基于工業(yè)機器人生產(chǎn)線的三維仿真關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)構(gòu)建研究

摘 要：當(dāng)前，三維仿真技術(shù)已是“第四次工業(yè)革命”研發(fā)的核心技術(shù)，成為分析、研究各種復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具。國外已將其作為常用的規(guī)劃設(shè)計和分析手段，運用到制造業(yè)、工程機械、航空航天等領(lǐng)域，而在國內(nèi)，該技術(shù)的應(yīng)用基本處于起步階段。隨著全球化經(jīng)濟競爭的日益激烈，國內(nèi)制造業(yè)企業(yè)面臨著轉(zhuǎn)型或升級的問題，對企業(yè)來說，規(guī)劃與設(shè)計一個直觀、高效、科學(xué)、節(jié)能、安全的三維可視化評估方案尤其重要。因此，三維仿真關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用具有很強的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：三維仿真；機器人生產(chǎn)線；工業(yè)4.0

中圖分類號：TP242.2；TP391.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）04-0173-03

Research and Application of Key Technology of 3D Simulation Based on

Industrial Robot Production Line

ZHU Dongyong

（Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Hangzhou 310053，China）

Abstract：At present，3D simulation technology is the core technology of the “fourth industrial revolution”，which has become an important tool for analyzing and studying all kinds of complex systems. Abroad has been used as a common planning design and analysis tools，the use of manufacturing，engineering machinery，aerospace and other fields. In China，the application of this technology is still in the initial stage. With the increasingly fierce competition in the global economy，the domestic manufacturing enterprises are facing the problem of transformation or upgrading，for enterprises，planning and designing an intuitive，efficient，scientific，energy-saving and safe three-dimensional visualization evaluation scheme is particularly important. Therefore，the research and application of key technologies of three-dimensional simulation has a strong practical significance.

Keywords：3D simulation；robot production line；industry 4.0

0 引 言

我國在經(jīng)歷了改革開放以來的經(jīng)濟高速增長后，制造業(yè)結(jié)構(gòu)的不合理問題越發(fā)突出，如今國家工業(yè)4.0概念提出，引領(lǐng)國內(nèi)制造業(yè)向工業(yè)化和互聯(lián)網(wǎng)化融合道路發(fā)展，面對大部分勞動密集型企業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的需要，急需推動工業(yè)機器人生產(chǎn)線進程，而規(guī)劃與設(shè)計工業(yè)機器人生產(chǎn)線是眾多勞動密集型企業(yè)要迫切解決問題。因此，對企業(yè)來說，提供一個直觀、高效、科學(xué)、安全、節(jié)能的工業(yè)機器人生產(chǎn)線規(guī)劃與設(shè)計方案尤其重要，而三維仿真技術(shù)無疑為轉(zhuǎn)型或升級企業(yè)的決策提供了重要參考依據(jù)。

1 三維仿真技術(shù)的內(nèi)容

三維仿真技術(shù)又稱三維虛擬技術(shù)，是指以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，運用計算機技術(shù)生成的一個逼真的、具有多種可視的虛擬環(huán)境。簡單地說，三維仿真技術(shù)是對系統(tǒng)模型的一種試驗技術(shù)，其實質(zhì)是進行建模和實驗。它利用計算機技術(shù)提供了一種計算工具和分析工具，是解決許多問題的一種實驗性新方法。就三維仿真本身而言，它的主要研究內(nèi)容為：

（1）通過計算機圖形方式建立動態(tài)的三維可視化效果；

（2）建立對虛擬世界的觀察界面；

（3）使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)加強諸如科學(xué)計算技術(shù)等方面的應(yīng)用。

2 面向食品機器人生產(chǎn)線三維仿真關(guān)鍵技術(shù)的數(shù)據(jù)構(gòu)建

在食品機器人生產(chǎn)線三維仿真設(shè)計中，構(gòu)建了三維仿真關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)，主要包括結(jié)構(gòu)原理分析技術(shù)、三維建模關(guān)鍵技術(shù)、三維動畫關(guān)鍵技術(shù)、三維場景渲染關(guān)鍵技術(shù)、后期合成關(guān)鍵技術(shù)，三維仿真關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)構(gòu)建如圖1所示。具體利用三維仿真技術(shù)全方位展示食品機器人生產(chǎn)線的運轉(zhuǎn)原理、工藝布局、裝配輸送等過程，以達到生產(chǎn)線的改造與升級，提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品品質(zhì)。

2.1 結(jié)構(gòu)原理分析技術(shù)

在結(jié)構(gòu)原理分析技術(shù)中，運用“MAS多體分析”方法分析食品機器人的外形和內(nèi)部構(gòu)造，把機器人設(shè)計原理、工作過程、動力系統(tǒng)、性能特征等通過相關(guān)數(shù)據(jù)圖表呈現(xiàn)出來，為三維仿真設(shè)計做好前期工作。“MAS多體分析”方法主要包括靜力學(xué)分析、驅(qū)動學(xué)分析、動力學(xué)分析、裝配體分析、逆動力學(xué)分析（反向動力學(xué)分析）、線性系統(tǒng)分析。MAS多體分析系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 三維建模關(guān)鍵技術(shù)

