中文翻译--机器人的模型和码垛机机器人使用Workspace的仿真模拟

毕业设计外文资料翻译
设计题目: 面粉袋码垛机设计
译文题目:Robotic modeling and simulation of
palletizer robot using Workspace5
学生姓名：
学号：
专业班级：
指导教师：
正文：外文资料译文附件：外文资料原文
Nory Afzan Mohd Johari, Habibollah Haron, Abdul Syukor Mohamad Jaya
Department of Modeling and Industrial Computing
Faculty of Computer Science & Information Systems,
Universiti T eknologi Malaysia, 81310 UTM Skudai, Johor, Malaysia
afzanijan@, habib@utm.my,syukor_2781@ 机器人模型和使用Workspace5码垛机机器人的仿真模拟
内容摘要
机器人在制造业的使用在制造工业中已经是一个增值的实体。

机器人仿真被用来使全部的机器人应用系统形象化，模拟机器臂的运动，机器臂和零部件合并在它的环境中组成，并且也用来检测机器人和组成部件之间的碰撞。

这份报告呈现了执行一个电脑根据模型来模拟OkuraA1600码垛机器人工程的结果。

这种应用使用OkuraA1600机器人在生产线的最后码垛袋子，集中在做拿起和放下袋子的应用。

这个工程的目标是产生一个电脑仿真的模型来表现实际的机器人模型和它的环境。

这个工程模拟了机器人的最初四个关节，即腰﹑肩﹑手肘和手腕，并且集中在机器人最后控制字符的位置，不管它的定位怎样。

模型的发展是使用Workspace5作为一种仿真工具。

使用了两种方法论，这两种方法论分别是发展机器人工作单元仿真模型的方法论和执行机器人仿真的方法论。

工程的输出将是一个机器臂运动的三维视角，这种机器臂的移动是基于一系列的先前定义的几何点，安排布局的校验和机器人的通过产生工作壳层，碰撞和有惊无险检测和在一个循环周期完成一个任务能到达性。

这个工程是一种脱机的程序设计，并且没有产生机器人语言。

关键词：机器人的模型；仿真模拟；机器人辅助设计；Workspace5
1，介绍
机器人在制造业的使用已经成为使公司有竞争力的优势的一个增值的实体，
Zomaya描述了工业将机器人的一些特征，机器人在工业上的使用减少了劳动力的费用，增加了灵活性和多样性，更高的精度与生产率，更好的工人工作环境，并且取代了人在危险和不切实际的环境的工作。

Farrington et al.[2]陈述了机器人的仿真是不同于传统的就一些特征和能量而言以五种方式不连续的事件仿真（DES）机器人的仿真包括了机器人如何通过它的装置移动。

基本地，模拟仿真在很大程度上是根据CAD 和绘图的可视化工具。

另一种仿真类型是数字化的仿真，处理动力，感觉，和机器人的控制。

仿真的主要收益是投资和设计证明系统时间的减少已经被接受。

机器人仿真是动力学的仿真工具，这种动力学仿真工具起初使用是作为一种高地细节，单元水平的验证工具（Farrington et al.），并且是为了模拟一个系统，这个系统的状态连续的改变是根据一个或多个动力学装置的移动（Roth[4]）。

它也是一个核实机器人的工作单元进程经营的工具，这种运营通过提供机器人应用系统的模拟状态，为了检测和评估不同的参量，例如倍周期，物体的碰撞，最佳途径，工作单元的布局和工作单元中实体在相互之间的安置。

