STYLEREF標準文件_文件編號T/SAITAXXXX—XXXX工業應用移動機器人復合機器人仿真技術通用要求范圍本文件規定了應用于工業應用的復合機器人仿真技術的基本要求、技術要求和版本管理。本文件適用于工業移動機器人中復合機器人仿真技術的仿真應用。規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T12643-2013/ISO8373:2012機器人與機器人裝備詞匯術語和定義下列術語和定義適用于本文件。移動機器人mobilerobot基于自身控制、可移動的機器人。[GB/T12643-2013/ISO8373:2012，2.13]復合機器人compositerobot移動底盤上安裝有協作機械臂，并在機械臂末端安裝有末端執行器（GB/T12643-2013/ISO8373:20123.11）的機器人。基本要求復合機器人仿真技術，應從與實際應用場景和要求盡量相符合的角度出發進行建模仿真，并以可為實際機器人現場部署工作提供指導或幫助解決實際問題為出發點，建模、仿真過程應基于豐富的資源庫并允許用戶自己建模，在人機交互良好的軟件界面上開展。仿真結果應直觀呈現，或宜以數據、曲線、圖表等結果輸出；并可對主要功能模塊或指定模塊生成后置代碼，提供給用戶實際使用，并允許用戶可編輯。技術要求仿真技術通用要求在仿真軟件中體現，包含軟件界面、軟件組成和仿真工作流程。5.1軟件界面軟件界面宜參照圖1所示界面。軟件界面軟件界面應包含菜單及功能區、基礎資源庫及工具界面、2D/3D仿真環境/在線程序編輯、交互及屬性區和狀態及信息提示區。菜單及功能區：位于頂部，提供文件、編輯、視圖和高級功能模塊等功能；基礎資源庫及工具界面：位于菜單及功能區下方左側，以圖標形式提供常用功能的快捷入口；2D/3D仿真環境/在線程序編輯：中央工作區，支持任務執行和布局自定義；狀態及信息提示區：位于底部，實時顯示任務進度、仿真狀態、出錯信息和提示信息。交互及屬性區：位于菜單及功能區下方右側，可顯示對應功能模塊的屬性參數，可允許用戶設置或修改。5.2軟件組成以樹狀方式展示仿真軟件中可用的各種資源庫及工具包，軟件應包括以下功能模塊和算法庫：基礎資源庫模塊；路徑規劃及調度算法庫；仿真模塊；后置模塊；自定義功能模塊；地圖庫；避障算法庫；訂單任務模塊；節拍編輯模塊；機械臂操作資源模塊；安全模塊；可導入第三方模型，如：.stp、.obj、.vrml或.stl等格式文件；高級功能模塊庫。5.2.1基礎資源庫模塊基礎資源庫模塊宜包含如下模塊。a）基礎功能庫，包括但不限于如下功能庫：“移動行走”功能庫包含行走模塊，轉彎模塊，掉頭模塊；行走模塊包括點到點、直線、圓弧、拋物線、橢圓行走模塊；轉彎模塊包含U形轉彎，L形轉彎；掉頭模塊包含原地掉頭、前進模塊和后退模塊；“自主避障”功能庫包含障礙物大小尺寸設置、位置標定、距離設置，繞障方式設定，障礙物識別，動態障礙物模型及參數設置。“激光導航”功能庫包含激光傳感器類型、規格、安裝位置、導航方式如三點導航；“視覺伺服”功能庫包含視覺傳感器類型、規格、安裝位置、速度限制參數、加速度限制參數；“物料拾取”功能庫包含移動拾取、靜止拾取、手爪類型及參數、位置坐標設定、末端軌跡參數；“物料放置”功能庫包含移動放置、靜止放置、位置坐標設定、末端軌跡參數。b）部件模型資源模塊：通信數據包資源模塊，復合機器人與調度系統交互的通信數據包模塊，調度系統與外部系統交互的通信數據包模塊；輔助執行以上任務涉及的仿真過程中的設備模型庫，包含但不限于PLC、傳輸帶、狀態機等；服務接口方式庫，調度系統與機器人之間的接口交互協議方式，例如，報文通信接口（TCP/IP，UDP），WebAPI服務接口，WebService服務接口，動態鏈接庫SDK等；傳感器模型庫，包含可模擬實際傳感器輸出數據的主流傳感器模塊，如激光雷達，相機，IMU，GPS等；復合機器人零部件模型庫，包含常用的如差速驅動輪轂模塊，麥克納姆輪模塊等，又如各類關節模組模塊等；應用軟件API接口模塊，如PythonAPI接口，用于提供與外部用戶控制程序（GB/T12643-2013/ISO8373:20125.1.2）的數據交互接口。