一种基于半实物仿真技术的机器人测试系统及方法与流程

本发明涉及机器人测试技术领域，尤其涉及一种基于半实物仿真技术的机器人测试系统及方法。

背景技术：

现有技术中，机器人控制系统即为机器人控制器和伺服驱动器所组成的、对机器人实施控制的一套闭环系统，包括对执行机构的设定，也包括从执行机构的反馈，进而整个的伺服系统中实现位置环、速度环和电流环三个闭环系统，以实现对于机器人的精准控制。

现有的测试手段，可通过激光跟踪仪对机器人的位姿进行标定，实现将机器人末端姿态的反馈信息与控制系统给定进行比较，得到误差经量，这种测试手段缺少对各个关节的测试误差分析，并且无法将控制系统的动态特性、静态特性和非线性因素等真实地反映出来，在试验和操作方面都比较困难，无法形成对于特定部分的分析。而数学仿真手段又无法将真实的环境模拟出来，对于测试结论只能是理论值，缺乏实际依据，不能成为评估标准，无法满足仿真测试要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种可将机器人控制系统的动态特性、静态特性和非线性因素真实地反映出来，进而对机器人控制系统的设计进行改进修正，有助于用户及时调整控制参数以满足系统性能指标的基于半实物仿真技术的机器人测试系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种基于半实物仿真技术的机器人测试系统，其包括有：示教盒，用于发出控制指令；机器人控制系统，连接于所述示教盒，所述机器人控制系统用于根据所述控制指令执行相应动作；实时仿真系统，连接于所述机器人控制系统，所述实时仿真系统用于采集包含所述机器人控制系统的实时位置数据、姿态数据和速度数据的测试数据；主控系统，所述主控系统与所述实时仿真系统建立通信，所述主控系统预设有与所述机器人控制系统的执行动作相对应的目标运动模型，所述主控系统用于接收所述实时仿真系统采集的测试数据，根据测试数据生成当前运动模型，并显示目标运动模型和当前运动模型，以供用户对比评估。

优选地，所述机器人控制系统包括有相互连接的伺服驱动器和机器人控制器，藉由所述机器人控制器控制所述伺服驱动器执行相应动作。

优选地，所述实时仿真系统包括有相互连接的仿真机和信号适配系统，所述仿真机与所述主控系统建立通信，所述信号适配系统连接于所述机器人控制系统。

优选地，所述仿真机为aio板卡或者电机仿真板卡。

优选地，所述主控系统包括有计算机和显示器。

优选地，所述主控系统与所述实时仿真系统基于以太网建立通信。

一种基于半实物仿真技术的机器人测试方法，该方法基于一系统实现，所述系统包括有示教盒、机器人控制系统、实时仿真系统和主控系统，所述机器人控制系统连接于所述示教盒，所述实时仿真系统连接于所述机器人控制系统，所述主控系统与所述实时仿真系统建立通信，所述主控系统预设有与所述机器人控制系统的执行动作相对应的目标运动模型，所述方法包括：步骤s1，利用所述示教盒向所述机器人控制系统发出控制指令；步骤s2，所述机器人控制系统根据所述控制指令执行相应动作；步骤s3，所述实时仿真系统对所述机器人控制系统进行测试数据采集，所述测试数据包含所述机器人控制系统的实时位置数据、姿态数据和速度数据；步骤s4，所述主控系统接收所述实时仿真系统采集的测试数据；步骤s5，所述主控系统根据测试数据生成当前运动模型，并显示目标运动模型和当前运动模型，以供用户对比评估。

优选地，所述步骤s5的用户对比评估过程中，用户根据目标运动模型对比当前运动模型的误差。

优选地，所述机器人控制系统是具备理论模型建模功能的机器人控制系统。

优选地，包括有设定步骤：用户通过所述主控系统的人机交互界面设定数值并传送至所述机器人控制系统，所述机器人控制系统根据设定数值重新建模，生成目标运动模型并反馈至所述主控系统。

