基于3dsMAX的6軸機(jī)器人工業(yè)動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)方法分析

文繼宏

（深圳航天龍海特智能裝備有限公司 哈爾濱分公司，黑龍江 哈爾濱 150001）

1 工業(yè)動(dòng)畫概述

近幾年自動(dòng)化領(lǐng)域中的工業(yè)動(dòng)畫技術(shù)得到快速發(fā)展，工業(yè)動(dòng)畫作為三維動(dòng)畫范疇中一個(gè)細(xì)小的分支也越來越受到本行業(yè)的重視，大型或較為復(fù)雜的工程項(xiàng)目常需要用工業(yè)動(dòng)畫的形式作為前期設(shè)計(jì)方案的說明或檢驗(yàn)方案是否合理的手段，因此工業(yè)動(dòng)畫在整個(gè)工程項(xiàng)目中起著重要的作用。

工業(yè)動(dòng)畫制作方法繁多，但概括起來大致可以把制作軟件分為以下三類：①機(jī)械工程類軟件；②專業(yè)動(dòng)畫制作軟件；③仿真軟件。第一類作為機(jī)械類制造軟件制作工業(yè)動(dòng)畫有其自身的優(yōu)越條件，制作工業(yè)動(dòng)畫時(shí)建模無需導(dǎo)入其他軟件，在其自身軟件內(nèi)部就可完成，缺點(diǎn)為制作的動(dòng)畫粗糙，主要原因是軟件的功能重點(diǎn)為機(jī)械制造方向，其制作動(dòng)畫的功能有限，很難制作出完善精美的動(dòng)畫。第二類專業(yè)動(dòng)畫制作軟件與第一類相比恰好相反，制作工業(yè)動(dòng)畫時(shí)需要將模型導(dǎo)入其中，之后制作工業(yè)動(dòng)畫操作簡單，功能多樣，渲染效果極好，通常有很多種渲染器可以選擇，在沒有模型可導(dǎo)入時(shí)其往往也支持內(nèi)部建模。第三類仿真軟件在制作工業(yè)動(dòng)畫時(shí)更加繁瑣，因其本身并非制作工業(yè)動(dòng)畫的專業(yè)軟件，而是側(cè)重仿真與數(shù)據(jù)計(jì)算，操作者需要掌握一定量的編程語言。

2 3dsMAX軟件概述

3dsMax是基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件。在Windows NT出現(xiàn)以前，工業(yè)級(jí)的CG制作被SGI圖形工作站所壟斷。3sstudio Max＋Windows NT組合的出現(xiàn)一下子降低了CG制作的門檻，該軟件首先被運(yùn)用在電腦游戲的動(dòng)畫制作中，后進(jìn)一步開始參與影視片的特效制作。在Discreet 3dsMAX 7后，先后升級(jí)到3.0、4.0、5.0等版本，3dstudio MAX 5.0版本加入了令人期待的動(dòng)力學(xué)插件reactor，3dstudio MAX 2000以后的后期版本均包括運(yùn)動(dòng)學(xué)解算器HD、HI和兩足動(dòng)畫插件character studio。實(shí)質(zhì)上3dsMAX與MAYA已經(jīng)成為三維動(dòng)畫制作的標(biāo)桿軟件，同類別軟件中在功能上以及完成效果上幾乎沒有能與之抗衡的。

3dstudio MAX軟件廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、三維動(dòng)畫、多媒體制作、游戲以及工程可視化等領(lǐng)域。

3 3dsMAX與SolidWorks制作工業(yè)動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)方法分析

3.1 案例背景

本案例要求是為每個(gè)“封蓋部件”安裝2個(gè)“金屬墊片”，如圖1所示，金屬墊片來料為人工手動(dòng)放置于輸送帶上，后由6軸機(jī)器人末端吸取工具抓取之后進(jìn)行組裝，要求機(jī)器人在約6s之內(nèi)完成。

圖1 虛擬體運(yùn)動(dòng)學(xué)解算后

3.1.1 產(chǎn)品參數(shù)

