工业机器人运动仿真及作业仿真系统
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摘要
一个 完 善 的机器人 仿真系统可 以对机器人运动 学、动力学 、轨迹规划和控制
算法进行仿真计算，可以仿真机器人的各种操作过程，并对仿真的结果进行分析 处理，并且可以不依赖现实中的机器人设备，是研究机器人系统及其相关技术的
有效手段和得力工 具。
机器 人 运 动学图形仿真是机器人仿真系统的一个重要组成部分。它将机器人
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳ ｙｓｔｅｍ ｂｙｕ ｓｉｎｇｔ ｈｅａ ｂｏｖｅａ ｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．Ｌ ａｓｔｌｙ，ｔｈ ｅｄ ｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｄ ｉｓｃｕｓｓｔ ｈｅ
ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｏ ｆｏ ｕｒｓｙ ｓｔｅｍａ ｎｄｇ ｉｖｅｓｏ ｍｅｎ ｅｗｍ ｅｔｈｏｄｔｏ ｉｍ ｐｒｏｖｅｉｔ ａｃ ｃｏｒｄｉｎｇｔｏ ｔ ｈｅ
ｔｒａｊｅｃｔｏｒ ｙ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎａ ｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄｆ ａｓｔｃ ｏｌｌｉｓｉｏｎｄ ｅｔｅｃｔｉｏｎａ ｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ａ ｎｄｔ ｈｉｓ
ｐａｐｅｒｅ ｘｐａｔｉａｔｅｓｔｈ ｅｉｄ ｅａｏ ｆｔｈ ｒ ｅｅｓ ｔ ｙｌｅｓｏ ｆａ ｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ｄ ｅｓｉ娜 ｎｇｔ ｈｅｏｒ ｙ，ｄｅ ｔａｉｌｅｄ
个重要组成部分 。
机器 人 仿 真技术涉及机器人动力学仿真、机器人运动学仿真、机器人控制 仿真、机器人作业仿真等诸多内容［３１。而机器人运动学仿真又不同于动力学仿 真，由于动力学仿真是忽略了许多次要因素并通过线性化而得到的近似模型，
因此仿真结果与真实情况可能有较大差距 ；但 运动学仿真结果完全是真实可靠 的，这是由运动学正、逆 问题公式的准确与可靠保证的。
特长的一种拟人的电子机械装置 ，既有人对环境状态 的快速反应和分析判 断能
力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义
上说它也是机器的进化过程产物 ，它是源自文库业 以及非产业界的重要生产和服务性 设备，也是先进制造技术领域不可缺少 的 自动化设备 。
随 着 工 业机器人被 日益广泛地应用 到实际生产中 ，机器人 的工作环境也 日 趋复杂化，这样对 机器人及其工作环境乃至生产过程的计算机仿真是必不可少
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈ ｅｃ ｏｍ ｐｒ ｅｈｅｎｓｉｖｅＲ ｏｂｏｔＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎＳ ｙｓｔｅｍ ｉｎｃｌｕｄｅｓＫ ｉｎｅｍａｔｉｃｓＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎ， Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｔ ｒａｊｅｃｔｏｒ ｙ Ｐｌａｎｎｉｎｇ，ａ ｎｄ Ｃｏｎｔｒ ｏｌＡ ｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ａ ｎｄ Ｉｔｃ ａｎ ｓｉｍｕｌａｔｅａ ｌｌｋ ｉｎｄｓｏ ｆｏ ｐｅｒａｔｉｏｎａ ｎｄａ ｎａｌｙｚｅｔ ｈｅｒ ｅ ｓｕｌｔｓｏ ｆｔｈ ｅｓ ｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｍ ａｙｂ ｅｎ ｏｔ ｄｅｐｅｎｄｏ ｎｒ ｏｂｏｔｓｉ ｎｔ ｈｅｒ ｅａｌｗ ｏｒｌｄ，ｓｏ Ｒ ｏｂｏｔＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎＳ ｙｓｔｅｍ ｉｓａ ｎｅ ｆｉｃｉｅｎｔｍ ｅｔｈｏｄ ａｎｄｐ ｏｗｅｒｆｕｌｔｏ ｏｌｏ ｆｓｔ ｕｄｙｉｎｇｒ ｏｂｏｔｓｙ ｓｔｅｍ ａｎｄｏ ｔｈｅｒｒ ｅ ｌｅｖａｎｔｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ．
ｔｅａｃｈｉｎｇ－ｂｙ－ｓｈｏｗｉｎｇｗ ｏｒｋ．Ｔ ｈｅＲ ｏｂｏｔＫ ｉｎｅｍａｔｉｃｓＧ ｒａｐｈｉｃＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｅｔｕ ｐｇ ｏｏｄ ｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅｉｎ ｔｅｒｆａｃｅｆｏ ｒＲ ｏｂｏｔＳｉ ｍｕｌａｔｉｏｎＳ ｙｓｔｅｍ．
Ｔｈ ｅｐ ａｐ ｅｒｄ ｉｓｃｕｓｓｅｓｔ ｈｅｍ ａｉｎａ ｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆＲ ｏｂｏｔＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎＳ ｙｓｔｅｍ ａｎｄｔ ｈｅ ｍｅｔｈｏｄｏ ｆｂ ｕｉｌｄｉｎｇｇ ｒ ａｐｈｉｃｍ ｏｄｅｌ．Ｗ ｅｃ ａｎｆ ｉ ｎｄｓ ｏｍｅｇ ｏｏｄｗ ｏｒｋｉ ｎｔ ｈｅｆ ｉｅｌｄｓｏ ｆ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ，ｔｒ ａ ｊｅｃｔｏｒ ｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ，ｃｏ ｌｉｓｉｏｎｄ ｅｔｅｃｔｉｏｎａ ｎｄｃ ｏｍｐｕｔｅｒｇ ｒａｐｈｉｃｓｓ ｏｔｈ ａｔｗ ｅ
签 名：－ ４ｋ－ Ｖ再 日期二 ．３＿１ ０
本论文使用授权说 明
本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交
论文 复印件 ，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布论 文的全部或部分 内容 。
（保密的论文在解密后应遵守此规定）
签名：从松舜 导师签名：办戈犯 日期：、 小，
ｒ ｅｓｅａｒｃｈａ ｎｄａ ｃｔｕａｌｔｅ ｓｔｉｎｇｗ ｏｒｋ．
Ｋｅｙｗ ｏｒｄｓ： ｒｏｂｏｔ，ｋｉ ｎｅｍａｔｉｃｓｓｉ ｍｕｌａｔｉｏｎ，ｇ ｒ ａｐｈｉｃｍ ｏｄｅｌｉｎｇ，ｃｏ ｌｌｉｓｉｏｎｃ ｈｅｃｋ
原创性 声明
本人 声 明 ：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他 同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
工业机器人运动仿真及作业仿真系统
第 一 章 绪 论
第一章 绪 论
１．１课题研究的背景
