CN103926847A - 一种机器人仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人仿真系统，其包括机器人控制器，所述机器人控制器内部能够加载针对机器人的仿真程序，在该机器人控制器内设置有真实机器人控制单元、辅助用的真实应用程序控制单元、数字机器人模型单元、通用分析平台接口、半物理模型状态寄存器以及远程进程控制接口，该仿真系统还包括独立的通用计算机平台和外部设备，在通用计算机平台内设置有仿真监控界面。通过采用本发明提供的仿真系统，提高整个仿真模拟工作的效率及可靠性，并且在获取真实环境下机器人的动态性能参数情况下，准确地真实地对机器人运动进行仿真模拟。

Description

一种机器人仿真系统

技术领域

本发明涉及一种仿真系统，特别地涉及一种机器人仿真系统。

背景技术

在工业机器人的设计及应用过程中，经常需要用到机器人仿真系统，通过仿真来模拟机器人的状态及性能参数，从而给设计人员提供有效的设计参考，给应用人员以直观的机器人反馈。当前，比较常用的此类系统主要有两大类型，一类通过在普通通用计算机平台上建立完整的仿真环境来实现，其中包括虚拟机器人控制器，虚拟机器人及虚拟工作环境。另外一类仿真系统中，包含了整个机器人硬件系统，并在此基础上额外地设计了一套适用于仿真和分析的辅助软件，以实现使用要求。

在应用过程当中，第一类仿真系统中的模型一般都比较粗糙，在真实的环境中存在的很多因素都无法被包含到模型中去，例如：机器人各个关节处的真实摩擦，机器人在工作环境中所受到的干扰，与其他外部事件的耦合及同步等。因此，基于此类仿真系统所得到的结果数据，只在机器人运动学相关的技术层面上具有参考意义，在机器人动力学性能层面上，无法反映出比较有价值的结果。这类系统一般适合用来在应用过程中验证机器人的运行轨迹是否符合预期。

第二类仿真系统使用了完全真实的硬件系统，通过辅助工具实现模拟。如中国专利CN101751004A，描述了一种利用真实机器人及机床在环的仿真系统，可视化地模拟设备在环境中的运行状态及性能。但是由于真实的机器人系统在物理上有很多性能极限，因此无法利用此种系统来获得机器人在极限状态下的性能。例如：一般机器人每个关节都设有机械式位置限制，一旦机器人强行越过该限位，将对机器人造成不可恢复的损害，甚至引发危险。每个关节的运行速度和加速度也有限制，同样也无法得到在限制范围之外的机器人的动态性能。这类系统一般适合于验证所测试之机器人在极限约束之内的动态性能。

以上两类系统的缺点是在仿真模拟过程中，无法最大化地获得机器人在全环境及约束范围内的真实动态性能，整个应用过程中的效率也比较低下。

发明内容

本发明是为了解决上述仿真系统的问题而设计的。为了验证输入数据的有效性及合理性，设计了纯软件仿真模块，以提高整个仿真模拟工作的效率及可靠性。与机器人相关的可分离硬件设置在仿真环路中，获取真实环境下机器人的动态性能参数。辅助以通用数值分析软件平台接口，方便对仿真数据进行处理及分析。

具体而言，为了解决上述技术问题，本发明提供一种机器人仿真系统，其包括机器人控制器，所述机器人控制器内部能够加载针对机器人的仿真程序，在该机器人控制器内设置有真实机器人控制单元、辅助用的真实应用程序控制单元、数字机器人模型单元、通用分析平台接口、半物理模型状态寄存器以及远程进程控制接口，该仿真系统还包括独立的通用计算机平台，在通用计算机平台内设置有仿真监控界面，同时将仿真监控软件安装在通用计算机平台上，该仿真系统还包括外部设备，其与机器人控制器相连接，外部设备用于进行半物理硬件在环仿真。