三維建模關(guān)鍵技術(shù)是通過運用Maya軟件創(chuàng)建三維模型，力求各部件結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，同時需要解決大數(shù)據(jù)建模運算與計算機硬件資源有限性的問題，為此在三維建模中，可以通過以下方法減少模型運行數(shù)據(jù)量，提高模型制作品質(zhì)與效率：

（1）采用“軟邊”技術(shù)。通過“分類比較法”（分類比較法實例如圖3所示），發(fā)現(xiàn)“倒角細(xì)分技術(shù)（A-模）”與“平滑細(xì)分技術(shù)（B-模）”這兩種技術(shù)難以使機器人模型質(zhì)量達到平衡點，藍模面數(shù)少但質(zhì)量差，黃模質(zhì)量好但面數(shù)多的問題，通過技術(shù)創(chuàng)新，把游戲軟邊技術(shù)應(yīng)用到機器人模型中，實現(xiàn)機器人模型軟邊效果（C-模），既能控制面數(shù)，又能達到工業(yè)級產(chǎn)品質(zhì)量；

（2）采用“交互式顯示”技術(shù)。該技術(shù)能夠在交互操作中讓模型以線框顯示，操作結(jié)束以實體顯示，極大地節(jié)省了操作中運行的數(shù)據(jù)量。

2.3 三維動畫關(guān)鍵技術(shù)

三維動畫關(guān)鍵技術(shù)主要包括運動控制系統(tǒng)設(shè)定和動畫制作技術(shù)。首先，需為機器人設(shè)定運動控制系統(tǒng)或稱為綁定系統(tǒng)，通過骨骼、晶格、簇、變形、腳本等工具命令設(shè)置各運動鏈正向、反向、驅(qū)動、阻能等功能，然后使用蒙皮技術(shù)，讓骨骼等控制器驅(qū)動機械模型；其次，在動畫制作中采用“逐幀關(guān)鍵幀”方式，使仿真動畫精準(zhǔn)度大幅度提高，同時創(chuàng)新動畫制作技術(shù)——“機械動畫分層非線性技術(shù)”，它使不同組件動畫數(shù)據(jù)存儲在動畫層里，不受時間線約束，可以反復(fù)調(diào)用動畫數(shù)據(jù)，此技術(shù)有效節(jié)省了項目制作周期，也節(jié)約了成本。

2.4 三維場景渲染關(guān)鍵技術(shù)

三維場景渲染關(guān)鍵技術(shù)主要涉及場景預(yù)渲染技術(shù)。場景預(yù)渲染（Render）是三維虛擬圖形學(xué)的專業(yè)術(shù)語，它是利用GPU從模型生成圖像的過程，涉及三維物體的幾何、紋理、顏色以及照明信息描述。在場景渲染中，采用Mental ray渲染器渲染，它能實現(xiàn)三維仿真高質(zhì)量效果，但需要解決大數(shù)據(jù)物理渲染與計算機硬件資源有限的問題，經(jīng)大量數(shù)據(jù)實驗與分析，使用“分布節(jié)點式”渲染方法（如圖4所示），它是基于大數(shù)據(jù)云計算的概念，可以將一個或者多個渲染任務(wù)分割成若干部分，由集群中各節(jié)點同時渲染，從而達到快速渲染和提高制作效率的目的。

2.5 后期合成關(guān)鍵技術(shù)

后期合成關(guān)鍵技術(shù)主要利用特效軟件制作合成效果，利用基于“層”概念的時間線操作的非線性特效軟件AE，它能快速實現(xiàn)工業(yè)級后期處理效果，同時存儲特效數(shù)據(jù)以快速調(diào)用，另外它還具備調(diào)色、校正色彩的性能，能夠滿足設(shè)計要求。

3 結(jié) 論

三維仿真技術(shù)應(yīng)用能夠有效為工業(yè)機器人生產(chǎn)線設(shè)計、檢驗、安全措施等方案的制定提供一個可視化、多角度、全方位的演示環(huán)境，使企業(yè)決策者能夠?qū)徱暸c檢驗項目方案，從而縮短企業(yè)生產(chǎn)線的研發(fā)周期，大幅度提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，促進企業(yè)加速技術(shù)更新，加快從產(chǎn)業(yè)鏈低端向產(chǎn)業(yè)鏈高端方向的發(fā)展，同時該課題的研究與應(yīng)用也能反作用于教學(xué)改革，促進動漫專業(yè)人才培養(yǎng)朝多層次方向發(fā)展。

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作者簡介：朱冬勇（1980-），男，浙江寧波人，碩士研究生，動漫專業(yè)帶頭人，研究方向：三維動畫、虛擬現(xiàn)實。