CN110154029B - 基于labview的机器人在线控制与仿真测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LABVIEW的机器人在线控制与仿真测试系统，其特征在于，包括测试主机、被测机器人系统、机器人位置验证系统及显示器。本发明的另一个技术方案是提供了一种基于LABVIEW的机器人在线控制与仿真测试方法。与现有技术相比，本发明的优点是：实现机器人自动化测试，不需要人工干预，将运行中的参数实时记录，提高测试效率；测试系统通用性强，只需要将以太网接口换成其他类型的接口，就可以与其他类型的被测系统连接，可重复利用性强，大大节省的成本；根据被测系统的特点灵活搭建测试系统中的一个或多个模块，缩短了测试系统的搭建时间；机器人运行数据可视化，方便测试人员分析，提高工作效率。

Description

基于LABVIEW的机器人在线控制与仿真测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于LABVIEW的机器人在线控制与仿真测试系统及基于该系统的机器人在线控制与仿真测试方法。

背景技术

机器人测试是机器人研发过程中的重要环节，通过测试可以提前发现机器人存在的问题，并及时解决，从而提高机器人的研发效率，提升机器人的质量。一般地，机器人测试包括机器人控制器是否存在问题，机器人本体(包括关节内置编码器)是否存在问题，机器人控制器通过以太网发送的数据是否存在明显的错误帧，机器人内部数据解析是否存在明显的错误等。传统的测试方法以黑盒测试为主，无法直接定位到故障源，使机器人产品研发成本增加，周期变长。

发明内容

本发明的目的是：提供一种机器人在线控制与仿真测试系统及方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于LABVIEW的机器人在线控制与仿真测试系统，其特征在于，包括测试主机、被测机器人系统、机器人位置验证系统及显示器，其中：

被测机器人系统包括机器人本体及控制机器人本体的机器人控制器，机器人控制器通过以太网与测试主机建立数据通信；

机器人位置验证系统，用于获得机器人本体的实际运动数据，并将实际运动数据通过以太网发送给测试主机；

测试主机包括信号采集模块、控制指令生成模块、控制模块、数据解析模块、数据比较模块、机器人仿真模块和机器人状态显示模块：

在线编程得到的机器人运行脚本通过控制模块载入到控制指令生成模块，由控制指令生成模块生成控制脚本，控制脚本通过TCP函数经由以太网发送给机器人控制器，由机器人控制器依据控制脚本控制机器人本体动作；

机器人本体动作过程中，信号采集模块经由以太网采集机器人控制器反馈回的运行参数后发送给控制模块，由控制模块将获得的运行参数转发至数据解析模块；

数据解析模块用于将接收到的数据格式转换为可被机器人仿真模块、机器人状态显示模块和数据比较模块识别的数据；

机器人仿真模块通过LabVIEW的三维图形接口实现，预先建立有机器人本体的三维模型，机器人仿真模块根据接收自数据解析模块的数据基于机器人本体的三维模型实现对机器人运动过程的三维模拟；

机器人状态显示模块用于对接收自数据解析模块的数据进行可视化处理；

数据比较模块用于将获取自数据解析模块的运行参数与获取自机器人位置验证系统的实际运动数据进行对比，通过对比验证机器人本体的重复定位精度；

显示器用于显示机器人仿真模块获得的机器人运动过程的三维模拟图像及机器人状态显示模块获得的可视化运行参数。

优选地，所述机器人位置验证系统包括用于对所述机器人本体的末端位置进行实时跟踪的激光跟踪仪及与激光跟踪仪相连的激光跟踪仪控制器，激光跟踪仪控制器通过以太网与所述测试主机建立数据通信。

本发明的另一个技术方案是提供了一种基于LABVIEW的机器人在线控制与仿真测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在线编程机器人运行脚本，将机器人运行脚本通过控制模块载入到控制指令生成模块，由控制指令生成模块生成控制脚本，控制脚本通过TCP函数经由以太网发送给机器人控制器，由机器人控制器依据控制脚本控制机器人本体动作；