优选的是，数字机器人模型单元能够测量计算得到机器人系统中的力及扭矩状态。

优选的是，机器人控制器是通过其内部的远程进程控制接口来与通用计算机平台进行通信的，这样能够使得安装在通用计算机平台上的仿真软件可以获得进入机器人控制器中数字机器人模型单元及半物理模型状态寄存器进行读取的权利，从而获得所有机器人模型相关参数。

优选的是，所述外部设备包括减速器、伺服电机和编码器。

优选的是，该机器人仿真系统还设有时钟、定时器和采样计算单元，其中，通过仿真系统提供的时钟和定时器从而实现对程序真实运行时间的控制，使得数字模型与外部事件之间的同步性能可以达到物理系统应用级别的要求。

优选的是，所述仿真系统能够进行机器人运动仿真，具体是在机器人控制器内部单独进行仿真或者通过与机器人控制器进行通信的通用计算机平台进行仿真。

优选的是，上述仿真包括两个层面的仿真，一种为纯软件层面的软件仿真，第二种是包含半物理模型的硬件在环仿真。

优选的是，上述软件仿真通过仿真系统中机器人控制器内部的数字机器人模型单元进行软件仿真，其中数字机器人模型单元是与真实机器人具有相同几何参数的数字对象，所述仿真的软件前端为三维图形交互式界面。

优选的是，半物理硬件在环仿真通过数字机器人模型单元结合包含在仿真系统中的真实机器人上的外部设备而进行，从而最大化地模拟得到机器人运行过程中的动态参数，分析机器人的运动性能及极限。

本发明还提供一种采用上述任一项技术方案中的机器人仿真系统的仿真方法，具体步骤如下：

仿真过程从开始步骤S1启动，首先进入步骤S2进行轨迹数据导入处理，导入到轨迹数据可以分为三种类型,一种是导入三维设计或仿真软件中的机器人轨迹数据，第二种是通过机器人示教器示教的轨迹数据，第三种是通过解析机器人语言程序获得的轨迹数据；然后进入步骤S3即需要确定是否进行软件仿真，如果选择“是”则进入到步骤S4；在步骤S4处要对所获得的轨迹数据进行轨迹二次处理操作，这种处理操作能够使数据在速度域和加速度域上更加平滑化，以使得处理后的数据在速度域和加速度域上是平滑的，也就是在机器人关节空间中，这两个域上的值是连续的，从而可以使得机器人的驱动部件只需提供连续变化的扭矩及速度，避免引起不必要的机械振动；二次处理操作完毕后，进入到步骤S5进行软件仿真，步骤S5完成后，便已经完成了对输入数据的校验，同时也对机器人的运行过程中的各种状态有了先验知识；然后进入步骤S6选择是否进行半物理模型硬件在环仿真，如果选择“是”，则跳转到S8进行半物理模型硬件在环仿真，此时经过二次处理后的数据直接传递给半物理硬件在环仿真直接使用，这样就可以大大节省仿真所消耗的时间，同时也可以在次过程中过滤出不适合于物理模型的输入数据，防止由极端输入指令引起的物理系统的损坏，如果在步骤S6中选择“否”则进入步骤S10结束本次仿真任务；此外，如果在步骤S3中选择“否”，即不首先进行软件仿真，则跳转到步骤S7首先对轨迹数据进行二次处理操作，然后直接进入步骤S8进行半物理模型硬件在环仿真，步骤S8结束后进入到步骤S9,在步骤S9中需要在得到有效结果后判断是否要进行软件仿真，如果选择“是”则跳转到步骤S5处进行软件仿真，如果选择否，则进入步骤S10直接结束本次仿真任务。

为了提高仿真的效率和精度，本发明首先设计了系统的数字模型，其中包括机器人控制器模型，机器人本体数字模型。其次，设计了机器人负载以及所有的外部接口。

在通用计算机平台上构建了机器人控制器模型，移植了真实机器人控制器所使用的控制算法，软件前端为三维交互式图形界面。对数字机器人模型的操作完全经由该虚拟控制器控制，操作方式也与操作真实的机器人类似。创建机器人虚拟工作环境，以模拟真实机器人的工作环境。

