《工業(yè)應(yīng)用移動機(jī)器人 復(fù)合機(jī)器人仿真技術(shù)要求》（征求意見稿）

1T/SAITAXXXX—XXXX工業(yè)應(yīng)用移動機(jī)器人復(fù)合機(jī)器人仿真技術(shù)通用要求本文件規(guī)定了應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用的復(fù)合機(jī)器人仿真技術(shù)的基本要求、技術(shù)要求和版本管理。本文件適用于工業(yè)移動機(jī)器人中復(fù)合機(jī)器人仿真技術(shù)的仿真應(yīng)用。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)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(yīng)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(jī)器人與機(jī)器人裝備詞匯3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1移動機(jī)器人mobilerobot基于自身控制、可移動的機(jī)器人。[GB/T12643-2013/ISO8373:2012，2.13]3.2復(fù)合機(jī)器人compositerobot移動底盤上安裝有協(xié)作機(jī)械臂，并在機(jī)械臂末端安裝有末端執(zhí)行器（GB/T12643-2013/ISO8373:20123.11）的機(jī)器人。4基本要求復(fù)合機(jī)器人仿真技術(shù)，應(yīng)從與實際應(yīng)用場景和要求盡量相符合的角度出發(fā)進(jìn)行建模仿真，并以可為實際機(jī)器人現(xiàn)場部署工作提供指導(dǎo)或幫助解決實際問題為出發(fā)點，建模、仿真過程應(yīng)基于豐富的資源庫并允許用戶自己建模，在人機(jī)交互良好的軟件界面上開展。仿真結(jié)果應(yīng)直觀呈現(xiàn)，或宜以數(shù)據(jù)、曲線、圖表等結(jié)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。5技術(shù)要求仿真技術(shù)通用要求在仿真軟件中體現(xiàn)，包含軟件界面、軟件組成和仿真工作流程。5.1軟件界面T/SAITAXXXX—XXXX2軟件界面宜參照圖1所示界面。圖1軟件界面軟件界面應(yīng)包含菜單及功能區(qū)、基礎(chǔ)資源庫及工具界面、2D/3D仿真環(huán)境/在線程序編輯、交互及屬性區(qū)和狀態(tài)及信息提示區(qū)。a)菜單及功能區(qū)：位于頂部，提供文件、編輯、視圖和高級功能模塊等功能；b)基礎(chǔ)資源庫及工具界面：位于菜單及功能區(qū)下方左側(cè)，以圖標(biāo)形式提供常用功能的快捷入口；c)2D/3D仿真環(huán)境/在線程序編輯：中央工作區(qū)，支持任務(wù)執(zhí)行和布局自定義；d)狀態(tài)及信息提示區(qū)：位于底部，實時顯示任務(wù)進(jìn)度、仿真狀態(tài)、出錯信息和提示信息。e)交互及屬性區(qū)：位于菜單及功能區(qū)下方右側(cè)，可顯示對應(yīng)功能模塊的屬性參數(shù)，可允許用戶設(shè)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(yīng)包括以下功能模塊和算法庫：a)基礎(chǔ)資源庫模塊；b)路徑規(guī)劃及調(diào)度算法庫；c)仿真模塊；d)后置模塊；e)自定義功能模塊；f)地圖庫；g)避障算法庫；h)訂單任務(wù)模塊；i)節(jié)拍編輯模塊；j)機(jī)械臂操作資源模塊；k)安全模塊；l)可導(dǎo)入第三方模型，如：.stp、.obj、.vrml或.stl等格式文件；m)高級功能模塊庫。5.2.1基礎(chǔ)資源庫模塊T/SAITAXXXX—XXXX3基礎(chǔ)資源庫模塊宜包含如下模塊。a）基礎(chǔ)功能庫，包括但不限于如下功能庫：l“移動行走”功能庫包含行走模塊，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎模塊包含U形轉(zhuǎn)彎，L形轉(zhuǎn)彎；掉頭模塊包含原地掉頭、前進(jìn)模塊和后退模塊；l“自主避障”功能庫包含障礙物大小尺寸設(shè)置、位置標(biāo)定、距離設(shè)置，繞障方式設(shè)定，障礙物識別，動態(tài)障礙物模型及參數(shù)設(shè)置。