装需要，单片机系统、输入接口电路、输出功率驱动电路分别单独制作单元电路模块。根据控制便携式机器人的需要，分别安装在大臂、小臂、手腕等执行元件处，构成机电一体化功能模块，两者之间通过两组双列二十脚并行电缆插头连接。

单片机系统在选定单片机芯片、输入/输出接口芯片、地址锁存器、地址译码器、程序存贮器、数据存贮器、通讯接口、按键后，地址总线、数据总线、控制总线、片选信号可按规定连接，其具体方法和单片机应用的一般步骤，本专业的技术人员对此已相当熟悉，不再赘述。仅对输入/输出接口芯片8255或82C55的地址分配，输入接口电路模块、输出功率驱动单元电路模块作说明。8255或82C55的每一路输入、输出端口均经光电藕合与外围电路连接。8255或82C55的PA0和PA1口、PA2和PA3口、PA4和PA5口、PA6和PA71、PB0和PB1口、PB2和PB3口、PB4和PB5口、PB6和PB7口为八组输出端口。PC0、PC1、PC2、PC3口作开关控制，PC4、PC5、PC6、PC7口接光电藕合检测器，通过两组双列二十脚插座与并行电缆插头和输入接口电路模块、输出功率驱动单元电路模块连接。输入接口电路模块具有相同的电路结构，输入单列三脚插座(接检测元件)连接光电藕合4N25、TOP12连接输出单列四脚插头(接单片机系统)。输出功率驱动单元电路模块，具有相同的电路结构。以控制步进电机为例：8255或82C55的PB0口输出的信号接输入单列三脚插头连接光电藕合4N25，经隔离后的信号接集成驱动74LS06一个单元，和74LS07的一个单元。PB1口输出的信号接同一输入单列三脚插座连接另一只光电藕合4N25，经隔离后的信号接集成驱动74LS06的另一个单元，和74LS07的另一个单元。四个单元的输出信号分别推动四只功率放大管TIP126，放大后的电流经输出单列六脚插座连接步进电机。PC0口输出的信号接同一输入单列三脚插座连接光电藕合4N25，经隔离后的输出接集成驱动74LS06的一个单元，其输出信号推动开关控制管TIP127，控制步进电机接入高电压驱动步进电机。

图1所示5为控制电源包括一组6V蓄电池，一组12V蓄电池。

为便于广大技术人员结合本专业工作实际，开发经济型便携式机器人时，能辅助机器人硬件开发时的结构几何分析、运动分析、动特性分析、图纸绘制等设计工作；和摆脱控制软件开发人员大量、重复书写汇编语言，这种既枯燥，又易出错的控制程序开发方式；以及适应便携式机器人结构参数改变或生产作业工艺改进后，快速开发控制程序的需要，开发了“便携式机器人CAD系统”工具软件。开发便携式机器人时，在便携式机器人仿真开发器上运行“便携式机器人CAD系统”工具软件，进入如图2所示的开发主界面，用鼠标单击菜单进入各个子菜单。

图3为优化便携式机器人结构参数界面，根据生产作业对象和生产作业现场的具体情况，输入期望的便携式机器人结构参数，选择提示的生产作业运动轨迹。“便携式机器人CAD系统”将以输入的便携式机器人结构参数和给定的生产作业运动轨迹，建立数学模型，计算各个关节轴的角度转动数据；以随机搜索法按便携式机器人的静力矩、惯矩、刚度和最佳减速比等项目，以提高便携式机器人运动精度和动态特性为目标值进行优化，给出便携式机器人优化结构参数，并以数据文件形式保存。

图5为仿真便携式机器人生产作业运动轨迹界面，生产作业时，机器人末端执行器的运动轨迹应始终跟踪给定的运动轨迹。为得到真实的仿真，对便携式机器人运动方程求逆解，使运动轨迹上的目标位姿，转换为肩关节、肘关节、腕关节的关节角度值。应用计算机图形学原理，绘出便携式机器人生产作业运动轨迹仿真图形如图5所示，在开发界面中直观地观察便携式机器人完成生产作业的运动状态。观察到仿真的运动轨迹不符合完成生产作业的实际运动轨迹，可以通过修改便携式机器人结构参数再仿真。对通过生产作业运动轨迹仿真的便携式机器人结构参数值，以数据文件形式保存，图形数据以*.dxf图形文件形式保存。