工 业 机 器人 由操作机 （机械本体）、控 制器、伺服驱动系统和检测传感装置
构成［ ｎ１，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作
业 的机 电一体化 自动化 生产设备 。特别适合于 多品种 、变批量的柔 性生产 。它 对稳定 、提高产品质量，提高生产效率 ，改善 劳动条件和产品的快速更新换代 起着十分重要的作用。
文阐述 了这些算法的思想、设计理论和具体设计过程 ，并进行 了详细 的模拟 分析 。
同时，本文还对机器人语言进行了介绍．第三．本文根据所上述算法开发设计了 一个完整的机器人运动学仿真系统程序。最后，本文根据课题研究工作和程序测
试 结果，指出 目前系统存在的 不足之处和改进方法 。
关键词： 机器人，运动学仿真，图形建模，碰撞检测
通过改变参数，就可 以对不同大小、功能的机器人进行仿真：
（３） 系 统 的程序要实现模块化，便于软件移植、修改和扩展。 本文 的 主 要工作就是要研究开发一种基本满足以上三个条件，且成本低廉、 具有实用价值和自主知识产权的商业化的机器人仿真系统。我们将此系统命名 为 ＩＲＳＳ，Ｉ ｎｄｕｓｔｒｉａｌＲ ｏｂｏｔＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎＳ ｙｓｔｅｍ．
在机器人运动学，机器人轨迹规划，空间碰撞检测，计算机图形学等领域里面前
人都己经做了很多的工作，基本上 己经有 了比较成熟的理论和方法，这就使 得整 个系统在可行性上有了一定的保 障。
文 中主 要 开展了如下工作：首先，论文对机器人仿真技术的发展概况进行了 概述，总结并提出了机器人图形建模的三种方法。其次，本文对三类算法进行了 重点研究和分析：运动学逆解通用算法，轨迹插补算法，碰撞检测快速算法。本
但其 价 格 昂贵，操作复杂，只能在 ＳＧＩ图形工作站，ＵＮＤＯ系统下运行。 这些原因使得该软件不利于在国内的中小企业推广应用。
１．４论文主要工作及系统结构
评 定 一 个工业机器人仿真系统的好坏 ，看它是否满足如下 的条件：
（１） 具 有 良好的人机交互界面； （２） 仿 真 时各种参数以及仿真类型选择都是由用户通过人机对话方式进行，
Ｔｈ ｅＲ ｏｂ ｏｔＫ ｉｎｅｍａｔｉｃｓＧ ｒａｐｈｉｃＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎｉ ｓｏ ｎｅｏ ｆｔｈ ｅｍ ｏｓｔｉｍ ｐｏｒｔａｎｔｐ ａｒｔｏ ｆｔｈ ｅ ＲｏｂｏｔＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎＳ ｙｓｔｅｍ．Ｉｔ ｃ ａｎａ ｕｄｉｏ－ｖｉｓｕａｌｙｓ ｈｏｗ ｔｈｅｒ ｅｓｕｌｔｏ ｆｔｈ ｅｓ ｉｍｕｌａｔｉｏｎａ ｎｄ ｔｈｅｍ ｏｔｉｏｎｏ ｆｒ ｏｂｏｔｓｂ ｙｕ ｓｉｎｇ３ Ｄ ｇｒａｐｈ．Ｔ ｈｒｏｕｇｈｔ ｈｅｃ ｏｍｐｕｔｅｒ＇ｓｓ ｃｒｅｅｎ，ｒ ｅ ｓｅａｒｃｈｅｒｓ ｃａｎｗ ａｔｃｈｔ ｈｅｍ ｏｔｉｏｎｏ ｆｒｏ ｂｏｔｓ，ｔ ｈｅｒ ｅｓｕｌｔｏ ｆｔｈ ｅｔ ｒ ａｊｅｃｔｏｒ ｙ ｐｌａｎｎｉｎｇａ ｎｄｄ ｏｉ ｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ
机器人模型运动有 两条途径，其一是采用 ＡｕｔｏＣＡＤ提供的脚本文件 ，把所需 的 ＡｕｔｏＣＡＤ命令 组合在一起，按预 定的顺序执行这些命令 ，并通过运行脚本文件
工 业机 器 人 运 动 仿 真 及 作 业 仿 真 系 统 第 一 章 绪 论
