工業(yè)機器人在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中起著極其重要的作用。隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人的三維仿真技術(shù)也隨之得到廣泛關(guān)注。通過預(yù)先對機器人及其工作環(huán)境乃至生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬仿真，將機器人的運動方式以動畫的方式顯示出來，直觀的顯示機器人及整個生產(chǎn)線的運動情況，能夠有效地輔助設(shè)計人員進(jìn)行機器人虛擬示教、機器人工作站布局、機器人工作姿態(tài)優(yōu)化。
（1）啟帆工業(yè)機器人系統(tǒng)介紹
啟帆工業(yè)機器人系統(tǒng)主要由機器人本體、機器人控制器和機器人控制軟件三部分組成，如圖1所示。機器人控制系統(tǒng)是先通過示教器來操作運動控制器，運動控制器則通過EtherCAT通信向伺服驅(qū)動器發(fā)出指令來控制機器人六個軸分別運動，庫卡機器人何服電機維修，實現(xiàn)機器人的運動控制。
STS-R6-ECAT控制器由廣州啟帆開發(fā)，借助德國3S公司的RTE實時內(nèi)核實現(xiàn)虛擬PLC功能。該控制器具有接口緊湊，KUKA機器人維修，通用性高等特性，并采用EtherCAT通訊接口實現(xiàn)控制器、IO模塊以及伺服驅(qū)動的數(shù)據(jù)通訊。
圖1啟帆工業(yè)機器人系統(tǒng)
機器人控制軟件（如圖2）是由廣州啟帆獨立開發(fā)，主要包括機器人手動、自動控制、機器人應(yīng)用程序開發(fā)、機器人三維仿真運動等功能。其中機器人三維仿真功能是該控制系統(tǒng)的獨到亮點，可實現(xiàn)先仿真后運行；通過機器人三維仿真能夠比較直觀的觀察機器人狀態(tài)和行走路徑，有效的避免了機器人運動限位、碰撞和運動軌跡中奇異點的出現(xiàn)。通過將機器人仿真程序直接集成到控制器中，保證了仿真結(jié)果與機器人實際的運行情況完全真實可靠。
圖2啟帆機器人控制軟件
（2）機器人三維仿真技術(shù)
機器人仿真系統(tǒng)作為機器人研究和開發(fā)中安全可靠、靈活方便的工具，發(fā)揮著越來越重要的作用。在仿真環(huán)境下，通過對機器人運動進(jìn)行研究及編程驗證，可以實現(xiàn)機器人軌跡規(guī)劃、奇異位姿、逆運動學(xué)有效解、避障算法、甚至多機器協(xié)調(diào)作業(yè)等復(fù)雜功能。
若采用傳統(tǒng)示教器操作機器人，當(dāng)機器人改變工作任務(wù)時，通常需中斷機器人的當(dāng)前工作，先對機器人進(jìn)行示教編程，然后機器人按照新的程序執(zhí)行新的工作。而啟帆公司開發(fā)的新型示教器，借助于機器人仿真系統(tǒng)就可首先在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行離線編程，并通過仿真環(huán)境驗證程序是否正確。最后將編好的程序裝到機器人執(zhí)行器中，機器人便可按照新的程序執(zhí)行新的工作，因此機器人可不必中斷當(dāng)前的工作，從而提高了生產(chǎn)效率，而且這種方法既經(jīng)濟又安全。
圖3中的三維仿真是小屏模式，可以實現(xiàn)邊編程邊仿真功能，能夠避免不必要的錯誤。三維仿真圖中上側(cè)顯示各軸位置信息，坐標(biāo)下方顯示完整軌跡運行周期。軸位置信息根據(jù)坐標(biāo)系不同而不同，關(guān)節(jié)坐標(biāo)時顯示關(guān)節(jié)信息，庫卡機器人何服電機維修，基坐標(biāo)及其他坐標(biāo)顯示空間位置。
圖3機器人三維仿真小屏模式
如圖4所示為三維仿真全屏模式，圖中機器人正按照程序進(jìn)行自動仿真運行（虛軸），同時還可以清晰的看到機器人末端運行軌跡。其中虛軸即為仿真模式，實軸為機器人實際運行模式，該模式下實體機器人進(jìn)行作業(yè)，與此同時仿真機器人進(jìn)行精準(zhǔn)同步運動；實虛軸切換通過圖中右側(cè)的虛軸實軸按鈕進(jìn)行切換。
圖4機器人三維仿真全屏模式
（3）運行實例
為了保證機器人正常作業(yè)，首先采用虛軸模式（如圖5）試運行觀察機器人行走軌跡，并判斷機器人運動是否會出現(xiàn)正負(fù)限位或者速度限制等報警信息；確認(rèn)程序無誤后，在確保使能斷開的情況下切換到實軸模式（如圖6）進(jìn)行實體機器人運行。
圖5運行實例虛軸模式
圖6運行實例實軸模式
（4）定制案例
啟帆機器人控制軟件中的仿真系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制，如在仿真系統(tǒng)中為機器人末端法蘭盤加裝用戶指定的工具并導(dǎo)入相應(yīng)要加工的工件，甚至整個生產(chǎn)線等。下圖是為某高校定制的啟帆機器人仿真系統(tǒng)實驗平臺。
（a）啟帆機器人仿真系統(tǒng)實驗平臺小屏模式
（b）啟帆機器人仿真系統(tǒng)實驗平臺全屏模式（前）
（c）啟帆機器人仿真系統(tǒng)實驗平臺全屏模式（后）