这份报告呈现了怎样生产一种基于机器人码垛机系统模型的电脑系统，这种机器人码垛机系统模型是通过模拟仿真来监督和评估全部的机器人应用系统。

这种模拟仿真集中于机器人的最初四个关节，即腰﹑肩﹑手肘和手腕。

这份报告被分为五个部分。

第二部分写的是当前的机器人应用系统。

第三部分讨论了机器人工作单元的房展和仿真的方法论。

还有一些模拟仿真和结果在第四部分呈现，第五部分写的是结论。

2，机器人和机器人码垛机系统
这一部分呈现了机器人和它当前系统的应用系统。

这种应用使用Okura A1600机器人来在生产线的最后堆垛袋子，并且集中在拿起和放下的应用。

机器人将在夹持位置拿起袋子放在托盘上。

机器人模型是多节的四轴气动的 Okura A1600 码垛机。

它拥有机器人中最快的循环时间,达到每小时1600转，还有高的可靠性和低的维护需要。

机器人能够拿起的重量达到140kg。

机器人也有高的精度，1mm可重复的位置精度。

机器人包含一些组成部件，即底座、旋转体/环节1,低级/环节2，上臂/
环节3，连杆/环节4，凸缘/环节5,发动机轴1和发动机轴2.机器人的位置是根据它的手臂协调系统，手臂的协调一致运用基于三个轴（X，Y和Z）的三维坐标系统。

机器人堆垛系统包括Okura A1600机器人码垛机，运输袋子和托盘的输送机系统，托盘分配者，给机器人的工作单元提供界限的防守系统和监督和控制人机界面接口的控制托盘系统。

机器人的工作单元如图1所示。

图1 Okura A1600机器人码垛机系统
码垛过程是按照一个标准的移动模型的，包含七个步骤，表示了机器臂从拿起状态到托盘再到拿起状态的移动路径。

移动样板如图2所示
图2 移动样板
每个托盘包括十层，在每一层有五个袋子。

袋子根据特殊的袋子安排安置。

袋子的布置如图3所示
图3 袋子的布置
3，方法论
这一部分提出了Workspace5作为一种仿真工具和发展模型与仿真的执行的方法论。

Workspace5是以个人计算机为基础的支持三维可视化的机器人仿真软件。

Workspace5是碰撞和附近遗漏的检测，与ACIS地理学的核心作为自动计算机辅助设计相似的CAD功能，达到计算机安置最佳化的检测，和脱机程序编程。

其中应用了两种类型的方法论，Cheng[5]的发展机器人仿真模型的方法论和Grajo et al.[6]的机器人仿真的方法论。

Cheng[5]的方法论如图4所示，Grajo et al.[6]的方法论如图5所示。

图4 Cheng[5]的发展机器人仿真模型的方法论
图5 Grajo et al.[6]的机器人仿真的方法论
3.1发展机器人工作单元仿真模型的方法论
机器人的工作单元仿真是“一种基于模型的问题解决方案，目的是为机器人的系统设计生产足够的可靠地解决方案”(Cheng[5]).他的方法论包括六个步骤：
1）创造部分模型
部分模型是一个低水平或者几何学的实体。

这些部分是由使用Workspace5固体模型特征的基本元素创造的。

这些部分包含Okura A1600的组成部件和在它的工作单元例如输送机、托盘和夹起装置中的装置。

2）建立装置模型
装置模型代表了实际工作单元组成部件，并且被分成两类；机器人的装置模型和非机器人的装置模型。

建立装置模型开始于部分模型作为基本坐标系统的位置。

Okura A1600包含五个环节:旋转体/环节1,低级/环节2，上臂/环节3，连杆/环节4，凸缘/环节5 。

这些环节是根据它的数字通过运用Workspace5的附属物特征而被附上的。

每一个附上的环节都受制约关系的影响。

3）布局中的定位装置模型
工作单元模型的安排布局与代表实际工作单元的环境有关。

关于这点，协调
系统的应用是Okura A1600的手臂协调系统。

模型和装置在环境中的安置是根据工作单元的实际安排布局。

4) 定义装置在布局中的移动终点
装置模型的移动特征定义了装置模型的关节就home,位置，速度，加速度和运行而言的移动限制。

在Workspace5中，没一个环节都是行动诉讼程序环节的一部分。

正如在Okura A1600中，关节1是连接底座和旋转体/环节1的腰关节，关节2是连接旋转体/环节1低级/环节2的肩关节，关节3是连接低级/环节2和上臂/环节3的肘关节，关节4是连接上臂/环节3和连杆/环节4的腕关节，关节5是连接连杆/环节4和凸缘/环节5的夹关节Workspace5。