ｄｅｓｉｇｎｉｎｇｐ ｒｏｃｅｓｓ，ｓｉ ｍｕｌｔａｎｅｉｔ ｙｓ ｉｍｕｌａｔｉｎｇａ ｎｄａ ｎａｌｙｚｉｎｇｔｈ ｅｄ ｅｓｉｇｎｅｄａ ｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．Ａ ｔ ｔｈｅｓ ａｍｅｔ ｉｍｅ，ｔｈ ｅｐ ａｐｅｒｉｎ ｔｒｏｄｕｃｅｓｒ ｏｂｏｔｌａ ｎｇｕａｇｅ．Ｔ ｈｉｒｄｌｙ，Ｗ ｅｄ ｅｓｉｇｎ咖 Ｒｏｂｏｔ
的。机器人仿真的任务，就是在不接触实际机器人及其工作环境的情况下，通 过计算机图形技术，提供一个和机器人进行交互作用的虚拟环境。
机器 人 仿 真技术［２１研究始于七十年代末，八十年代得到迅速发展，目前已 经广泛应用于机器人运动学、动力学分析与综合、轨迹和路径规划、机器人与 工作环境的相互作用、离线编程等各个领域，成为机器人研究中不可缺少的一
机器 人 仿 真技术作为机器人研究应用的安全可靠、实用廉价的工具和手段，
日益显示其 强大 的生命力和不可缺的重要性。
１．２机器人仿真的多种途径
目前 ， 在 机器人仿真的具体实现上 ，有各种方法 。
· 基于 ＡｕｔｏＣＡＤ平台的图形仿真系统［４１ 该方 法 以 ＡｕｔｏＣＡＤ和 ＡｕｔｏＬｉｓｐ为基础来建立机器人仿真系统的。其实现
机 器 人 技术是综合了计算机 、控制论 、机构学 、信息和传感技术 、人工智
能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛
的领域 。机器人应 用情况 ，是一个国家 工业 自动化水平 的重要标志。 机 器 人 并不是在简单意义上代替人工的劳动 ，而是综合了人 的特长和机器
的运动学仿真结果以 ３Ｄ 图形 的方式显示出来 ，直观的显示机器人的运动情况 。
研究人员能在计算机屏幕上看到机器人的运动方式，轨迹规划的结果，还可以交 互式地对机器人进行示教仿真。机器人运动学图形仿真技术为机器人仿真系统建 立了良好地人机界面。
本 文 对 开发机器人运动学仿真系统 的主要算法和 图形建模方法进行 了讨论。
ＩＲＳ Ｓ的 编 程语言为Ｃ＋＋，编译器为Ｍｉｃｒｏｓｏｆ ｔＶ ｉｓｕａｌＣ＋ ＋６ ．０（包含ＯｐｅｎＧＬ
ＡＰＩ函数库），运行平台定位为 Ｗｉｎｄｏｗｓ９ ８／２０００／）ＧＰ． ＩＲ ＳＳ 的 总体结构见图 １－２。系统采用模块化结构，具有一定的通用性和可
移植性。整个系统由机器人及环境图形建模，机器人语言，运动学正解逆解， 轨迹规划，碰撞检测，示教，系统帮助等模块组成。几个基本模块的功能分述
ｃａｎｕ ｓｅｔ ｈｅｉｒｒ ｅ ｓｕｌｔｓｔｏ ｃ ｏｎｓｔｒｕｃｔｏ ｕｒｓ ｙｓｔｅｍ． Ｔｈ ｅ ｍ ａ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ ｏｆｔ ｈｉｓｄ ｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ ｉｓａ ｓ ｆｏｌｏｗ：ｆ ｍｆｙ，ｔ ｈｅｐ ａｐｅｒ
ｅｘｐａｔｉａｔｅｓｔ ｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ ｏｆＲ ｏｂｏｔＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ，ｓ ｕｍｍａｒ ｉｚｅｓ ｔｈｒｅｅ ｍｅｔｈｏｄｓｏ ｆｂ ｕｉｌｄｉｎｇｇ ｒａｐｈｉｃｍ ｏｄｅｌ．Ｓ ｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈ ｅａ ｒｔｉｃｌｅｇ ｉｖｅｓｅ ｍｐｈａｓｉｓｔ ｏｔ ｈｅｓ ｔｕｄｙ ａｎｄａ ｎａｌｙｓｉｓｏ ｆｔｈ ｒｅｅｋ ｉｎｄｓｏ ｆａ ｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ｉ ．ｅ．ｇ ｅｎｅｒａｌｉｎ ｖｅｒｓｅｋ ｉｎｅｍａｔｉｃｓａ ｌｇｏｒｉｔｈｍ，
