基于1+X 背景下的機器人仿真系統(tǒng)研究

王丹

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710000）

1 概述

基于2019 年國務(wù)院提出在職業(yè)院校、應(yīng)用型本科高校啟動“學(xué)歷證書+若干職業(yè)技能等級證書”制度試點（以下稱1+X 證書制度試點）工作。鼓勵學(xué)生在獲得學(xué)歷證書的同時，取得多種職業(yè)技能等級證書，拓展就業(yè)創(chuàng)業(yè)本領(lǐng)。

當前基于1+X 背景下機器人的教學(xué)和考核的實際操作工位少，而現(xiàn)在市場上的虛擬仿真系統(tǒng)都是機器人品牌公司為自有機器人開發(fā)所做的針對性較強的系統(tǒng)，其功能和模塊并不能完全覆蓋1+X 工業(yè)機器人應(yīng)用的編程等級考核和教學(xué)多樣化的要求。由此需要設(shè)計一種提升教學(xué)效率和機器人多樣性的仿真系統(tǒng)，在實操時提高工作效率，滿足教學(xué)和考核需求，同時增加教學(xué)的安全性。

本文針對這一要求設(shè)計了一種可用于輔助教學(xué)、技能考核的機器人仿真系統(tǒng)。

2 整體架構(gòu)設(shè)計

機器人仿真系統(tǒng)的主要功能是培訓(xùn)學(xué)生熟悉機器人的工作內(nèi)容，從而掌握機器人的控制方法。并要求教師在進行工業(yè)機器人相關(guān)理論與實操課程的授課過程中，使用仿真系統(tǒng)演示機器人實操動態(tài)過程，能夠全方位多角度展示實操技能要點，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有效提高教學(xué)效果。

當前系統(tǒng)根據(jù)功能要求可以劃分為示教器平臺和離線仿真平臺。示教器平臺完成人工操作和硬件連接，離線仿真平臺顯示機器人在特定場景下的運動效果。其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 仿真平臺整體架構(gòu)

2.1 示教器平臺

示教器平臺部分也可看作人工操作部分，將操作控件通過硬件連接機器人到仿真平臺部分，硬件部分集成多種操作控件接口，以ARM Cortex-A3 為主控制器，以太網(wǎng)作為接口，采集人工操作信息。

2.2 離線仿真平臺

離線仿真平臺集成仿真平臺的可視化的仿真，接收人工操作信息，通過機器人建模和場景匹配將實際操作顯示到仿真系統(tǒng)界面上。使用三維建模軟件對模塊進行建模設(shè)計，在虛擬仿真軟件中加載使用模塊，針對不同任務(wù)進行仿真程序的編寫和調(diào)試。

從功能方面，離線仿真平臺的設(shè)計需要滿足機器人模型的多樣性和多種場景的切換。場景渲染設(shè)計對虛擬仿真系統(tǒng)的整體沉浸性、真實性非常重要。在渲染過程中，如果渲染的程度過小，虛擬環(huán)境的真實性將會降低,給操作者造成較差的虛擬仿真體驗。但如果渲染的程度過大，會造成虛擬引擎的負擔過重，從而影響虛擬仿真系統(tǒng)的整體的流暢度[2]。

從實操效果方面，需要保證操作節(jié)點的準確性和場景的渲染效果，從而帶給實操者較好的虛擬仿真體驗。

仿真系統(tǒng)與實際產(chǎn)品之間存在誤差，通過精確模型運動的準確性和場景比例可以縮小這一誤差。由于工業(yè)機器人虛擬仿真系統(tǒng)僅用于學(xué)生學(xué)習(xí)操作工業(yè)機器人的運動操作，因此設(shè)計時只需設(shè)計工業(yè)機器人的外部結(jié)構(gòu)，無需設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而極大的節(jié)能了開發(fā)時間[2]。機器人建模采用Robot Studio 軟件自帶模型,場景及演示仿真采樣Soild Works 軟件完成搭建。

3 信息通信

通信模塊連接示教器和離線仿真平臺，通信協(xié)議采用以太網(wǎng)的UDP 協(xié)議，其控制選項較少，在數(shù)據(jù)傳輸過程中延遲小、數(shù)據(jù)傳輸效率高。

傳輸信息一方面?zhèn)鬏敳僮鲄?shù)，另一方面需要完成多種機器人及場景的切換。UDP 通信時，首先創(chuàng)建套接字，然后綁定到UDP 端口上，將數(shù)據(jù)和目的地址放入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，通過發(fā)送和接收函數(shù)完成通信。