封蓋部件：外徑為600mm，高為240mm。

金屬墊片：重量為2.5kg，外半徑為300mm，內(nèi)半徑為200mm，厚為5mm。

3.1.2 機(jī)器人擬選型

瑞士 ABB IRB 2600-12／1.85；6軸；負(fù)載12kg；臂展1.85m。

3.1.3 機(jī)器人動(dòng)作規(guī)劃

機(jī)器人末端執(zhí)行器帶有視覺識(shí)別系統(tǒng)，識(shí)別2個(gè)金屬墊片位置與角度后抓取墊片并將其安裝于封蓋部件。機(jī)器人末端每個(gè)組裝循環(huán)為：末端→A→B→C→D→E→F→G→H→A。各點(diǎn)的作用如下：A：開機(jī)后末端默認(rèn)位置；B：末端到達(dá)距離最近金屬墊片的上方位置；C：吸取第一個(gè)金屬墊片位置；D：末端拾取后到達(dá)對應(yīng)側(cè)金屬墊片的上方位置；E：吸取第二個(gè)金屬墊片位置；F：提起到一固定高度位置；G：到達(dá)封蓋部件上方位置；H：組裝金屬墊片位置；A：返回默認(rèn)原點(diǎn)位置。

3.2 兩個(gè)軟件制作流程及差異

用3dsMAX制作流程如下：導(dǎo)入機(jī)器人模型→制作虛擬體并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解→機(jī)器人三維模型鏈接于虛擬體→制作關(guān)鍵幀動(dòng)畫→完成。

用SolidWorks制作流程如下：導(dǎo)入機(jī)器人模型→為機(jī)器人關(guān)節(jié)添加自由度限制→制作關(guān)鍵幀動(dòng)畫→完成。

兩個(gè)軟件都能制作6軸機(jī)器人工業(yè)動(dòng)畫，但其實(shí)現(xiàn)方法上完全不同，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）自由度約束方法不同。3dsMAX是首先需要制作符合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的虛擬體，后對其進(jìn)行逆解，機(jī)器人模型被虛擬體約束。而SolidWorks是以鎖定模型與模型的約束來實(shí)現(xiàn)某一特定自由度。

（2）關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角限制方法不同。3dsMAX中對任一活動(dòng)自由度都可添加限制，即任一關(guān)節(jié)都有6個(gè)自由度，當(dāng)逆解為關(guān)節(jié)時(shí)就只剩下3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，實(shí)際上機(jī)器人關(guān)節(jié)只有一個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)自由度，其他自由度進(jìn)行限制也是無效狀態(tài)。SolidWorks模型由于沒有采用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，因此其關(guān)節(jié)限制采用的是模型與模型虛擬碰撞（當(dāng)不選擇應(yīng)用機(jī)器人模塊時(shí)是這樣），可以達(dá)到模型與模型碰撞后無重疊的仿真效果，其用途有時(shí)還可以用于檢測虛擬裝配過程。3dsMAX也有碰撞分析功能但很少用于對自由度的限制。

（3）處理層級(jí)關(guān)系的方法不同。3dsMAX中機(jī)器人各關(guān)節(jié)有著嚴(yán)格的層級(jí)關(guān)系，例如5軸是4軸的子級(jí)、是6軸的父級(jí)，層級(jí)關(guān)系一旦確定不可改變。在SolidWorks中無需考慮父子關(guān)系，其父子關(guān)系靠自由度少的限制自由度多的模型實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)動(dòng)。例如，在SolidWorks中把機(jī)器人1軸模型固定后再去拉動(dòng)6軸模型和把6軸模型固定后再去拉動(dòng)1軸模型沒有什么區(qū)別，都能正常模擬各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。但在3dsMAX中就不同，拉動(dòng)1軸后機(jī)器人會(huì)整體移動(dòng)，再去拉動(dòng)6軸后1軸不會(huì)移動(dòng)但允許其轉(zhuǎn)動(dòng)。即兩者在1軸固定后去移動(dòng)末端時(shí)效果相同，反過來模擬效果就不同。