一个 完 善 的机器人 仿真系统可 以对机器人运动 学、动力学 、轨迹规划和控制
算法进行仿真计算，可以仿真机器人的各种操作过程，并对仿真的结果进行分析 处理，并且可以不依赖现实中的机器人设备，是研究机器人系统及其相关技术的
有效手段和得力工 具。
机器 人 运 动学图形仿真是机器人仿真系统的一个重要组成部分。它将机器人
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳ ｙｓｔｅｍ ｂｙｕ ｓｉｎｇｔ ｈｅａ ｂｏｖｅａ ｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．Ｌ ａｓｔｌｙ，ｔｈ ｅｄ ｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｄ ｉｓｃｕｓｓｔ ｈｅ
ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｏ ｆｏ ｕｒｓｙ ｓｔｅｍａ ｎｄｇ ｉｖｅｓｏ ｍｅｎ ｅｗｍ ｅｔｈｏｄｔｏ ｉｍ ｐｒｏｖｅｉｔ ａｃ ｃｏｒｄｉｎｇｔｏ ｔ ｈｅ
ｔｒａｊｅｃｔｏｒ ｙ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎａ ｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄｆ ａｓｔｃ ｏｌｌｉｓｉｏｎｄ ｅｔｅｃｔｉｏｎａ ｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ａ ｎｄｔ ｈｉｓ
ｐａｐｅｒｅ ｘｐａｔｉａｔｅｓｔｈ ｅｉｄ ｅａｏ ｆｔｈ ｒ ｅｅｓ ｔ ｙｌｅｓｏ ｆａ ｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ｄ ｅｓｉ娜 ｎｇｔ ｈｅｏｒ ｙ，ｄｅ ｔａｉｌｅｄ
个重要组成部分 。
机器 人 仿 真技术涉及机器人动力学仿真、机器人运动学仿真、机器人控制 仿真、机器人作业仿真等诸多内容［３１。而机器人运动学仿真又不同于动力学仿 真，由于动力学仿真是忽略了许多次要因素并通过线性化而得到的近似模型，
因此仿真结果与真实情况可能有较大差距 ；但 运动学仿真结果完全是真实可靠 的，这是由运动学正、逆 问题公式的准确与可靠保证的。
特长的一种拟人的电子机械装置 ，既有人对环境状态 的快速反应和分析判 断能
力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义
上说它也是机器的进化过程产物 ，它是源自文库业 以及非产业界的重要生产和服务性 设备，也是先进制造技术领域不可缺少 的 自动化设备 。
随 着 工 业机器人被 日益广泛地应用 到实际生产中 ，机器人 的工作环境也 日 趋复杂化，这样对 机器人及其工作环境乃至生产过程的计算机仿真是必不可少
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈ ｅｃ ｏｍ ｐｒ ｅｈｅｎｓｉｖｅＲ ｏｂｏｔＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎＳ ｙｓｔｅｍ ｉｎｃｌｕｄｅｓＫ ｉｎｅｍａｔｉｃｓＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎ， Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｔ ｒａｊｅｃｔｏｒ ｙ Ｐｌａｎｎｉｎｇ，ａ ｎｄ Ｃｏｎｔｒ ｏｌＡ ｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ａ ｎｄ Ｉｔｃ ａｎ ｓｉｍｕｌａｔｅａ ｌｌｋ ｉｎｄｓｏ ｆｏ ｐｅｒａｔｉｏｎａ ｎｄａ ｎａｌｙｚｅｔ ｈｅｒ ｅ ｓｕｌｔｓｏ ｆｔｈ ｅｓ ｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｍ ａｙｂ ｅｎ ｏｔ ｄｅｐｅｎｄｏ ｎｒ ｏｂｏｔｓｉ ｎｔ ｈｅｒ ｅａｌｗ ｏｒｌｄ，ｓｏ Ｒ ｏｂｏｔＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎＳ ｙｓｔｅｍ ｉｓａ ｎｅ ｆｉｃｉｅｎｔｍ ｅｔｈｏｄ ａｎｄｐ ｏｗｅｒｆｕｌｔｏ ｏｌｏ ｆｓｔ ｕｄｙｉｎｇｒ ｏｂｏｔｓｙ ｓｔｅｍ ａｎｄｏ ｔｈｅｒｒ ｅ ｌｅｖａｎｔｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ．
ｔｅａｃｈｉｎｇ－ｂｙ－ｓｈｏｗｉｎｇｗ ｏｒｋ．Ｔ ｈｅＲ ｏｂｏｔＫ ｉｎｅｍａｔｉｃｓＧ ｒａｐｈｉｃＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｅｔｕ ｐｇ ｏｏｄ ｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅｉｎ ｔｅｒｆａｃｅｆｏ ｒＲ ｏｂｏｔＳｉ ｍｕｌａｔｉｏｎＳ ｙｓｔｅｍ．
Ｔｈ ｅｐ ａｐ ｅｒｄ ｉｓｃｕｓｓｅｓｔ ｈｅｍ ａｉｎａ ｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆＲ ｏｂｏｔＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎＳ ｙｓｔｅｍ ａｎｄｔ ｈｅ ｍｅｔｈｏｄｏ ｆｂ ｕｉｌｄｉｎｇｇ ｒ ａｐｈｉｃｍ ｏｄｅｌ．Ｗ ｅｃ ａｎｆ ｉ ｎｄｓ ｏｍｅｇ ｏｏｄｗ ｏｒｋｉ ｎｔ ｈｅｆ ｉｅｌｄｓｏ ｆ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ，ｔｒ ａ ｊｅｃｔｏｒ ｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ，ｃｏ ｌｉｓｉｏｎｄ ｅｔｅｃｔｉｏｎａ ｎｄｃ ｏｍｐｕｔｅｒｇ ｒａｐｈｉｃｓｓ ｏｔｈ ａｔｗ ｅ
签 名：－ ４ｋ－ Ｖ再 日期二 ．３＿１ ０
本论文使用授权说 明
本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交
论文 复印件 ，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布论 文的全部或部分 内容 。
（保密的论文在解密后应遵守此规定）
签名：从松舜 导师签名：办戈犯 日期：、 小，
ｒ ｅｓｅａｒｃｈａ ｎｄａ ｃｔｕａｌｔｅ ｓｔｉｎｇｗ ｏｒｋ．
Ｋｅｙｗ ｏｒｄｓ： ｒｏｂｏｔ，ｋｉ ｎｅｍａｔｉｃｓｓｉ ｍｕｌａｔｉｏｎ，ｇ ｒ ａｐｈｉｃｍ ｏｄｅｌｉｎｇ，ｃｏ ｌｌｉｓｉｏｎｃ ｈｅｃｋ
原创性 声明
本人 声 明 ：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他 同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
工业机器人运动仿真及作业仿真系统
第 一 章 绪 论
第一章 绪 论
１．１课题研究的背景
工 业 机 器人 由操作机 （机械本体）、控 制器、伺服驱动系统和检测传感装置