每一个关节都与它自己的动作限制。

一旦关节被定义，Workspace5将自动的定义机器人的运动。

5）设备的行为和编程
在码垛过程中，装置的动作和机器臂的移动有关。

运动是通过一系列的点决定（GPs）这些带你创造了机器人要跟从的移动路径。

集合点的位置和系列是根据移动样板和袋子布局。

几何点的协调一致是通过使用Workspace5的悬挂物特征来实现的。

有三种方式创造几何点，这些方式是通过输入每一个关节的价值，输入X,Y和Z的绝对值和鼠标的点击。

关于这个工程，获得精确位置的最恰当的方式是通过输入一个几何点的X,Y和Z的绝对值。

74个几何点在发展中已经被鉴定。

6）执行工作单元仿真和分析
仿真仅仅集中在机器臂的位置，不包括它的定位。

在编程之后，装置模型布局能够被在绑定时间之外模拟仿真。

模拟仿真和分析的执行是使用Workspace5的特征。

被仿真的模型能够展示机器臂的运动，布局的检测，机器人可到达性，循环时间检测和碰撞和附近遗漏检测。

3.2机器人仿真方法论
这种方法论包括八个阶段但是这项工程仅仅执行到第七个阶段。

1）阶段1：定义问题
问题确认是在对问题的背景地初步分析期间被定义的。

当前的系统没有基于代表机器人应用模型的电脑。

因此，不可能监督和评估机器人码垛系统的表现。

2）阶段2：设计研究
研究是被限制在工程范围内的。

这一阶段需要对能够使用的工具和方法论做出恰当的决定。

而且还需要一个核实的计划和里程碑。

3）阶段3：设计概念的模型
概念模型是使用机器人系统的当前应用程序。

这一阶段需要机器人工作单元发展的参量数据的收集。

这些数据包括机器人应用程序的安置，机器人的几何结构，机器人运动参数和机器人的循环时间。

4）阶段4：系统的阐述输入、假设和过程定义
机器人应用程序模型集中于三个活动上，即建造机器人、码垛过程的移动路径程序和运营模拟仿真。

建造机器人的模型很在大程度上是根据Okura A1600使用Workspace5的CAD的特征的几何数据。

尺寸和Okura A1600的CAD图有关。

在决定移动路径时一些空间的数据需要被考虑在内：
a)指出机器人需要拿起袋子的拿起位置。

b)代表袋子在奇数层布局的五个点
c)代表袋子在偶数层布局的五个点
点在x,y和z坐标轴的位置。

由于每个托盘包括十层袋子，每层放五个袋子，因此z坐标值需要十个增量值。

5）阶段5：建立、核实、确认仿真模型
在这一阶段中，机器人工作单元的发展是根据Cheng[5]所提出的方法论。

这是一个相互作用的阶段，目的是提高模型的精度和动作。

模型的验证是根据系统安排的可视化和机器人完成一项任务的循环时间。

使用Workspace5产生的布局是可以和实际的系统安置相比较的。

Workspace5的系统安置如图6所示。

图6 Workspace5的系统安置
在初步的数据收集过程中，真实的机器人在一天的运行中完成一项任务的现象已经有记录了。

模型是被假设来代表在实际系统的相同运动中的实际系统的一次操作和能够在相似的循环时间内运作。

6）阶段6：模型试验和为实验设计寻找机会
这一阶段和Cheng[5]所提出的方法论中的第六步是相似的。

这样的模拟仿真是为了使机器臂的运动可视化和对碰撞检测的分析而运行的。

仿真的执行时使用了Workspace5用于仿真的特征。

Workspace5为准备其它装置中机器人的可到达性而允许安排检测。

它也能为任意两个关节产生工作壳层。

在模拟过程中，展现了一个循环时间。

模拟允许机器人之间和关节与工作单元中任何物体的碰撞和附近遗漏检测。

这个项目是一项脱机的程序设计。

在实际工作单元中机器人语言没有产生，也没有实施。

7）阶段7：文件和报告
这一阶段收集和记载了模拟产生的所有结果。

一份已经写好的报告为实验的执行和分析提供了更好的理解。

你
4.仿真和结果
这一部分呈现了机器人的首先的四个关节的仿真的执行，即腰（关节1）、肩（关节2）、肘（关节3）、腕（关节4）。

它仅仅集中在腕关节的位置，x,y,z的
坐标值，不管方向如何，还有转动，俯仰和偏差值
4.1机器人模型的验证
机器人模型的验证是通过布局监测和机器人工作循环时间的测量进行的。

a)布局监测