本发明还实现了机器人运动学的正解与逆解运算，在获取了机器人运动轨迹后，首先解算机器人运动学方程的逆解。获取机器人末端执行器的位置之后，计算各个关节轴的对应角度位置。利用计算结果，更新界面中的机器人三维模型的状态。然后在下一个计算循环中，通过计算机器人运动学正解，将机器人当前各个关节轴的坐标，转化为机器人在对应迪卡尔坐标中的位置并将结果与上个计算周期的命令位置进行对比，检验机器人是否得到了正确的控制。在此过程中，通过观察机器人三维模型的状态来检测机器人是否按照预先设定的方式运行，例如：检测机器人运动轨迹，机器人与环境的干涉情况，机器人与外部时间的同步性等。

此外，在本发明中，虚拟控制器的轨迹的输入方式是多样性的，主要包含：通过导入三维设计或仿真软件中的机器人轨迹数据，通过机器人示教器示教，通过解析机器人语言程序获得轨迹数据。经由其中任意一种方式获得的机器人轨迹数据，都要经过二次处理，以使处理后的数据在速度域和加速度域上连续平滑，即在机器人关节空间中，这两个域上的值是连续的。使得机器人的驱动部件只需提供连续变化的扭矩及速度，从而避免激发机器人的振动模态。在软件仿真中，二次处理后的数据可以直接传递给机器人的半物理仿真模块直接使用，这样就有效降低了仿真时间，同时过滤了不适合于物理模型的输入数据，防止由错误的输入指令而引起的物理系统损坏。

数字模型也实现了对外部事件的同步，通过系统提供的时钟和定时器实现对程序真实运行时间的控制，使得数字模型与外部事件之间的同步性能可以达到与物理系统相同级别的要求。

为了调节该环节的仿真效率和仿真精度，数字化机器人控制器还可以对经过二次处理的轨迹数据进行再次采样。可以在保持采样距离不变的情况下，通过增加采样周期来提高仿真速度。也可以在保持采样周期不变的情况下，通过减小采样距离来提高仿真精度。

机器人数字模型还包含简单的机器人动力学模型，通过数值求解动力学方程的方法，计算并观测机器人在运动轨迹上运行时，所需提供的关节驱动扭矩大小。

本系统中的另外一种模型为硬件在环的机器人模型，系统含有真实机器人上的某些关键零部件，例如真实的机器人控制器，机器人伺服系统，减速系统以及机器人负载。这样就可以在建立的模型中，最大化地模拟得到机器人运行过程中的真实动态参数，分析机器人的运动性能极限。

机器人控制器主要负责对机器人驱动系统的控制，等同于控制一台真实的机器人。因为真实机器人上所采用的机器人伺服系统和减速系统都被包含在模型中了。为机器人配置不同的负载，调节驱动器的参数，完成对模型的响应测试。

驱动链中的减速系统可以配置与真实机器人上完全相同的型号，这样就把物理系统中的不确定动力学影响因素包含到系统中，如：转动关节的摩擦，这主要来自关节轴减速系统；减速系统的效率；减速系统扭矩传递的稳定性等。通过直接辨识的方法得到机器人真实的动态模型。

加载在各个关节上的负载也是及其重要的影响系统响应的因素。真实机器人在运行过程中，对应各个关节轴上的负载是时变的，因此对于单关节来说，其模型也是时变的。在本发明中，为各个关节配置了可动态配置的负载。也就是说，在模型运行过程中，这类负载的大小是可以根据需求实时改变的。这样就模拟了机器人在正常运行过程中的负载变化情况，同时可以实现了一些在真实机器人上无法实现的极端负载，最终能够获得机器人在极端负载情况下动态性能。

建立在这两种机器人模型上的仿真模拟是依靠一个仿真管理单元实现的。软件数字模型作为单独的一个模块，被动态地加载到机器人控制器中，通过与控制器的接口实现数据的双向传递，例如经过二次处理的轨迹数据等。通过远程进程控制接口，将仿真系统的监控模块实现在通用计算机平台之上。通过有好的控制界面，非常方便地实现了在两种仿真模式中进行切换。通过中断的方式，实现真实的外部事件与软件数字模型动作的直接同步。