本发明公开的基于半实物仿真技术的机器人测试系统中，首先，利用所述示教盒向所述机器人控制系统发出控制指令，之后所述机器人控制系统根据所述控制指令执行相应动作，其次，所述实时仿真系统对所述机器人控制系统进行测试数据采集，所述测试数据包含所述机器人控制系统的实时位置数据、姿态数据和速度数据，再次，所述主控系统接收所述实时仿真系统采集的测试数据，再利用所述主控系统根据测试数据生成当前运动模型，并显示目标运动模型和当前运动模型，以供用户对比评估。本发明基于机器人控制系统、实时仿真系统和主控系统搭建半实物仿真机器人控制系统测试平台，将机器人本体真实模拟出来，以在整个闭环系统中对控制系统进行测试验证，将机器人控制系统的动态特性、静态特性和非线性因素通过数据采集至主控系统进行显示，再对数据进行处理分析，可有效地对于控制系统的设计进行修正改进，验证控制器的设计性能，调整控制系统参数以满足系统各项性能指标。

附图说明

图1为本发明机器人测试系统的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种基于半实物仿真技术的机器人测试系统，请参照图1，其包括有：

示教盒1，用于发出控制指令；

机器人控制系统2，连接于所述示教盒1，所述机器人控制系统2用于根据所述控制指令执行相应动作；

实时仿真系统3，连接于所述机器人控制系统2，所述实时仿真系统3用于采集包含所述机器人控制系统2的实时位置数据、姿态数据和速度数据的测试数据；

主控系统4，所述主控系统4与所述实时仿真系统3建立通信，所述主控系统4预设有与所述机器人控制系统2的执行动作相对应的目标运动模型，所述主控系统4用于接收所述实时仿真系统3采集的测试数据，根据测试数据生成当前运动模型，并显示目标运动模型和当前运动模型，以供用户对比评估。

上述机器人测试系统中，首先，利用所述示教盒1向所述机器人控制系统2发出控制指令，之后所述机器人控制系统2根据所述控制指令执行相应动作，其次，所述实时仿真系统3对所述机器人控制系统2进行测试数据采集，所述测试数据包含所述机器人控制系统2的实时位置数据、姿态数据和速度数据，再次，所述主控系统4接收所述实时仿真系统3采集的测试数据，再利用所述主控系统4根据测试数据生成当前运动模型，并显示目标运动模型和当前运动模型，以供用户对比评估。本发明基于机器人控制系统2、实时仿真系统3和主控系统4搭建半实物仿真机器人控制系统测试平台，将机器人本体真实模拟出来，以在整个闭环系统中对控制系统进行测试验证，将机器人控制系统的动态特性、静态特性和非线性因素通过数据采集至主控系统4进行显示，再对数据进行处理分析，可有效地对于控制系统的设计进行修正改进，验证控制器的设计性能，调整控制系统参数以满足系统各项性能指标。

本实施例中，所述机器人控制系统2包括有相互连接的伺服驱动器20和机器人控制器21，藉由所述机器人控制器21控制所述伺服驱动器20执行相应动作。上述系统需构建模拟机器人本体，再加入机器人运动学模型和动力学模型，为达到仿真系统的实时性，多轴的协调运动时间的同步要求很高，同时对伺服驱动的电流环、速度环、位置环反馈的采样，以及控制量的运算和输出都应在统一的时钟节拍控制下工作。

作为一种优选方式，所述实时仿真系统3包括有相互连接的仿真机30和信号适配系统31，所述仿真机30与所述主控系统4建立通信，所述信号适配系统31连接于所述机器人控制系统2。其中，所述仿真机30为aio板卡或者电机仿真板卡。本实施例中，仿真机采用cpci架构，作为测试任务的执行层，完成机器人控制器的激励/采集，并能实时解算机器人仿真模型，信号适配系统是实现测试平台与控制器的接口适配。

关于主控系统4，所述主控系统4包括有计算机40和显示器41。具体由一台windowspc和显示器组成，是整个测试平台的集中管理设备，用户可方便的处理如下任务：测试用例编辑、测试过程监控、测试数据后处理、测试报告生成等。