工作壳层展示了机器臂的可到达性，这种可到达性代表了机器人运行的限制，而且能够以安全的目的使用。

Workspace5能计算机器人的工作壳层。

机器人的前三个关节产生的壳层如图7所示。

图7 工作壳层
b)循环时间
循环时间与机器人完成一项工作所需的总共的时间有关。

在模拟过程中，循环时间在屏幕底部的状态栏中显示。

一个仿真日志也产生了。

真实过程和模拟的循环时间有着11s的微小差别。

因此模型机器人和真实机器人表现基本相同，存在着1.39%的错误率。

4.2 碰撞检测
Workspace5能够检测任何机器人关节之间和机器人关节与工作单元内装置之间的碰撞和附近遗漏。

“没有出现碰撞”结果的例子如图8所示。

图8 碰撞结果
4.3 动画
模拟仿真过程的动画可以被创造。

动画是多媒体文件格式的。

图9展示了一个动画的演示。

图9 动画
5.结论
机器人仿真是一种分析一个机器人工作单元工作状况的基于模型的方法。

与传统的不连续的时间模拟不同，机器人模拟强调机器人行为细节的研究，例如运动和在它的环境中其它组成部件之间的相互作用。

机器人仿真提供给了一个工作单元的高细节的，三维的，可视的布局。

一些仿真包和碰撞检测能力合并允许使用
者识别机器人和物体之间的相互作用。

它也提供了循环时间检测来确定机器人完成一项给定的任务需要多长时间。

一个机器人最小循环时间的编程将会确保产品更高的生产率。

与DES相比，机器人仿真包能够把仿真模型的程序翻译成真正的机器人编程语言。

参考文献
[1] Zomaya, A.Y.,Modeling and Simulation of Robot Manipulators:A Parallel Processing Approach, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, Singapore, 1992.
[2] O.M.Ulgen,S.John,C.Gene,S.David,R.Matt,W. Gemet, “Increasing the Power and Value of Manufacturing Simulation Via Collaboration with Other Analytical Tools: A Panel Discussion”, Int. Proceedings of the 31st Conference on Winter Simulation, IEEE, Dec. 1999, pp. 749-753.
[3] P. Robinson, “Robotics Education and Tr aining: A Strategy for Development”, Emerald Group Pub. Ltd, Journal of Industrial Robot, vol. 23, no. 2, 1996, pp. 4-6.
[4] N. James and B.Roth, “On the Kinematic Analysis of Robotic Mechanisms”, The International Journal of Robotics Research, SAGE Pub., vol. 18, no. 12, 1999, pp. 1147-1160.
[5] F.S. Cheng, “A Methodology for Developing Robotic Workcell Simulation Models”, Proceedings of the 32nd Conference on Winter Simulation, IEEE, Dec. 2000, pp. 1265-1271.
[6] E.S. Graj o, A. Gunal, D. Sathyadev, and O.M. Ulgen, “A Uniform Methodology for Discrete-event and Robotic Simulation”, Proceeding of the Deneb Users Group Meeting. Deneb Robotic. Inc. pp. 17-24.。