图4为规划便携式机器人回程运动路径界面，完成生产作业后，便携式机器人的回程运动路径，可以在开发界面中直观地规划路径。大臂、小臂、手腕为机电一体化功能模块，可以单独驱动或组合驱动，对应着仿真图形的大臂、小臂、手腕。根据提示，选择单步或组合运动命令，仿真大臂、小臂、手腕的运动，就对应着真实的大臂、小臂、手腕的单独驱动或组合驱动。便携式机器人按选择命令作仿真运动如图4所示。如仿真运动发生碰擦，可撤消选择命令，退回到上一次仿真。再重新选择命令，再次作仿真运动。通过一次次的仿真运动，可以规划出回程运动路径，规划出的回程运动路径以数据文件形式保存。

图5为自动编辑便携式机器人控制软件界面(同一图面形式)，将便携式机器人完成生产作业需要的动作，分解为大臂、小臂、手腕的单体运动和组合运动，分别编写、调试了模块化程序并以数据文件形式保存。根据提示和生产作业工艺的要求，将通过生产作业运动仿真和回程运动路径规划保存的数据文件调入，在可视化的开发界面中运行如图5所示，连续仿真生产作业运动和回程运动路径的全过程。在仿真的同时，自动编辑成控制程序的初程序。利用编辑软件略作修改，形成控制程序的源程序。便携式机器人结构参数改变或生产作业工艺改进后，可再次快速开发控制程序，适应了便携式机器人生产作业柔性化的需要。

利用计算机仿真的方法，可以在PC微型计算机显示器上反复对比开发方案。选择最佳方案后，以*.dxf图形文件形式保存图形文件，由AutoCAD软件读入绘制出机械图纸，加工便携式机器人样机，既避免了多次、重复加工样机带来的经济损失和时间损失，又提高了便携式机器人开发质量，缩短了开发周期。

为检验计算机仿真生产作业运动轨迹，和便携式机器人真实生产作业运动轨迹之间的差异，可以实际调试便携式机器人。按控制需要，将单片机系统、输入接口电路模块、输出功率驱动电路模块分别安装到各执行元件处，其间通过两组双列二十脚并行电缆插头连接。输入接口电路模块连接检测元件，输出功率驱动电路模块连接步进电机，PC微型计算机和单片机系统连接，组成开发者、仿真开发器、便携式机器人一体化开发系统。将自动编辑的便携式机器人控制程序源程序在PC微型计算机上汇编，汇编后的控制程序通过PC微型计算机的通讯接口输入到单片机系统。开发者通过仿真开发器操作、调试便携式机器人按给定的运动轨迹完成生产作业。调试便携式机器人符合生产作业要求后，将控制程序固化在存贮器EPROM内，完成便携式机器人的开发。便携式机器人结构参数改变或生产作业工艺改进后，可在“便携式机器人CAD系统”工具软件支持下，再次自动编辑、汇编、调试控制程序，重新将控制程序固化在存贮器EPROM内，快速完成便携式机器人的再次开发，满足了便携式机器人生产作业柔性化的要求。

控制方案是基于全软件的开环控制，由输入单片机系统的控制程序控制，单片机系统具有多种功能：作可编程控制器对生产作业过程作顺序控制，依次对便携式机器人完成生产作业的各个工序进行控制；在各个工序中，作步进电机的加、减速、换相、相序分配、正转、反转控制；输入信号经输入接口电路模块输入单片机系统，单片机系统输出的控制信号，经输出功率驱动电路模块驱动步进电机；或经输出功率驱动电路模块作开关控制。

以上所述的仅是采用本发明原理，能简便、快速开发便携式机器人的“便携式机器人仿真开发器”实施例。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，也应视为属于本发明的保护范围。