l“激光導(dǎo)航”功能庫包含激光傳感器類型、規(guī)格、安裝位置、導(dǎo)航方式如三點導(dǎo)航；l“視覺伺服”功能庫包含視覺傳感器類型、規(guī)格、安裝位置、速度限制參數(shù)、加速度限制參數(shù)；l“物料拾取”功能庫包含移動拾取、靜止拾取、手爪類型及參數(shù)、位置坐標(biāo)設(shè)定、末端軌跡參l“物料放置”功能庫包含移動放置、靜止放置、位置坐標(biāo)設(shè)定、末端軌跡參數(shù)。b）部件模型資源模塊：l通信數(shù)據(jù)包資源模塊，復(fù)合機(jī)器人與調(diào)度系統(tǒng)交互的通信數(shù)據(jù)包模塊，調(diào)度系統(tǒng)與外部系統(tǒng)交互的通信數(shù)據(jù)包模塊；l輔助執(zhí)行以上任務(wù)涉及的仿真過程中的設(shè)備模型庫，包含但不限于PLC、傳輸帶、狀態(tài)機(jī)等；l服務(wù)接口方式庫，調(diào)度系統(tǒng)與機(jī)器人之間的接口交互協(xié)議方式，例如，報文通信接口（TCP/IP，UDP），WebAPI服務(wù)接口，WebService服務(wù)接口，動態(tài)鏈接庫SDK等；l傳感器模型庫，包含可模擬實際傳感器輸出數(shù)據(jù)的主流傳感器模塊，如激光雷達(dá)，相機(jī)，IMU，GPS等；l復(fù)合機(jī)器人零部件模型庫，包含常用的如差速驅(qū)動輪轂?zāi)K，麥克納姆輪模塊等，又如各類關(guān)節(jié)模組模塊等；l應(yīng)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(shù)據(jù)交互接口。5.2.2路徑規(guī)劃及調(diào)度算法庫路徑規(guī)劃及調(diào)度算法庫模塊應(yīng)包含起點位置、中間位置和終點位置設(shè)定，同時應(yīng)具備下列功能：a)兩點間路徑最短/最優(yōu)規(guī)劃功能；b)同一條路徑時間最短/最優(yōu)規(guī)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(yōu)化速度曲線，使得總的運動時間最短。c)基于指定時間節(jié)點、指定點路徑規(guī)劃功能；d)基于生產(chǎn)線工藝順序要求的路徑規(guī)劃功能；e)基于多機(jī)器人同時運行的路徑規(guī)劃功能；f)基于優(yōu)先級設(shè)定的路徑規(guī)劃功能；g)具備CAM功能，能夠根據(jù)CAD模型進(jìn)行軌跡規(guī)劃。5.2.3仿真模塊仿真模塊宜包含以下功能：a)機(jī)器人沿規(guī)劃軌跡模擬的仿真功能；b)機(jī)器人仿真模擬出錯信息提示；T/SAITAXXXX—XXXX4c)仿真速率調(diào)整；d)仿真碰撞檢測；e)仿真自動避障檢測；f)仿真機(jī)器人運行時間、進(jìn)度、行駛路徑長度、避障信息等的展示界面；g)支持外部算法導(dǎo)入仿真環(huán)境的模塊或插件；h)支持外部點云地圖導(dǎo)入仿真環(huán)境的模塊或插件；i)支持外部零部件設(shè)計模塊導(dǎo)入仿真環(huán)境的模塊或插件；j)仿真運行時間設(shè)置模塊；k)可進(jìn)行速度/加速度分析、力學(xué)或動力學(xué)分析等高級仿真分析功能；l)可兼容NVIDIAIsaacSim中導(dǎo)出的模型格式。5.2.4后置模塊后置模塊宜包含以下功能：a）根據(jù)軌跡、坐標(biāo)系等信息生成機(jī)器人可執(zhí)行的通用代碼語言功能；b）支持主流品牌機(jī)器人編程語法規(guī)則和機(jī)器人指令規(guī)則模塊導(dǎo)入，可生成對應(yīng)品牌機(jī)器人可執(zhí)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(jìn)行編輯，以符合實際需要；c）后置代碼應(yīng)能以文件數(shù)據(jù)包形式導(dǎo)出，或支持一鍵發(fā)送至真實機(jī)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(yè)應(yīng)用復(fù)合機(jī)器人仿真應(yīng)用的一個要素，其子要素包含自定義復(fù)合機(jī)器人功能、自定義機(jī)械臂功能，自定義末端拾取結(jié)構(gòu)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(yīng)支持三維模型導(dǎo)入，包括以下內(nèi)容。a)根據(jù)輸入的參數(shù)定義仿真軟件中復(fù)合機(jī)器人模型，包括以下：l三維模型：模型宜符合STEPPart203標(biāo)準(zhǔn)；l移動速度：需要根據(jù)移動類型（直線運動，圓弧運動或者轉(zhuǎn)彎運動）和負(fù)載情況（環(huán)境因素、外部負(fù)載結(jié)構(gòu)種類，負(fù)載大小和重心高度等）進(jìn)行合理限定，單位：米/分鐘（m/min）。