5.2.2路徑規劃及調度算法庫路徑規劃及調度算法庫模塊應包含起點位置、中間位置和終點位置設定，同時應具備下列功能：兩點間路徑最短/最優規劃功能；同一條路徑時間最短/最優規劃功能：1）從A點到B點的總的運動距離最短；2）在最短運動路徑已確定的情況下，最優化速度曲線，使得總的運動時間最短。基于指定時間節點、指定點路徑規劃功能；基于生產線工藝順序要求的路徑規劃功能；基于多機器人同時運行的路徑規劃功能；基于優先級設定的路徑規劃功能；具備CAM功能，能夠根據CAD模型進行軌跡規劃。5.2.3仿真模塊仿真模塊宜包含以下功能：機器人沿規劃軌跡模擬的仿真功能；機器人仿真模擬出錯信息提示；仿真速率調整；仿真碰撞檢測；仿真自動避障檢測；仿真機器人運行時間、進度、行駛路徑長度、避障信息等的展示界面；支持外部算法導入仿真環境的模塊或插件；支持外部點云地圖導入仿真環境的模塊或插件；支持外部零部件設計模塊導入仿真環境的模塊或插件；仿真運行時間設置模塊；可進行速度/加速度分析、力學或動力學分析等高級仿真分析功能；可兼容NVIDIAIsaacSim中導出的模型格式。5.2.4后置模塊后置模塊宜包含以下功能：根據軌跡、坐標系等信息生成機器人可執行的通用代碼語言功能；支持主流品牌機器人編程語法規則和機器人指令規則模塊導入，可生成對應品牌機器人可執行的代碼語言功能；b）后置代碼編輯器，允許對生成的代碼進行編輯，以符合實際需要；c）后置代碼應能以文件數據包形式導出，或支持一鍵發送至真實機器人。5.2.5自定義功能模塊5.2.5.1概述自定義功能模塊是工業應用復合機器人仿真應用的一個要素，其子要素包含自定義復合機器人功能、自定義機械臂功能，自定義末端拾取結構和自定義場景元素四個方面。5.2.5.2自定義功能模塊自定義功能模塊應支持三維模型導入，包括以下內容。根據輸入的參數定義仿真軟件中復合機器人模型，包括以下：三維模型：模型宜符合STEPPart203標準；移動速度：需要根據移動類型（直線運動，圓弧運動或者轉彎運動）和負載情況（環境因素、外部負載結構種類，負載大小和重心高度等）進行合理限定，單位：米/分鐘（m/min）。定位偏差：可對仿真環境中機器人的定位偏差進行設定：偏差單位：位移定位偏差單位：毫米（mm）；旋轉定位偏差單位：度（°）。導航方式：磁帶導航；磁釘導航；光學導航；二維碼導航；坐標導航；激光導航；視覺導航；基站導航；GPS導航。轉彎半徑：根據驅動輪運動結構和布局結構確定：根據地面條件確定；根據負載結構，負載重量及負載重心高度確定。驅動輪類型：差速結構驅動；舵輪結構驅動；麥克納姆輪結構驅動；履帶結構驅動。5.2.5.3自定義機械臂功能根據輸入的參數定義仿真軟件中的機械臂模型，參數應包括以下內容。a）三維模型：模型宜符合STEPPart203標準；b）連桿結構配置；c）軸運動參數，包括運動極限位置角度，運動角加速度，額定運動速度；d）運動學解算：運動學正解（GB/T12643-2013/ISO8373:20124.1）；運動學逆解（GB/T12643-2013/ISO8373:20124.2）。e）D-H解算方法參數：連桿長度；連桿扭轉角；連桿偏移量；關節角度。注1：D-H解算方法即Denavit和Hartenberg提出的一種用于機器人和其他機械系統的運動學建模技術。5.2.5.4自定義末端拾取結構根據輸入的參數定義仿真軟件中零件模型，參數應包括：a）三維模型：宜符合STEPPart203標準；b）末端拾取動力驅動種類；c）末端拾取起始位置，傳動機構組成，運動副類型和運動路徑定義；d）末端拾取零件重量，重心位置，慣量。5.2.5.5自定義場景根據需要仿真的場景要求設置仿真環境，或定義場景參數：a）場景環境因素，宜包括：人為因素、避障約束和安全行駛條件約束；b）場景中周邊障礙物約束；c）場景中交叉作業約束；d）場景地圖條件。5.2.6地圖庫仿真環境中采用的地圖數據庫，應包括以下來源：a）包括典型應用場景的示例地圖庫或歷史導入、編輯的應用場景庫；導入的點云地圖數據庫；b）典型示例地圖庫包括：典型生產車間示例地圖庫和典型生產流水線示例地圖庫等，可為用戶熟悉仿真環境、學習仿真流程提供幫助，應允許用戶基于實際場景要求進行編輯修改。5.2.7避障算法庫復合機器人常用行走避障算法模塊庫、交通管制模塊庫，用戶在建模過程中可直接采用，避免重復建模，允許用戶導入或自建相應功能的算法庫或模塊庫。