4 3dsMAX案例動(dòng)畫制作步驟

4.1 制作前的設(shè)置

制作前的設(shè)置如下：①將機(jī)器人底座（1軸）置于世界坐標(biāo)系（0，0，0）處；②動(dòng)畫幀率設(shè)置為30幀／s，并設(shè)置動(dòng)畫長度為6s，即幀長度為180，幀率選擇NTSC，這樣動(dòng)畫幀率就為30幀／s；③將IK反向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算時(shí)間長度也改為180幀。

4.2 動(dòng)畫制作步驟

動(dòng)畫制作步驟如下：①將末端虛擬體移至表1的A點(diǎn)處；②按下切換設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)模式，使整個(gè)時(shí)間滑條變?yōu)榧t色；③再移動(dòng)時(shí)間滑塊至20幀處；④移動(dòng)末端虛擬體至B點(diǎn)處，按一下設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)。以此對末端虛擬體重復(fù)進(jìn)行“③與④”的步驟按照表1中的A至H順序進(jìn)行設(shè)置，共8個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位，每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位的發(fā)生時(shí)間參考幀一欄的值。設(shè)置完成后點(diǎn)起切換設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)模式，最后觀察動(dòng)畫結(jié)果。表1為6軸角度偵測結(jié)果。

表1 6軸角度偵測結(jié)果

5 案例機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度分析

動(dòng)畫制作完成后對6軸虛擬體進(jìn)行角度變化偵測、分析其速度。表1中右側(cè)部分為對6軸虛擬體的偵測結(jié)果。末端虛擬體在位置A到位置B的過程中1軸虛擬體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度由0°（相對于父級(jí)地面）變?yōu)椋?2.2°，也就是表1中的1軸角度變化值為－42.2°，其值也是此軸在幾次點(diǎn)位變化中角度變化的最大值。即1軸最高速度達(dá)到了126.6°／s，6軸角度變化最大值見表2。以此方法對每軸實(shí)際最大速度進(jìn)行計(jì)算，將得出結(jié)果與廠家提供的每軸最高允許速度進(jìn)行比較，可見機(jī)器人模擬動(dòng)畫每軸速度沒有超出廠家給出的每軸允許最高速度，如圖2所示，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)間可以達(dá)到案例所述要求。值得一提的是：用戶一般以“標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍時(shí)間”來作為速度性能指標(biāo)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以ABBIRB460碼垛機(jī)器人為例，機(jī)器人末端帶60kg負(fù)載，向上400mm、平移2 000 mm、向下400mm，然后按原路徑返回起點(diǎn)這就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍時(shí)間。ABBIRB460碼垛機(jī)器人一個(gè)小時(shí)內(nèi)最多可完成2 190次標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍，即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍僅需約0.6s，單程僅需0.3s，也就是2 000mm僅需約0.3s。

6 3dsMAX制作6軸機(jī)器人虛擬運(yùn)動(dòng)的意義與注意事項(xiàng)

通過3dsMAX實(shí)現(xiàn)了對6軸機(jī)器人虛擬運(yùn)動(dòng)的模擬，解決了許多在項(xiàng)目前期與機(jī)器人相關(guān)的問題，例如：購買多大的機(jī)器人能滿足項(xiàng)目要求、機(jī)器人擺放在哪里合適、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程是否與周邊設(shè)備碰撞、在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)機(jī)器人能完成哪些動(dòng)作等等。另外值得注意的是，當(dāng)虛擬設(shè)計(jì)值與機(jī)器人性能指標(biāo)十分接近時(shí)，最終需要采用機(jī)器人仿真軟件或?qū)嶋H驗(yàn)證的方法才能下結(jié)論。事實(shí)上，例如機(jī)器人臂展為1.5m，那么很少會(huì)設(shè)計(jì)讓其取放1.499m的部件，應(yīng)預(yù)留一定的裕量。

表2 6軸角度變化最大值

7 結(jié)語

本文介紹了可制作工業(yè)動(dòng)畫的相關(guān)軟件，對3dsMAX在具體實(shí)現(xiàn)方法上與具體制作步驟上做了闡述。3dsMAX為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的前期方案設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)評審、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用、生產(chǎn)線布局等提供了一種簡潔快速的方法，提高了工作效率。

圖2 角度轉(zhuǎn)速對比