构成［ ｎ１，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作
业 的机 电一体化 自动化 生产设备 。特别适合于 多品种 、变批量的柔 性生产 。它 对稳定 、提高产品质量，提高生产效率 ，改善 劳动条件和产品的快速更新换代 起着十分重要的作用。
文阐述 了这些算法的思想、设计理论和具体设计过程 ，并进行 了详细 的模拟 分析 。
同时，本文还对机器人语言进行了介绍．第三．本文根据所上述算法开发设计了 一个完整的机器人运动学仿真系统程序。最后，本文根据课题研究工作和程序测
试 结果，指出 目前系统存在的 不足之处和改进方法 。
关键词： 机器人，运动学仿真，图形建模，碰撞检测
通过改变参数，就可 以对不同大小、功能的机器人进行仿真：
（３） 系 统 的程序要实现模块化，便于软件移植、修改和扩展。 本文 的 主 要工作就是要研究开发一种基本满足以上三个条件，且成本低廉、 具有实用价值和自主知识产权的商业化的机器人仿真系统。我们将此系统命名 为 ＩＲＳＳ，Ｉ ｎｄｕｓｔｒｉａｌＲ ｏｂｏｔＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎＳ ｙｓｔｅｍ．
在机器人运动学，机器人轨迹规划，空间碰撞检测，计算机图形学等领域里面前
人都己经做了很多的工作，基本上 己经有 了比较成熟的理论和方法，这就使 得整 个系统在可行性上有了一定的保 障。
文 中主 要 开展了如下工作：首先，论文对机器人仿真技术的发展概况进行了 概述，总结并提出了机器人图形建模的三种方法。其次，本文对三类算法进行了 重点研究和分析：运动学逆解通用算法，轨迹插补算法，碰撞检测快速算法。本
但其 价 格 昂贵，操作复杂，只能在 ＳＧＩ图形工作站，ＵＮＤＯ系统下运行。 这些原因使得该软件不利于在国内的中小企业推广应用。
１．４论文主要工作及系统结构
评 定 一 个工业机器人仿真系统的好坏 ，看它是否满足如下 的条件：
（１） 具 有 良好的人机交互界面； （２） 仿 真 时各种参数以及仿真类型选择都是由用户通过人机对话方式进行，
Ｔｈ ｅＲ ｏｂ ｏｔＫ ｉｎｅｍａｔｉｃｓＧ ｒａｐｈｉｃＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎｉ ｓｏ ｎｅｏ ｆｔｈ ｅｍ ｏｓｔｉｍ ｐｏｒｔａｎｔｐ ａｒｔｏ ｆｔｈ ｅ ＲｏｂｏｔＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎＳ ｙｓｔｅｍ．Ｉｔ ｃ ａｎａ ｕｄｉｏ－ｖｉｓｕａｌｙｓ ｈｏｗ ｔｈｅｒ ｅｓｕｌｔｏ ｆｔｈ ｅｓ ｉｍｕｌａｔｉｏｎａ ｎｄ ｔｈｅｍ ｏｔｉｏｎｏ ｆｒ ｏｂｏｔｓｂ ｙｕ ｓｉｎｇ３ Ｄ ｇｒａｐｈ．Ｔ ｈｒｏｕｇｈｔ ｈｅｃ ｏｍｐｕｔｅｒ＇ｓｓ ｃｒｅｅｎ，ｒ ｅ ｓｅａｒｃｈｅｒｓ ｃａｎｗ ａｔｃｈｔ ｈｅｍ ｏｔｉｏｎｏ ｆｒｏ ｂｏｔｓ，ｔ ｈｅｒ ｅｓｕｌｔｏ ｆｔｈ ｅｔ ｒ ａｊｅｃｔｏｒ ｙ ｐｌａｎｎｉｎｇａ ｎｄｄ ｏｉ ｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ
机器人模型运动有 两条途径，其一是采用 ＡｕｔｏＣＡＤ提供的脚本文件 ，把所需 的 ＡｕｔｏＣＡＤ命令 组合在一起，按预 定的顺序执行这些命令 ，并通过运行脚本文件
工 业机 器 人 运 动 仿 真 及 作 业 仿 真 系 统 第 一 章 绪 论