5.2.8訂單任務模塊對復合機器人進行任務分單指派的訂單任務模塊，主要包括復合機器人的移動和操作的目標點位、移動和操作的節拍要求，任務類型，應允許對移動行為和操作行為的參數分別進行編輯。5.2.9節拍編輯模塊可對復合機器人執行任務時的時間、運行區間、運行目標點和操作目標點等模塊進行規定和條件約束，應允許編輯，滿足對復合機器人移動節拍和操作節拍的要求。5.2.10機械臂操作資源模塊專用于對復合機器人本體上搭載的機械臂操作動作進行控制和編輯的模塊庫，應包括以下內容。a）校準模塊，通過模型上的點位數據，匹配真實環境與機械臂操作環境中模型位置，宜包含三點校準模塊、多點校準模塊或點云校準模塊等；b）軌跡模塊，生成機械臂軌跡及可對其進行編輯的模塊；c）后置代碼模塊，可單獨生成機械臂軌跡控制程序。5.2.11安全模塊專用于對復合機器人的移動、操作進行安全性限定和設置的功能模塊，包括以下內容。可對機器人移動區域、點位、移動速度、加速度等進行設定或約束；b)可對復合機器人的機械臂末端操作空間范圍、操作區域進行限定或約束；c)可對機器人的行為安全設定外部觸發條件，且該條件可是多序列、多類型觸發。5.2.12高級功能模塊庫宜包含為實現機器人系統更復雜、更智能的功能仿真，仿真軟件中宜包含以下高級功能模塊庫：移動、操作協同控制算法庫；多機器人協同控制算法庫；可導入第三方模型，如：.stp、.obj、.vrml或.stl等格式文件；真實機器人與仿真系統在線仿真功能庫；在線代碼編輯功能庫或可基于仿真環境進行在線二次開發功能庫；真實感呈現仿真模塊仿真效果，如可仿真呈現焊接起弧、火焰切割、噴涂粒子等效果；機器人虛擬控制器數字孿生體，可具有與真實控制器一致的功能與性能，有助于增強仿真效果及保證仿真結果正確。5.3仿真工作流程在仿真軟件中建立仿真模型及進行仿真的基本工作流程如圖2所示。圖2仿真工作流程5.3.1場景地圖導入選擇導入已建好的場景地圖，或在仿真環境中自定義、自建場景地圖。5.3.2場景搭建可導入已有場景地圖；或通過“地圖庫”中的元素模塊，根據實際工作環境，進行場景搭建，實現機器人可行駛區域、禁止行駛區域、設備、工具和障礙物就位。5.3.3模型建模&檢索通過在仿真軟件中檢索相應的模塊庫，進行建模。5.3.3.1通過“基礎資源庫模塊”檢索仿真所需要的機器人、工具、設備的實體數字模型，并調用至操作環境。5.3.3.2若“基礎資源庫”中不包含編程模型時，通過“自定義、自建模塊”載入自定義的設計模型并定義相應參數。5.3.4模型導入、移動、操作行為搭建、編輯通過模型導入、路徑規劃、避障算法庫、調度算法庫、訂單任務模塊、節拍編輯模塊等，進行移動、操作行為搭建、編輯，實現機器人、設備、行駛路線等就位。5.3.5標定及設置根據機器人實際運行點位數據及節拍要求，對操作環境中的對應點位，包括機器人起始點等進行標定及設置。5.3.6路徑規劃與編輯對復合機器人的移動路徑和機械臂的末端動作軌跡參數進行設置或編輯。通過“路徑規劃”，確定“坐標系”、“點”、“線”、“面”等要素，在“操作環境”中生成機器人離線作業路徑。通過路徑規劃（如起點、中間若干路徑節點、終點等），優化任務程序，實現最佳移動、作業過程。5.3.7仿真模型建立完整之后，可開始仿真執行過程。5.3.7.1通過“仿真模塊”，在“操作環境”中對機器人的移動、作業程序進行模擬，驗證程序的正確性。5.3.7.2若仿真結果不正確，包含但不限于問題或異常的路徑點、碰撞，通過“路徑規劃”重新進行作業路徑優化。5.3.8仿真結果正確/滿足誤差對仿真結果的正確性或者準確性進行判斷，如仿真結果未達到要求或未滿足設定的誤差值，可返回至仿真模型并對相應模塊、參數等進行重新修正設置，再重新進行仿真。仿真結果正確與否或誤差值，宜由用戶自行設定。5.3.9生成后置代碼通過“后置模塊”，根據機器人的語言格式要求，生成可執行的作業程序。5.3.10一鍵發送可在仿真環境中，通過一鍵發送功能模塊，將生成的代碼文件或可執行文件發送至實際機器人控制器。版本管理企業根據內部修訂要求完成仿真軟件版本管理工作。

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