工业机器人生产线仿真系统设计及其关键技术研究

论文摘要

仿真技术是机器人研究领域的一个重要组成部分,通过仿真实验来验证机器人的各种性能,已经是机器人理论研究必备的方法之一。生产线仿真技术可以对要投建的生产线进行可视化布局分析,进而提出合理的优化方案,使企业避免盲目的投资。因此,工业机器人生产线仿真系统对工业机器人技术的研究及应用有着非常重要的意义。本文设计了工业机器人生产线仿真系统的模块化总体框架,并对制约工业机器人生产线仿真系统性能的关键技术进行了研究。然后,本文分别对单体工业机器人、工业机器人单焊接工作站及焊接生产线进行了图形仿真实验,实验结果证明了生产线仿真系统的通用性、实用性和稳定性。本文首先对工业机器人仿真技术及生产线仿真技术做了国内外研究现状分析,阐述了目前生产线仿真存在的主要问题。接着文中设计了生产线仿真系统的模块化总体框架,包括：核心引擎模块（图形渲染引擎和物理计算引擎）、仿真对象模型构建模块以及接口模块（半实物仿真接口、控制算法开发接口和人机交互接口）。其次,针对工业机器人生产线仿真系统所用到的关键技术,本文给出了相应的改进优化算法。为了提高3D大场景实时渲染效率,本文提出了基于改进Z-Buffer算法的实时消隐技术以及基于常规四叉树和受限四叉树的LOD模型快速简化算法。另外,本文还分别实现了基于WRL和OBJ两种文件格式的仿真对象三维造型。最后,本文在生产线仿真系统中分别完成了对新松弧焊RH-6A、 KUKA KR16-2及BUAA6R六自由度机器人的图形建模和仿真,并实现了基于KR16-2和变位机的非同步联合运动轨迹规划。另外,本文还完成了对焊接生产线中RGV运载小车的时序调度控制仿真。仿真实验结果表明,本文所实现的生产线仿真系统具有很好的通用性并且能够完成对生产线的布局仿真及调度仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究背景与意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 工业机器人的发展
• 1.3.2 机器人仿真系统研究现状
• 1.3.3 生产线仿真技术研究现状
• 1.4 本文结构与贡献
• 1.4.1 论文结构
• 1.4.2 贡献与创新
• 第2章 工业机器人生产线仿真系统框架设计
• 2.1 工业机器人生产线仿真系统需求分析
• 2.2 核心引擎模块
• 2.2.1 3D图形渲染引擎
• 2.2.2 物理运算引擎
• 2.2.3 图形渲染引擎与物理引擎的绑定
• 2.3 仿真对象模型构建模块
• 2.3.1 仿真对象模型描述格式
• 2.3.2 基于XML语言解析器设计及实现
• 2.3.3 基于XML语言存储器设计及实现
• 2.4 接口模块
• 2.4.1 半实物仿真接口
• 2.4.2 控制算法开发接口
• 2.4.3 人机交互接口
• 2.5 本章小结
• 第3章 工业机器人生产线仿真系统关键技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 3D场景实时渲染算法研究
• 3.2.1 基于改进Z-Buffer算法的实时消隐
• 3.2.2 基于常规四叉树及受限四叉树算法的LOD快速简化
• 3.3 三维造型技术研究
• 3.3.1 基于WRL文件的仿真对象三维造型
• 3.3.2 基于OBJ文件的仿真对象三维造型
• 3.4 本章小结
• 第4章 KUKA KR16-2六自由度工业机器人仿真研究
• 4.1 KR16-2六自由度工业机器人介绍
• 4.2 KR16-2六自由度工业机器人建模
• 4.3 六自由度工业机器人D-H参数描述及运动学方程的建立
• 4.3.1 KR16-2运动学模型的建立及D-H参数描述
• 4.3.2 KR16-2正运动学分析
• 4.3.3 KR16-2逆运动学分析
• 4.4 基于IKFAST的KR16-2末端笛卡尔空间轨迹规划
• 4.4.1 基于IKFast的KR16-2逆运动学求解
• 4.4.2 KR16-2末端笛卡尔空间轨迹规划
• 4.5 本章小结
• 第5章 工业机器人焊接生产线仿真研究
• 5.1 半实物仿真技术
• 5.2 基于KR16-2的焊接机器人单工作站仿真研究
• 5.2.1 焊接机器人单工作站系统组成
• 5.2.2 焊接机器人与变位机及龙门架联合运动研究
• 5.2.3 焊接机器人单工作站系统仿真实验
• 5.3 基于焊接单工作站与RGV的生产线仿真研究
• 5.3.1 焊接生产线系统组成元素
• 5.3.2 工业机器人焊接生产线仿真实验
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间获奖及科研情况
• 作者简介