步骤2、在机器人本体动作过程中，由信号采集模块通过以太网接口接收机器人控制器反馈的运行参数，并将运行参数发送到控制模块；

步骤3、控制模块将运行参数传送给数据解析模块，由数据解析模块将运行参数转化为可被机器人仿真模块、机器人状态显示模块和数据比较模块识别的数据；

步骤4、数据解析模块将解析后的运行参数传输给机器人仿真模块、机器人状态显示模块和数据比较模块，机器人仿真模块根据运行参数生成动态的机器人模型，机器人状态显示模块根据运行参数将机器人的重要参数可视化；

同时，机器人位置验证系统跟踪的机器人的实际运动数据，并将实际运动数据反馈至数据比较模块，数据比较模块将实际运动数据与获取自数据解析模块的运行参数进行对比，通过对比验证机器人本体的重复定位精度；

步骤5、由显示器显示动态的机器人模型及机器人的重要参数，并判断机器人是否存在问题，若存在问题，则测试未通过，生成测试报告。

优选地，所述运行参数为字符串格式文件数据，步骤3中，所述数据解析模块将字符串格式文件数据转换为双精度浮点数，包括以下步骤：

步骤301、将字符串格式文件数据转换为十进制数据；

步骤302、将每8个十进制数据分为一组，并取出；

步骤303、将每一组十进制数据转换为对应的64位二进制数；

步骤304、将第一位二进制数解析为符号位，将第二位二进制数到第十二位二进制数解析为整数部分，将其余二进制数解析为小数部分，得到双精度浮点数。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、实现机器人自动化测试，不需要人工干预，将运行中的参数实时记录，提高测试效率；

2、测试系统通用性强，只需要将以太网接口换成其他类型的接口，就可以与其他类型的被测系统连接，可重复利用性强，大大节省的成本；

3、根据被测系统的特点灵活搭建测试系统中的一个或多个模块，缩短了测试系统的搭建时间；

4、机器人运行数据可视化，方便测试人员分析，提高工作效率。

附图说明

图1为机器人在线控制与仿真测试系统架构图；

图2为数据解析流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

随着LabVIEW使用越来越普遍，其在测控方面的优势也逐渐凸显。作为LabVIEW的载体，测试主机的功能是发送指令至被测系统，同时，发送和反馈的数据需要监控。因此，根据需求设计相关的监控程序以及测控程序显得尤为重要。通过设计一种机器人在线控制与仿真测试系统，可以自动化的测试被测系统，监控被测系统的实时数据，同时将机器人运行中的数据实时保存并进行分析，便于测试人员快速发现问题。

本发明提出的机器人在线控制与仿真测试在线控制与仿真测试系统不需要进行人工干预，能够进行自动化测试。同时，该测试方法能将人的测试行为转化为机器执行，能够自动地对被测系统进行高效、准确、快速的测试。

本发明提供一种基于LabVIEW的机器人在线控制与仿真测试在线控制与仿真测试系统，图1为系统架构图。本系统能够检测机器人研发过程中可能存在的问题，提高机器人的研发效率，提升机器人的质量。

被测系统包括机器人控制器、机器人本体和以太网接口，机器人控制器通过以太网接口接收测试主机发送的数据包，并驱动机器人本体运动。

机器人在线控制与仿真测试系统包括信号采集模块、控制指令生成模块、控制模块、数据解析模块、数据比较模块、机器人仿真模块和机器人状态显示模块。其中，信号采集模块可以通过VISA函数或者TCP函数实现。VISA编程接口可以实现测试主机与大多数总线的连接，包括GPIB、USB、串口等，只需要配置极少的函数即可。TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，因此本发明采用TCP函数实现机器人控制器与测试主机之间的通信。测试主机与机器人控制器之间的传输过程包含以下几个步骤：

步骤一：测试主机通过IP地址与端口号，建立侦听，等待机器人控制器接入；

步骤二：机器人控制器根据测试主机的IP地址和端口号发出连接请求；

步骤三：测试主机通过TCP打开函数实现与机器人控制系统之间的连接后，利用TCP读写函数进行TCP数据通信；

步骤四：利用TCP关闭函数关闭以太网连接，断开机器人控制器。

控制指令生成模块通过TCP函数实现。通过TCP函数可以将控制指令生成模块生成的脚本通过以太网接口传输给机器人控制器，机器人控制器根据接收的脚本控制机器人本体运行。