整个系统的数据后处理部分除了一些可以直接观测到的测量之外，均由通用数值分析工具来处理，例如：Matlab。这样在模块中建立了运行时数据存储模块，所有被测量均存储为统一格式，通过平台接口传递到外部存储设备中，以供分析。

附图说明

图1是根据本发明中一个代表性实施例的机器人仿真系统的结构示意图图；

图2是根据本发明中一个代表性实施例的机器人仿真的步骤流程图；

图3是根据本发明中一个代表性实施例的硬件在环仿真中外部设备调用的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图1和2对本发明中一个详细的代表性实施例进行描述。图1是本发明所述的一种机器人仿真系统的一个优选实施例，该仿真系统包括机器人控制器1，所述机器人控制器1内部能够加载针对机器人的仿真程序，在机器人控制器1中安装有仿真工具软件，从而在仿真系统工作时可以实时检测机器人的状态数据；在该机器人控制器1内设置有真实机器人控制单元2、辅助用的真实应用程序控制单元3、数字机器人模型单元5、通用分析平台接口9、半物理模型状态寄存器以及远程进程控制接口4，其中，数字机器人模型单元5能够测量计算得到机器人系统中的力及扭矩状态。

该仿真系统还包括独立的通用计算机平台6，在通用计算机平台6内设置有仿真监控界面7，同时将仿真监控软件安装在通用计算机平台6上，这样，机器人控制器1与通用计算机平台6之间能够通过仿真监控界面7交互完成仿真任务，具体地，机器人控制器1是通过其内部的远程进程控制接口4来与通用计算机平台6进行通信的，这样能够使得安装在通用计算机平台6上的仿真软件可以获得进入机器人控制器1中数字机器人模型单元5及半物理模型状态寄存器进行读取的权利，从而获得所有机器人模型相关参数。该仿真系统还包括外部设备8，其与机器人控制器1相连接，外部设备8用于进行半物理硬件在环仿真，其包括减速器、伺服电机和编码器等。

此外，在该机器人仿真系统中还设有时钟、定时器和采样计算单元，通过仿真系统提供的时钟和定时器从而实现对程序真实运行时间的控制，使得数字模型与外部事件之间的同步性能可以达到物理系统应用级别的要求。

通过采用上述仿真系统，无论是在机器人控制器1内部单独进行仿真，还是通过与机器人控制器1进行通信的通用计算机平台6进行仿真，该仿真系统中进行的仿真程序包括两个层面的仿真，一种为纯软件层面的软件仿真，第二种是包含半物理模型的硬件在环仿真，通常来讲，为了验证输入数据的有效性及合理性，可以先进行纯软件层面的仿真，这样可以在仿真过程中剔除掉一些不良的输入数据，提高单次仿真的成功率，接下来进行的半物理模型硬件仿真可以将真实物理世界中的影响因素包含到仿真中去，以此来提高仿真的真实性。

具体而言，上述仿真任务中软件仿真的核心是与真实机器人控制器单元2相匹配的算法，具体通过仿真系统中机器人控制器1内部的数字机器人模型单元5进行软件仿真，其中数字机器人模型单元5是与真实机器人具有相同几何参数的数字对象。该仿真的软件前端为三维图形交互式界面，对数字模型机器人的操作完全经由该机器人控制器1，操作方式也与操作真实的机器人类似，可以为机器人创建虚拟的工作环境，以模拟真实机器人的生产环境，其中，软件仿真的算法部分主要实现机器人运动学的正解与逆解计算，具体地，在获取了机器人运动轨迹后，首先解算机器人运动学方程的逆解，也就是在获取机器人末端执行器的位置之后，计算各个关节轴的对应角度位置并利用计算得到的结果数据，更新界面中的机器人三维模型的状态，然后在下一个计算循环中，通过计算机器人运动学正解，将机器人当前各个关节轴的坐标，转化为机器人在对应迪卡尔坐标中的位置并将结果与上个计算周期的命令位置进行对比，检验机器人是否得到了正确的控制。在此过程中，同时可以通过观察机器人三维模型的状态来检测机器人是否按照预先设定的方式在运行，例如：机器人运动轨迹，机器人与环境干涉，机器人与外部时间的同步性等。

