基于中間件和虛擬現(xiàn)實(shí)的異構(gòu)機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)研究.pdf

1、當(dāng)前，在機(jī)器人技術(shù)方面還不存在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，也沒有形成專業(yè)化配套與產(chǎn)業(yè)鏈分工，很難實(shí)現(xiàn)各種功能構(gòu)件之間的可重用與互操作，不適應(yīng)多種異構(gòu)機(jī)器人生產(chǎn)線的組成。目前，要想實(shí)現(xiàn)多種異構(gòu)機(jī)器人生產(chǎn)線，在國(guó)內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用中均存在大量的重復(fù)性開發(fā)工作，成本高，周期長(zhǎng)，制約了機(jī)器人產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，因此急需開展機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化體系結(jié)構(gòu)的研究工作。 工廠自動(dòng)化、集成計(jì)算機(jī)制造系統(tǒng)、柔性制造與敏捷制造對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)作業(yè)的管控提出越來(lái)越高的要求，消除生產(chǎn)管

2、控現(xiàn)場(chǎng)的異構(gòu)化，即實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)、不同控制方式、不同作業(yè)形式的設(shè)備資源的有效配合與整合，已經(jīng)成為生產(chǎn)制造和機(jī)器人應(yīng)用急需解決的瓶頸問(wèn)題。 中間件(Middleware)技術(shù)是解決機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化模塊化設(shè)計(jì)、消除機(jī)器人系統(tǒng)異構(gòu)性問(wèn)題的優(yōu)先選擇，是今后機(jī)器人技術(shù)的核心與基礎(chǔ)，需要國(guó)家級(jí)的戰(zhàn)略規(guī)劃與指導(dǎo)，它在國(guó)內(nèi)機(jī)器人領(lǐng)域的研究應(yīng)用總體處于初始階段。 另一方面，在自動(dòng)化生產(chǎn)線中，當(dāng)作業(yè)對(duì)象(產(chǎn)品)變化時(shí)，生產(chǎn)線中的每臺(tái)機(jī)器人和數(shù)控設(shè)

3、備的功能會(huì)隨之變化，這就要求每臺(tái)機(jī)器人的作業(yè)需要重新示教，每臺(tái)數(shù)控設(shè)備需要重新編程，并需要運(yùn)行示教作業(yè)或編制的程序進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。單臺(tái)設(shè)備的示教、編程以及整條生產(chǎn)線的運(yùn)行驗(yàn)證占去了大量的生產(chǎn)時(shí)間，降低了生產(chǎn)效率，而且還要求操作人員具有很高的技術(shù)水平和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人(或外圍設(shè)備)作業(yè)程序管控集中化、可視化以及多機(jī)器人(或設(shè)備)的協(xié)調(diào)作業(yè)控制，是非常必要的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是解決可視化人機(jī)交互和作業(yè)仿真驗(yàn)證的優(yōu)秀選擇。

4、本論文針對(duì)制造企業(yè)及機(jī)器人應(yīng)用的問(wèn)題和要求，跟進(jìn)機(jī)器人技術(shù)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展趨勢(shì)，綜合虛擬制造、監(jiān)控、示教、仿真等機(jī)器人應(yīng)用，研究并實(shí)現(xiàn)基于中間件和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分布式異構(gòu)機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)。 論文主要研究?jī)?nèi)容如下： 1)深入研究中間件技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，采用ACE/TAO，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)分布式異構(gòu)機(jī)器人互操作系統(tǒng)。為充分優(yōu)化機(jī)器人互操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能，分析了CORBAPOA運(yùn)行策略，劃分了策略組合并針對(duì)每個(gè)組合設(shè)計(jì)了應(yīng)用方案；分

5、析了CORBA多POA設(shè)計(jì)，測(cè)試了POA/Servant的配置性能。 2)針對(duì)異構(gòu)機(jī)器人定義中間件接口模塊，進(jìn)行了IDL接口封裝，并分別在機(jī)器人互操作系統(tǒng)的服務(wù)器端和客戶端完成了對(duì)接口的具體實(shí)現(xiàn)與測(cè)試驗(yàn)證。 3)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于中間件的機(jī)器人仿真內(nèi)核系統(tǒng)，使用面向?qū)ο蠓椒ㄍ瓿闪薕penGL的C++類封裝。進(jìn)而研究了虛擬裝配作業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人虛擬自動(dòng)裝配。 4)研究了六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，推導(dǎo)出了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)

6、學(xué)的正解和逆解算法，為工業(yè)機(jī)器人作業(yè)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于中間件和虛擬現(xiàn)實(shí)的工業(yè)機(jī)器人作業(yè)仿真系統(tǒng)和的移動(dòng)機(jī)器人作業(yè)仿真系統(tǒng)。采用時(shí)延Petri網(wǎng)研究了機(jī)器人生產(chǎn)線作業(yè)工序規(guī)劃驗(yàn)證問(wèn)題。 論文工作創(chuàng)新點(diǎn)主要有： 1.針對(duì)機(jī)器人工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的異構(gòu)性，在國(guó)內(nèi)較早開展基于中間件的機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化模塊化研究，首次提出了機(jī)器人中間件系統(tǒng)的兩層架構(gòu)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了分布式異構(gòu)機(jī)器人互操作系統(tǒng)。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)有效

7、消除了機(jī)器人本體和應(yīng)用環(huán)境的異構(gòu)性，兩層架構(gòu)設(shè)計(jì)具有良好的敏捷適應(yīng)性、可擴(kuò)展性與可移植性。 2.首次基于中間件和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計(jì)和機(jī)器人虛擬裝配作業(yè)系統(tǒng)，進(jìn)而面向關(guān)節(jié)型機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人，以作業(yè)編輯管理和仿真為主，研究了機(jī)器人本體和生產(chǎn)線作業(yè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的體現(xiàn)了中間件技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域各方面的應(yīng)用價(jià)值。 3.提出了“基于中間件的移動(dòng)機(jī)器人分布式動(dòng)態(tài)作業(yè)編輯”設(shè)計(jì)，分離了移動(dòng)機(jī)器人作業(yè)核心邏輯與作業(yè)執(zhí)行框架