控制模块同时与信号采集模块、控制指令生成模块和数据解析模块连接，负责控制采集信号、发送脚本指令、实现数据解析等功能。

机器人控制器向测试主机发送的数据字符串格式，因此，需要将字符串格式文件数据为十进制数据，以完成数据的监控与分析。数据解析流程如图2所示。

数据比较模块用于接收激光跟踪仪采集的机器人实际位置数据和数据解析模块解析的理想位置数据，通过对比验证机器人的重复定位精度。

机器人仿真模块通过LabVIEW的三维图形接口实现。为了更好的模拟机器人运动，需要借助SOLIDWORKS三维建模软件来建立机器人本体三维模型。SOLIDWORKS具有简单灵活的用户界面和基于特征的实体建模功能，模型建立过程快速便捷。利用SOLDWORKS的VRML接口，实现与LabVIEW之间的数据交换。本发明利用SOLIDWORKS对机器人本体进行三维建模，导出VRML格式的文件，作为LabVIEW三维图形接口的显示模型。运动仿真界面的设计包含以下步骤：

步骤一：在SOLIDWORKS中建立机器人本体三维模型，包括关节、连杆、坐标系等；

步骤二：将建立好的三维模型拆分为6个部分，分为关节1、关节2、关节3、关节4、关节5、关节6，并依次输出为VRML格式文件；

步骤三：利用加载VRML文件函数将VRML格式文件导入到LabVIEW中，并通过平移物体函数配置其初始位置以及旋转中心坐标；

步骤四：利用设置旋转函数配置每个关节旋转过程中的旋转轴；

步骤五：利用WHILE循环结构，实现机器人运动仿真；

步骤六：利用三维图片显示函数，实现机器人三维运动模型的显示。

机器人状态显示模块主要负责监视机器人本体在运动过程中的重要指标，包括机器人状态、安全模式、TCP坐标等。其中，TCP坐标在整个测试系统中最为重要，是计算机器人重复定位精度的核心指标。在机器人本体运动过程中，机器人控制器会实时向测试主机发送机器人本体的TCP坐标，测试主机将接收的TCP坐标解析出来，记为理想的坐标位置，为后续计算机器人重复定位精度做准备。

机器人位置验证系统包括激光跟踪仪和激光跟踪仪控制器和以太网接口。当机器人本体运动时，激光跟踪仪实时跟踪机器人末端位置，并将数据传至激光跟踪仪控制器。最后激光跟踪仪控制器通过以太网接口将机器人的位置信息发给数据比较模块，验证机器人的重复定位精度。

最后，将测试主机搭建的模型和采集的数据可视化。因此，本系统将被测系统的实时参数信息在显示器上实时显示，避免了人为的猜测和人眼观测的不准确。机器人在线控制与仿真测试在线控制与仿真测试系统测试的具体流程一般包含以下几个步骤：

a)通过电源模块为测试主机和显示器供电；

b)在线编程机器人运行脚本，并实时验证机器人是否按照预定的方式运动；

c)测试主机通过以太网接口同时连接测试主机与机器人位置验证系统；

d)将机器人脚本通过控制模块载入到控制指令生成模块，并通过以太网接口传输给机器人控制器；

e)信号采集模块通过以太网接口接收机器人反馈的参数，包括机器人运行时间、机器人实时的关节角度等参数，并发送到控制模块；

f)控制模块通过总线将机器人反馈的参数信息传送给数据解析模块，并转化为双精度浮点数；

g)数据解析模块将解析的双精度浮点数传输给机器人仿真模块和机器人状态显示模块，机器人仿真模块根据双精度浮点数生成动态的机器人模型，机器人状态显示模块根据双精度浮点数将机器人的重要参数可视化；

h)测试主机通过DVI接口将动态的机器人模型和机器人的重要参数传送给显示器，显示器实时显示机器人及其参数的动态变化。

i)经过长时间运行(72h)，根据机器人及其参数的动态变化，分析机器人在运行过程中可能存在的问题，包括定位精度、电压变化、电流变化、关节角度变化等；

j)若需要，可以通过以太网接口将激光跟踪仪跟踪的机器人实际的TCP坐标采集到测试主机，并与机器人控制器反馈的TCP坐标进行比较，计算机器人的绝对定位精度；

k)若机器人存在问题，则测试未通过；

l)生成测试报告；

m)将测试系统断电。

Claims (4)