在上述硬件在环仿真环节中，机器人用的外部设备8是包含在仿真系统内的，例如伺服电机，减速器以及机器人负载等，这样在仿真过程中就可以最大化的模拟出机器人运行时的真实动态响应，例如，如机器人转动关节的摩擦等真实存在又很难用数值手段模拟的因素就能够很方便地囊括进仿真系统了。

具体而言，半物理硬件在环仿真通过数字机器人模型单元5结合包含在仿真系统中的真实机器人上的外部设备8而进行，该外部设备8例如可以是机器人伺服电机，减速器以及机器人负载装置等，这样就可以在建立的硬件仿真模型中，最大化地模拟得到机器人运行过程中的动态参数，分析机器人的运动性能及极限。

在半物理硬件在环仿真中，机器人控制器1主要负责对机器人驱动系统的控制，这与控制一台真实的机器人几乎没有任何区别，因为真实机器人上所采用的机器人伺服电机和减速器都被包含在模型中了，同时可以根据不同级别的机器人负载设置机器人驱动器的参数，测试模型对不同级别负载的响应。

仿真系统的外部设备8中的减速器可以配置与真实机器人上完全相同的型号，这样就可以把物理系统中的不确定随机动力学影响因素包含进去了，例如：转动关节的摩擦，这主要来自关节轴减速系统；减速系统的效率；减速系统扭矩传递的稳定性等。这样，还可以通过直接辨识的方法得到机器人的真实的动态模型。

加载在各个关节上的机器人负载装置所代表的负载也是及其重要的影响系统响应的因素，具体而言，真实机器人在运行过程中，对应各个关节轴上的负载是时变的，因此对于单关节来说，其模型也是时变的。在本发明中，为各个关节配置了可编程的负载，也就是说，在模型运行过程中，这类负载是可以根据预先编制的程序运行的，这样就可以模拟出机器人在正常运行过程中的负载变化情况，同时也可以实现一些在真实机器人上无法实现的极端负载，这样也就能够获得机器人在这种极端负载情况下所表现出来的性能情况。

机器人关节对应的动态负载是很难模拟的因素，它将直接影响到关节的减速器的效率，减速器扭矩传递稳定性参数等重要参数。为此，给各个关节配置了可编程的负载。通过预先设定仿真路径，对关节负载进行全程变化编程，实现对动态负载的模拟，甚至可以模拟出一些真实机器人上无法实现的极端变化的负载。在图3中，动力通过伺服电机11传递给减速器12，通过输出法兰13链接负载安装支架16。在安装支架16上沿周向均布着四个可沿径向移动的负载15，17。在关节轴沿方向14转动的过程中，四个负载就按照预编程序移动了。

总体上，在这两种模型上的仿真模拟是依靠一个仿真管理单元实现的。数字机器人模型单元5作为单独的一个模块，被动态地加载到机器人控制器1中，通过与控制器1的接口实现数据的双向传递，如经过二次处理的轨迹数据等。通过远程进程控制接口4，可以将仿真的监控部分实现在通用计算机平台6之上。通过有好的控制界面，可以非常方便地在两种仿真模式中进行切换，甚至可以通过中断的方式，将真实的外部事件直接同步到软件数字模型的运行当中去。

通过执行软件仿真和半物理硬件在环仿真的两种仿真，系统都会保存大量的运行中机器人数据。这些数据中有一些是比较适合于通过直接观测而得到结果的，那么他们将被以图形的形式直接通过交互界面提供给用户。另外一部分量比较大，相互间关系比较复杂的数据将被存储在指定的文件模块中，通过仿真系统的通用分析平台接口9，导出到通用分析工具中去进行进一步的数值分析，如利用Matlab可以对机器人各个关节的动态响应结果，分别放置到时域及频域中进行研究分析，从而得到各个关节的真实数学模型。