以機械臂為例，說明傳輸?shù)木唧w數(shù)據(jù)信息。六自由度機械臂結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 六自由度機械臂結(jié)構(gòu)示意圖

六自由度機械臂是有多個連桿通過6 個活動關(guān)節(jié)連接而成。機械臂的連桿是一節(jié)一節(jié)的，基于6 個活動關(guān)節(jié)分別建立坐標，當基座與第一個連桿之間的關(guān)系T=T1表示，T1表示基座與第一個連桿之間的齊次變換矩陣，第二個連桿與基座之間T=T1T2，T2表示第一個連桿與第二個連桿之間的齊次變換矩陣，以此類推，最末端用于抓取的機械手的位姿T 為：

T 表示最后一個連桿對于地面的位姿，即機械臂的抓取位置。

六自由度機器人要準確的抓取物體，不僅需要對其六個節(jié)點進行控制，完成機械臂的運動，還需要控制機器臂的工作狀態(tài)進行抓取操作，最后完成機械臂的最終位置信息校驗，才能準確操作機械臂。如何在移動機械臂的同時配合物體抓取和物體釋放，從而快速完成動作也是機器人控制的一個主要目的，需要對上述參數(shù)進行精確控制。

在仿真過程中需要對這些參數(shù)進行精確體現(xiàn)，才能達到較好的模型運動仿真效果。

首先在模型建立上對機械臂的各個節(jié)點進行組合，并可以單獨移動，其次就是機械臂的控制參數(shù)的精確傳輸。傳輸協(xié)議有效數(shù)據(jù)說明如表1 所示。

表1 應(yīng)用層協(xié)議有效數(shù)據(jù)字段說明

協(xié)議采用一發(fā)一收的形式，通過對比收發(fā)的各姿態(tài)信息完成機器人的指令與實際動作的反饋結(jié)果。

操作者需要控制6 個節(jié)點位姿，系統(tǒng)根據(jù)位姿信息自動計算出抓取端的位置信息，發(fā)送到離線仿真平臺，離線仿真平臺接收后，對比當前抓取端的位置信息，在利用仿真系統(tǒng)中坐標計算出當前與實際參數(shù)之間的誤差，對模型運動幅度進行必要的調(diào)整。

4 仿真模擬

仿真系統(tǒng)還可以針對不同任務(wù)進行仿真設(shè)定及模擬。為了進一步加強機器人教學(xué)研究，根據(jù)不同操作任務(wù)設(shè)置仿真參數(shù)，使機器人模型按照指定的動作進行工作，從而完成任務(wù)的自動模擬演示。其工作流程圖如圖3 所示。

圖3 基于參數(shù)設(shè)定的仿真模擬工作流程

以機械臂為例，首先選擇機器人為機械臂，設(shè)定特定抓取場景，系統(tǒng)此時會根據(jù)機械臂的特性計算出相應(yīng)的運動范圍，為用戶提供相關(guān)運動安全點，當超出安全點要求范圍時，提示用戶無法運動到該位置。

接著設(shè)置機器人的初始位置，根據(jù)安全點范圍，在參數(shù)界面上顯示出相應(yīng)的運動范圍，為用戶提供一定的參考。

然后用戶根據(jù)任務(wù)要求設(shè)定相關(guān)節(jié)點位姿，以達到較優(yōu)的抓取路徑和抓取角度，若物體的抓取或放下不是理想的位置與角度，系統(tǒng)根據(jù)運行軌跡不斷調(diào)整參數(shù)，并顯示相應(yīng)較優(yōu)化抓取軌跡。

最后系統(tǒng)根據(jù)運動軌跡和抓取動作完成任務(wù)仿真。

任務(wù)仿真模擬可以較為直觀的顯示出機器人的工作情況，在教師進行工業(yè)機器人相關(guān)理論與實操課程的授課過程中，使用仿真系統(tǒng)演示機器人實操動態(tài)過程，能夠全方位多角度展示實操技能要點，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有效提高教學(xué)效果。

5 結(jié)論

當前仿真系統(tǒng)采集人工操作信息，通過UDP 協(xié)議傳輸?shù)侥M仿真部分，數(shù)據(jù)進行編程后一方面顯示實時操作的仿真結(jié)果，提升實操技能；另一方面根據(jù)任務(wù)要求設(shè)定任務(wù)參數(shù)，完成任務(wù)的自動仿真演示，提高了教學(xué)效果。在1+X 背景下，該仿真系統(tǒng)不僅解決了機器人的教學(xué)和考核的實際操作工位較少的問題，還能提高教學(xué)效率，有助于學(xué)生證書等級的提升。