作为一种优选方式，所述主控系统4与所述实时仿真系统3基于以太网建立通信。本发明优选采用ethercat工业以太网技术，在数据链路层采用了实时调度的软件核，并采用了过程传输的独立通道，提高了系统的实时性。在此基础上，通过上位机实时可视化仿真，能更加直观看到机器人的运动控制性能测试状态及轨迹规划。通过数据采集机器人的位置、姿态、速度，伺服周期控制、轨迹规划、插补计算、机器人正逆运动学变化等相关当量，可对于机器人控制器的理论值、期望值、给定值、反馈值进行比较，分析其误差来源，改进控制系统的设计，完成对于机器人控制系统的测试。

为了更好地描述本发明的技术方案，本发明还公开了一种基于半实物仿真技术的机器人测试方法，该方法基于一系统实现，所述系统包括有示教盒1、机器人控制系统2、实时仿真系统3和主控系统4，所述机器人控制系统2连接于所述示教盒1，所述实时仿真系统3连接于所述机器人控制系统2，所述主控系统4与所述实时仿真系统3建立通信，所述主控系统4预设有与所述机器人控制系统2的执行动作相对应的目标运动模型，所述方法包括：

步骤s1，利用所述示教盒1向所述机器人控制系统2发出控制指令；

步骤s2，所述机器人控制系统2根据所述控制指令执行相应动作；

步骤s3，所述实时仿真系统3对所述机器人控制系统2进行测试数据采集，所述测试数据包含所述机器人控制系统2的实时位置数据、姿态数据和速度数据；

步骤s4，所述主控系统4接收所述实时仿真系统3采集的测试数据；

步骤s5，所述主控系统4根据测试数据生成当前运动模型，并显示目标运动模型和当前运动模型，以供用户对比评估。

上述方法中，为实时仿真系统模拟机器人本体加入运动学和动力学模型，并在主控系统显示器上实时显示三维仿真的机器人运动状态。通信总线使用工业以太网总线，保证机器人多轴联动测试的实时性和同步性。从机器人控制系统中输入设定值，通过实时仿真系统后上位机界面显示仿真机器人的动作，再将运动状态的位置、姿态、运动轨迹等各种数据，通过ethercat总线反馈回机器人控制系统，形成闭环系统。这样可以进行设定值与反馈值的误差比较。而机器人控制器本身就具备理论模型的建模功能，当用户在人机交互界面设定数值时，控制器会自适应的建模，生成一个理想数值的理想模型，从而有了设定值与理想值的比较，经过这些当量数据比较，可以对于机器人控制器到其控制系统的评估。

进一步地，所述步骤s5的用户对比评估过程中，用户根据目标运动模型对比当前运动模型的误差。

作为一种优选方式，所述机器人控制系统2是具备理论模型建模功能的机器人控制系统。在此基础上，本实施例还包括有设定步骤：用户通过所述主控系统4的人机交互界面设定数值并传送至所述机器人控制系统2，所述机器人控制系统2根据设定数值重新建模，生成目标运动模型并反馈至所述主控系统4。

本发明公开的基于半实物仿真技术的机器人测试系统及方法，利用机器人控制系统2、实时仿真系统3和主控系统4搭建半实物仿真机器人控制系统测试平台，再利用半实物仿真技术实现对机器人控制系统的测试手段，其实验结果比数学仿真更接近实际，比实物测试手段更具客观评估控制器的性能指标。相比之下，现有技术中的数学仿真是将机器人控制系统及控制对象全部通过数学模型模拟出来，缺乏真实环境的测试结果，难以客观评估待测对象的各方面性能指标。实物测试，因测试主体个体差异，以及不稳定性，测试中出现的各种问题，无法评估到控制系统的性能指标，例如其动态特性、静态特性和非线性因素等。所以需要采用半实物仿真技术，将测试主体通过模型仿真为标准体，待测对象使用实物，再将其接入整个半实物仿真系统，通过硬件回路测试，进行实时测试，其测试结果不但能更接近实际，并能更好客观评估控制器的性能参数和指标。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。