接下来将结合附图详细描述采用本发明的仿真系统进行的具体仿真过程，如图2所示，仿真过程从开始步骤S1启动，首先进入步骤S2进行轨迹数据导入处理，导入到轨迹数据可以分为三种类型,一种是导入三维设计或仿真软件中的机器人轨迹数据，第二种是通过机器人示教器示教的轨迹数据，第三种是通过解析机器人语言程序获得的轨迹数据；然后进入步骤S3即需要确定是否进行软件仿真，如果选择“是”则进入到步骤S4；在步骤S4处要对所获得的轨迹数据进行轨迹二次处理操作，这种处理操作能够使数据在速度域和加速度域上更加平滑化，以使得处理后的数据在速度域和加速度域上是平滑的，也就是在机器人关节空间中，这两个域上的值是连续的，从而可以使得机器人的驱动部件只需提供连续变化的扭矩及速度，避免引起不必要的机械振动；二次处理操作完毕后，进入到步骤S5进行软件仿真，步骤S5完成后，便已经完成了对输入数据的校验，同时也对机器人的运行过程中的各种状态有了先验知识；然后进入步骤S6选择是否进行半物理模型硬件在环仿真，如果选择“是”，则跳转到S8进行半物理模型硬件在环仿真，此时经过二次处理后的数据直接传递给半物理硬件在环仿真直接使用，这样就可以大大节省仿真所消耗的时间。同时也可以在次过程中过滤出不适合于物理模型的输入数据，防止由极端输入指令引起的物理系统的损坏，如果在步骤S6中选择“否”则进入步骤S10结束本次仿真任务。

此外，如果在步骤S3中选择“否”，即不首先进行软件仿真，则跳转到步骤S7首先对轨迹数据进行二次处理操作，然后直接进入步骤S8进行半物理模型硬件在环仿真，步骤S8结束后进入到步骤S9,在步骤S9中需要在得到有效结果后判断是否要进行软件仿真，如果选择“是”则跳转到步骤S5处进行软件仿真，如果选择否，则进入步骤S10直接结束本次仿真任务。

从上述仿真流程可以发现，半物理硬件在环仿真可以在起初就进行，也可以是在完成了软件仿真后再进行的。无论从哪一种方式进行仿真，首先要对轨迹数据进行二次处理以保证输入轨迹数据的有效性。此外，为了调节仿真效率和仿真精度，机器人控制器1还可以对经过二次处理的轨迹数据进行再次采样，这样可以在保持采样距离不变的情况下，增加采样周期以提高仿真速度，也可以在保持采样周期不变的情况下，减小采样距离，提高仿真精度。

本发明的一个代表性实施例参照附图得到了详细的描述。这些详细的描述仅仅给本领域技术人员更进一步的相信内容，以用于实施本发明的优选方面，并且不会对本发明的范围进行限制。仅有权利要求用于确定本发明的保护范围。因此，在前述详细描述中的特征和步骤的结合不是必要的用于在最宽广的范围内实施本发明，并且可替换地仅对本发明的特别详细描述的代表性实施例给出教导。此外，为了获得本发明的附加有用实施例，在说明书中给出教导的各种不同的特征可通过多种方式结合，然而这些方式没有特别地被例举出来。

Claims (10)

1.一种机器人仿真系统，其包括机器人控制器，所述机器人控制器内部能够加载针对机器人的仿真程序，在该机器人控制器内设置有真实机器人控制单元、辅助用的真实应用程序控制单元、数字机器人模型单元、通用分析平台接口、半物理模型状态寄存器以及远程进程控制接口，该仿真系统还包括独立的通用计算机平台，在通用计算机平台内设置有仿真监控界面，同时将仿真监控软件安装在通用计算机平台上，其特征在于：该仿真系统还包括外部设备，其与机器人控制器相连接，外部设备用于进行半物理硬件在环仿真。