b)定位偏差：可對仿真環(huán)境中機(jī)器人的定位偏差進(jìn)行設(shè)定：l偏差單位：位移定位偏差單位：毫米（mm）；l旋轉(zhuǎn)定位偏差單位：度(°)。c)導(dǎo)航方式：l磁帶導(dǎo)航；l磁釘導(dǎo)航；l光學(xué)導(dǎo)航；l二維碼導(dǎo)航；l坐標(biāo)導(dǎo)航；l激光導(dǎo)航；T/SAITAXXXX—XXXX5l視覺導(dǎo)航；l基站導(dǎo)航；lGPS導(dǎo)航。d)轉(zhuǎn)彎半徑：根據(jù)驅(qū)動輪運動結(jié)構(gòu)和布局結(jié)構(gòu)確定：l根據(jù)地面條件確定；l根據(jù)負(fù)載結(jié)構(gòu)，負(fù)載重量及負(fù)載重心高度確定。e)驅(qū)動輪類型：l差速結(jié)構(gòu)驅(qū)動；l舵輪結(jié)構(gòu)驅(qū)動；l麥克納姆輪結(jié)構(gòu)驅(qū)動；l履帶結(jié)構(gòu)驅(qū)動。5.2.5.3自定義機(jī)械臂功能根據(jù)輸入的參數(shù)定義仿真軟件中的機(jī)械臂模型，參數(shù)應(yīng)包括以下內(nèi)容。a）三維模型：模型宜符合STEPPart203標(biāo)準(zhǔn)；b）連桿結(jié)構(gòu)配置；c）軸運動參數(shù)，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(xué)解算：l運動學(xué)正解（GB/T12643-2013/ISO8373:20124.1）；l運動學(xué)逆解（GB/T12643-2013/ISO8373:20124.2）。e）D-H解算方法參數(shù)：l連桿長度；l連桿扭轉(zhuǎn)角；l連桿偏移量；l關(guān)節(jié)角度。5.2.5.4自定義末端拾取結(jié)構(gòu)根據(jù)輸入的參數(shù)定義仿真軟件中零件模型，參數(shù)應(yīng)包括：a）三維模型：宜符合STEPPart203標(biāo)準(zhǔn)；b）末端拾取動力驅(qū)動種類；c）末端拾取起始位置，傳動機(jī)構(gòu)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(jù)需要仿真的場景要求設(shè)置仿真環(huán)境，或定義場景參數(shù)：a）場景環(huán)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(yè)約束；d）場景地圖條件。T/SAITAXXXX—XXXX65.2.6地圖庫仿真環(huán)境中采用的地圖數(shù)據(jù)庫，應(yīng)包括以下來源：a）包括典型應(yīng)用場景的示例地圖庫或歷史導(dǎo)入、編輯的應(yīng)用場景庫；導(dǎo)入的點云地圖數(shù)據(jù)庫；b）典型示例地圖庫包括：典型生產(chǎn)車間示例地圖庫和典型生產(chǎn)流水線示例地圖庫等，可為用戶熟悉仿真環(huán)境、學(xué)習(xí)仿真流程提供幫助，應(yīng)允許用戶基于實際場景要求進(jìn)行編輯修改。5.2.7避障算法庫復(fù)合機(jī)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(fù)建模，允許用戶導(dǎo)入或自建相應(yīng)功能的算法庫或模塊庫。5.2.8訂單任務(wù)模塊對復(fù)合機(jī)器人進(jìn)行任務(wù)分單指派的訂單任務(wù)模塊，主要包括復(fù)合機(jī)器人的移動和操作的目標(biāo)點位、移動和操作的節(jié)拍要求，任務(wù)類型，應(yīng)允許對移動行為和操作行為的參數(shù)分別進(jìn)行編輯。5.2.9節(jié)拍編輯模塊可對復(fù)合機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時的時間、運行區(qū)間、運行目標(biāo)點和操作目標(biāo)點等模塊進(jìn)行規(guī)定和條件約束，應(yīng)允許編輯，滿足對復(fù)合機(jī)器人移動節(jié)拍和操作節(jié)拍的要求。5.2.10機(jī)械臂操作資源模塊專用于對復(fù)合機(jī)器人本體上搭載的機(jī)械臂操作動作進(jìn)行控制和編輯的模塊庫，應(yīng)包括以下內(nèi)容。a）校準(zhǔn)模塊，通過模型上的點位數(shù)據(jù)，匹配真實環(huán)境與機(jī)械臂操作環(huán)境中模型位置，宜包含三點校準(zhǔn)模塊、多點校準(zhǔn)模塊或點云校準(zhǔn)模塊等；b）軌跡模塊，生成機(jī)械臂軌跡及可對其進(jìn)行編輯的模塊；c）后置代碼模塊，可單獨生成機(jī)械臂軌跡控制程序。