ｄｅｓｉｇｎｉｎｇｐ ｒｏｃｅｓｓ，ｓｉ ｍｕｌｔａｎｅｉｔ ｙｓ ｉｍｕｌａｔｉｎｇａ ｎｄａ ｎａｌｙｚｉｎｇｔｈ ｅｄ ｅｓｉｇｎｅｄａ ｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．Ａ ｔ ｔｈｅｓ ａｍｅｔ ｉｍｅ，ｔｈ ｅｐ ａｐｅｒｉｎ ｔｒｏｄｕｃｅｓｒ ｏｂｏｔｌａ ｎｇｕａｇｅ．Ｔ ｈｉｒｄｌｙ，Ｗ ｅｄ ｅｓｉｇｎ咖 Ｒｏｂｏｔ
的。机器人仿真的任务，就是在不接触实际机器人及其工作环境的情况下，通 过计算机图形技术，提供一个和机器人进行交互作用的虚拟环境。
机器 人 仿 真技术［２１研究始于七十年代末，八十年代得到迅速发展，目前已 经广泛应用于机器人运动学、动力学分析与综合、轨迹和路径规划、机器人与 工作环境的相互作用、离线编程等各个领域，成为机器人研究中不可缺少的一
机器 人 仿 真技术作为机器人研究应用的安全可靠、实用廉价的工具和手段，
日益显示其 强大 的生命力和不可缺的重要性。
１．２机器人仿真的多种途径
目前 ， 在 机器人仿真的具体实现上 ，有各种方法 。
· 基于 ＡｕｔｏＣＡＤ平台的图形仿真系统［４１ 该方 法 以 ＡｕｔｏＣＡＤ和 ＡｕｔｏＬｉｓｐ为基础来建立机器人仿真系统的。其实现
机 器 人 技术是综合了计算机 、控制论 、机构学 、信息和传感技术 、人工智
能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛
的领域 。机器人应 用情况 ，是一个国家 工业 自动化水平 的重要标志。 机 器 人 并不是在简单意义上代替人工的劳动 ，而是综合了人 的特长和机器
的运动学仿真结果以 ３Ｄ 图形 的方式显示出来 ，直观的显示机器人的运动情况 。
研究人员能在计算机屏幕上看到机器人的运动方式，轨迹规划的结果，还可以交 互式地对机器人进行示教仿真。机器人运动学图形仿真技术为机器人仿真系统建 立了良好地人机界面。
本 文 对 开发机器人运动学仿真系统 的主要算法和 图形建模方法进行 了讨论。
ＩＲＳ Ｓ的 编 程语言为Ｃ＋＋，编译器为Ｍｉｃｒｏｓｏｆ ｔＶ ｉｓｕａｌＣ＋ ＋６ ．０（包含ＯｐｅｎＧＬ
ＡＰＩ函数库），运行平台定位为 Ｗｉｎｄｏｗｓ９ ８／２０００／）ＧＰ． ＩＲ ＳＳ 的 总体结构见图 １－２。系统采用模块化结构，具有一定的通用性和可
移植性。整个系统由机器人及环境图形建模，机器人语言，运动学正解逆解， 轨迹规划，碰撞检测，示教，系统帮助等模块组成。几个基本模块的功能分述
ｃａｎｕ ｓｅｔ ｈｅｉｒｒ ｅ ｓｕｌｔｓｔｏ ｃ ｏｎｓｔｒｕｃｔｏ ｕｒｓ ｙｓｔｅｍ． Ｔｈ ｅ ｍ ａ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ ｏｆｔ ｈｉｓｄ ｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ ｉｓａ ｓ ｆｏｌｏｗ：ｆ ｍｆｙ，ｔ ｈｅｐ ａｐｅｒ
ｅｘｐａｔｉａｔｅｓｔ ｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ ｏｆＲ ｏｂｏｔＳ ｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ，ｓ ｕｍｍａｒ ｉｚｅｓ ｔｈｒｅｅ ｍｅｔｈｏｄｓｏ ｆｂ ｕｉｌｄｉｎｇｇ ｒａｐｈｉｃｍ ｏｄｅｌ．Ｓ ｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈ ｅａ ｒｔｉｃｌｅｇ ｉｖｅｓｅ ｍｐｈａｓｉｓｔ ｏｔ ｈｅｓ ｔｕｄｙ ａｎｄａ ｎａｌｙｓｉｓｏ ｆｔｈ ｒｅｅｋ ｉｎｄｓｏ ｆａ ｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ｉ ．ｅ．ｇ ｅｎｅｒａｌｉｎ ｖｅｒｓｅｋ ｉｎｅｍａｔｉｃｓａ ｌｇｏｒｉｔｈｍ，