2.根据权利要求1所述的机器人仿真系统，其特征在于：数字机器人模型单元能够测量计算得到机器人系统中的力及扭矩状态。

3.根据权利要求2所述的机器人仿真系统，其特征在于：机器人控制器是通过其内部的远程进程控制接口来与通用计算机平台进行通信的，这样能够使得安装在通用计算机平台上的仿真软件可以获得进入机器人控制器中数字机器人模型单元及半物理模型状态寄存器进行读取的权利，从而获得所有机器人模型相关参数。

4.根据权利要求3所述的机器人仿真系统，其特征在于：所述外部设备包括减速器、伺服电机和编码器。

5.根据权利要求4所述的机器人仿真系统，其特征在于：该机器人仿真系统还设有时钟、定时器和采样计算单元，其中，通过仿真系统提供的时钟和定时器从而实现对程序真实运行时间的控制，使得数字模型与外部事件之间的同步性能可以达到物理系统应用级别的要求。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的机器人仿真系统，其特征在于：所述仿真系统能够进行机器人运动仿真，具体是在机器人控制器内部单独进行仿真或者通过与机器人控制器进行通信的通用计算机平台进行仿真。

7.根据权利要求6所述的机器人仿真系统，其特征在于：上述仿真包括两个层面的仿真，一种为纯软件层面的软件仿真，第二种是包含半物理模型的硬件在环仿真。

8.根据权利要求7所述的机器人仿真系统，其特征在于：上述软件仿真通过仿真系统中机器人控制器内部的数字机器人模型单元进行软件仿真，其中数字机器人模型单元是与真实机器人具有相同几何参数的数字对象，所述仿真的软件前端为三维图形交互式界面。

9.根据权利要求8所述的机器人仿真系统，其特征在于：半物理硬件在环仿真通过数字机器人模型单元结合包含在仿真系统中的真实机器人上的外部设备而进行，从而最大化地模拟得到机器人运行过程中的动态参数，分析机器人的运动性能及极限。

10.一种采用权利要求1-9中任一项所述的机器人仿真系统的仿真方法，具体步骤如下：

仿真过程从开始步骤S1启动，首先进入步骤S2进行轨迹数据导入处理，导入到轨迹数据可以分为三种类型,一种是导入三维设计或仿真软件中的机器人轨迹数据，第二种是通过机器人示教器示教的轨迹数据，第三种是通过解析机器人语言程序获得的轨迹数据；然后进入步骤S3即需要确定是否进行软件仿真，如果选择“是”则进入到步骤S4；在步骤S4处要对所获得的轨迹数据进行轨迹二次处理操作，这种处理操作能够使数据在速度域和加速度域上更加平滑化，以使得处理后的数据在速度域和加速度域上是平滑的，也就是在机器人关节空间中，这两个域上的值是连续的，从而可以使得机器人的驱动部件只需提供连续变化的扭矩及速度，避免引起不必要的机械振动；二次处理操作完毕后，进入到步骤S5进行软件仿真，步骤S5完成后，便已经完成了对输入数据的校验，同时也对机器人的运行过程中的各种状态有了先验知识；然后进入步骤S6选择是否进行半物理模型硬件在环仿真，如果选择“是”，则跳转到S8进行半物理模型硬件在环仿真，此时经过二次处理后的数据直接传递给半物理硬件在环仿真直接使用，这样就可以大大节省仿真所消耗的时间，同时也可以在次过程中过滤出不适合于物理模型的输入数据，防止由极端输入指令引起的物理系统的损坏，如果在步骤S6中选择“否”则进入步骤S10结束本次仿真任务；此外，如果在步骤S3中选择“否”，即不首先进行软件仿真，则跳转到步骤S7首先对轨迹数据进行二次处理操作，然后直接进入步骤S8进行半物理模型硬件在环仿真，步骤S8结束后进入到步骤S9,在步骤S9中需要在得到有效结果后判断是否要进行软件仿真，如果选择“是”则跳转到步骤S5处进行软件仿真，如果选择否，则进入步骤S10直接结束本次仿真任务。