1.一种基于LABVIEW的机器人在线控制与仿真测试系统，其特征在于，包括测试主机、被测机器人系统、机器人位置验证系统及显示器，其中：

被测机器人系统包括机器人本体及控制机器人本体的机器人控制器，机器人控制器通过以太网与测试主机建立数据通信；

机器人位置验证系统，用于获得机器人本体的实际运动数据，并将实际运动数据通过以太网发送给测试主机；

测试主机包括信号采集模块、控制指令生成模块、控制模块、数据解析模块、数据比较模块、机器人仿真模块和机器人状态显示模块：

在线编程得到的机器人运行脚本通过控制模块载入到控制指令生成模块，由控制指令生成模块生成控制脚本，控制脚本通过TCP函数经由以太网发送给机器人控制器，由机器人控制器依据控制脚本控制机器人本体动作；

机器人本体动作过程中，信号采集模块经由以太网采集机器人控制器反馈回的运行参数后发送给控制模块，由控制模块将获得的运行参数转发至数据解析模块；

数据解析模块用于将接收到的数据格式转换为可被机器人仿真模块、机器人状态显示模块和数据比较模块识别的数据；

机器人仿真模块通过LabVIEW的三维图形接口实现，预先建立有机器人本体的三维模型，机器人仿真模块根据接收自数据解析模块的数据基于机器人本体的三维模型实现对机器人运动过程的三维模拟；

机器人状态显示模块用于对接收自数据解析模块的数据进行可视化处理；

数据比较模块用于将获取自数据解析模块的运行参数与获取自机器人位置验证系统的实际运动数据进行对比，通过对比验证机器人本体的重复定位精度；

显示器用于显示机器人仿真模块获得的机器人运动过程的三维模拟图像及机器人状态显示模块获得的可视化运行参数。

2.如权利要求1所述的一种基于LABVIEW的机器人在线控制与仿真测试系统，其特征在于，所述机器人位置验证系统包括用于对所述机器人本体的末端位置进行实时跟踪的激光跟踪仪及与激光跟踪仪相连的激光跟踪仪控制器，激光跟踪仪控制器通过以太网与所述测试主机建立数据通信。

3.一种基于LABVIEW的机器人在线控制与仿真测试方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于LABVIEW的机器人在线控制与仿真测试系统，包括以下步骤：

步骤1、在线编程机器人运行脚本，将机器人运行脚本通过控制模块载入到控制指令生成模块，由控制指令生成模块生成控制脚本，控制脚本通过TCP函数经由以太网发送给机器人控制器，由机器人控制器依据控制脚本控制机器人本体动作；

步骤2、在机器人本体动作过程中，由信号采集模块通过以太网接口接收机器人控制器反馈的运行参数，并将运行参数发送到控制模块；

步骤3、控制模块将运行参数传送给数据解析模块，由数据解析模块将运行参数转化为可被机器人仿真模块、机器人状态显示模块和数据比较模块识别的数据；

步骤4、数据解析模块将解析后的运行参数传输给机器人仿真模块、机器人状态显示模块和数据比较模块，机器人仿真模块根据运行参数生成动态的机器人模型，机器人状态显示模块根据运行参数将机器人的重要参数可视化；

同时，机器人位置验证系统跟踪的机器人的实际运动数据，并将实际运动数据反馈至数据比较模块，数据比较模块将实际运动数据与获取自数据解析模块的运行参数进行对比，通过对比验证机器人本体的重复定位精度；

步骤5、由显示器显示动态的机器人模型及机器人的重要参数，并判断机器人是否存在问题，若存在问题，则测试未通过，生成测试报告。

4.如权利要求3所述的一种基于LABVIEW的机器人在线控制与仿真测试方法，其特征在于，所述运行参数为字符串格式文件数据，步骤3中，所述数据解析模块将字符串格式文件数据转换为双精度浮点数，包括以下步骤：

步骤301、将字符串格式文件数据转换为十进制数据；

步骤302、将每8个十进制数据分为一组，并取出；

步骤303、将每一组十进制数据转换为对应的64位二进制数；

步骤304、将第一位二进制数解析为符号位，将第二位二进制数到第十二位二进制数解析为整数部分，将其余二进制数解析为小数部分，得到双精度浮点数。