5.2.11安全模塊專用于對復(fù)合機(jī)器人的移動、操作進(jìn)行安全性限定和設(shè)置的功能模塊，包括以下內(nèi)容。a）可對機(jī)器人移動區(qū)域、點位、移動速度、加速度等進(jìn)行設(shè)定或約束；b)可對復(fù)合機(jī)器人的機(jī)械臂末端操作空間范圍、操作區(qū)域進(jìn)行限定或約束；c)可對機(jī)器人的行為安全設(shè)定外部觸發(fā)條件，且該條件可是多序列、多類型觸發(fā)。5.2.12高級功能模塊庫宜包含為實現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)更復(fù)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：a)移動、操作協(xié)同控制算法庫；b)多機(jī)器人協(xié)同控制算法庫；c)可導(dǎo)入第三方模型，如：.stp、.obj、.vrml或.stl等格式文件；d)真實機(jī)器人與仿真系統(tǒng)在線仿真功能庫；e)在線代碼編輯功能庫或可基于仿真環(huán)境進(jìn)行在線二次開發(fā)功能庫；f)真實感呈現(xiàn)仿真模塊仿真效果，如可仿真呈現(xiàn)焊接起弧、火焰切割、噴涂粒子等效果；g)機(jī)器人虛擬控制器數(shù)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(qiáng)仿真效果及保證仿真結(jié)果正確。5.3仿真工作流程T/SAITAXXXX—XXXX7在仿真軟件中建立仿真模型及進(jìn)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(dǎo)入選擇導(dǎo)入已建好的場景地圖，或在仿真環(huán)境中自定義、自建場景地圖。5.3.2場景搭建可導(dǎo)入已有場景地圖；或通過“地圖庫”中的元素模塊，根據(jù)實際工作環(huán)境，進(jìn)行場景搭建，實現(xiàn)機(jī)器人可行駛區(qū)域、禁止行駛區(qū)域、設(shè)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(yīng)的模塊庫，進(jìn)行建模。5.3.3.1通過“基礎(chǔ)資源庫模塊”檢索仿真所需要的機(jī)器人、工具、設(shè)備的實體數(shù)字模型，并調(diào)用至操作環(huán)境。5.3.3.2若“基礎(chǔ)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(shè)計模型并定義相應(yīng)參數(shù)。5.3.4模型導(dǎo)入、移動、操作行為搭建、編輯通過模型導(dǎo)入、路徑規(guī)劃、避障算法庫、調(diào)度算法庫、訂單任務(wù)模塊、節(jié)拍編輯模塊等，進(jìn)行移動、操作行為搭建、編輯，實現(xiàn)機(jī)器人、設(shè)備、行駛路線等就位。5.3.5標(biāo)定及設(shè)置根據(jù)機(jī)器人實際運行點位數(shù)據(jù)及節(jié)拍要求，對操作環(huán)境中的對應(yīng)點位，包括機(jī)器人起始點等進(jìn)行標(biāo)定及設(shè)置。T/SAITAXXXX—XXXX85.3.6路徑規(guī)劃與編輯對復(fù)合機(jī)器人的移動路徑和機(jī)械臂的末端動作軌跡參數(shù)進(jìn)行設(shè)置或編輯。a)通過“路徑規(guī)劃”，確定“坐標(biāo)系”、“點”、“線”、“面”等要素，在“操作環(huán)境”中生成機(jī)器人離線作業(yè)路徑。b)通過路徑規(guī)劃（如起點、中間若干路徑節(jié)點、終點等），優(yōu)化任務(wù)程序，實現(xiàn)最佳移動、作業(yè)過程。5.3.7仿真模型建立完整之后，可開始仿真執(zhí)行過程。5.3.7.1通過“仿真模塊”，在“操作環(huán)境”中對機(jī)器人的移動、作業(yè)程序進(jìn)行模擬，驗證程序的正確性。5.3.7.2若仿真結(jié)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(guī)劃”重新進(jìn)行作業(yè)路徑優(yōu)化。5.3.8仿真結(jié)果正確/滿足誤差對仿真結(jié)果的正確性或者準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷，如仿真結(jié)果未達(dá)到要求或未滿足設(shè)定的誤差值，可返回至仿真模型并對相應(yīng)模塊、參數(shù)等進(jìn)行重新修正設(shè)置，再重新進(jìn)行仿真。仿