虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用策略

李少坤，望 超

（武漢工程科技學(xué)院，湖北武漢 430200）

將虛擬仿真技術(shù)用來進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)，不僅可以讓工業(yè)機(jī)器人與其實(shí)際的應(yīng)用需求更加適應(yīng)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)很多系統(tǒng)開發(fā)與后續(xù)應(yīng)用問題的有效避免。因此，研究者一定要對此項(xiàng)技術(shù)做到足夠重視，并通過合理的策略來加以應(yīng)用。這樣才可以有效確保工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)的科學(xué)性、合理性與適用性，滿足其實(shí)際的開發(fā)、應(yīng)用與拓展需求。

1 虛擬仿真技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人

1.1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)也叫做虛擬決策技術(shù)，其本質(zhì)就是為實(shí)現(xiàn)相關(guān)問題解決而建立起的同態(tài)模型，通過這個(gè)模型的運(yùn)行來進(jìn)行研究結(jié)果評(píng)價(jià)，最終得出最優(yōu)決策。簡單而言，虛擬仿真技術(shù)就是借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)來進(jìn)行的一個(gè)虛擬化環(huán)境創(chuàng)建，以模擬的形式將用戶的視覺、聽覺、嗅覺與觸覺等調(diào)動(dòng)起來，從而達(dá)到良好的人機(jī)交互效果，使其獲得沉浸式的應(yīng)用體驗(yàn)[1]。

1.2 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人就是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的一種多自由度或多關(guān)節(jié)機(jī)械手形式的機(jī)器裝置，此類裝置具有很高的自動(dòng)性，可通過自身的控制能力以及動(dòng)力能源來進(jìn)行各種的工業(yè)加工與操作。目前，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在化工、物流以及電子等工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，其主要的組成有6個(gè)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、環(huán)境交互系統(tǒng)和交互系統(tǒng)[2]。

2 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)過程中的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用策略

2.1 為工業(yè)機(jī)器人的操作訓(xùn)練提供輔助

在對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的過程中，訓(xùn)練是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。由于現(xiàn)實(shí)場景訓(xùn)練將會(huì)涉及到訓(xùn)練環(huán)境設(shè)置，此時(shí)就需要投入大量的空間、時(shí)間、人力、物力和財(cái)力，這樣的情況就會(huì)為工業(yè)機(jī)器人的訓(xùn)練帶來一定難度。而通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，便可在計(jì)算機(jī)軟件的輔助作用下進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)場景的創(chuàng)設(shè)，將工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)入到這個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)場景中，以此來對其各項(xiàng)系統(tǒng)功能進(jìn)行試驗(yàn)與訓(xùn)練。通過這樣的方式，不僅可以為工業(yè)機(jī)器人提供一個(gè)更加理想化的訓(xùn)練環(huán)境，同時(shí)也會(huì)為其系統(tǒng)功能的及時(shí)改進(jìn)與試驗(yàn)提供充分的技術(shù)支撐。

具體應(yīng)用中，可通過Robot Studio 虛擬仿真軟件為工業(yè)機(jī)器人創(chuàng)設(shè)一個(gè)虛擬化的控制系統(tǒng)，然后將其導(dǎo)入到虛擬培訓(xùn)場景中，通過虛擬控制系統(tǒng)對其進(jìn)行控制。在此過程中，虛擬場景中的機(jī)器人展示架和現(xiàn)實(shí)中的機(jī)器人身架完全一致，從而為其系統(tǒng)開發(fā)與生產(chǎn)提供良好的技術(shù)支持。①各種功能支持的提供，包括工業(yè)機(jī)器人的仿真操作環(huán)境設(shè)置、適配器連接、輸入與輸出信號(hào)連接、數(shù)據(jù)處理以及手動(dòng)處理等；②讓工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)漏洞及其控制中的一些不當(dāng)行為得以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并通過虛擬化設(shè)計(jì)與操作的方式及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)，從而為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)際開發(fā)與操作奠定良好基礎(chǔ)，使其安全系數(shù)得以顯著提升；③可以為工業(yè)機(jī)器人提供一個(gè)虛擬化的工業(yè)生產(chǎn)與操作練習(xí)空間，使其按照自身情況與實(shí)際應(yīng)用需求來進(jìn)行相應(yīng)的工作訓(xùn)練；④為工業(yè)機(jī)器人提供一些特定的工況，并對其在各種工況下的操作技能進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以此來實(shí)現(xiàn)其判斷能力、分析能力與應(yīng)變能力的良好保障[3]。

2.2 為工業(yè)機(jī)器人的離線編程提供支持

在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)中，編程是一項(xiàng)至關(guān)重要的內(nèi)容。就目前來看，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的編程主要分兩種技術(shù)形式，一種是離線編程，另一種是指令編程。而在具體的系統(tǒng)開發(fā)中，如果通過現(xiàn)場指令編程的形式進(jìn)行編程，便會(huì)使其工作時(shí)間被大量占用，從而對工業(yè)生產(chǎn)效率造成很大程度的不良影響。在這樣的情況下，如果將虛擬仿真技術(shù)加以合理應(yīng)用，便可讓工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)離線編程，從而顯著縮短其生產(chǎn)作業(yè)中的停機(jī)時(shí)間；同時(shí)也可以避免程序員在危險(xiǎn)工況下進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人指令編程，在減輕其工作負(fù)擔(dān)的同時(shí)為其提供良好的安全保障。

在通過虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的離線編程過程中，通常會(huì)涉及到一些邏輯注釋，且需要將其在各個(gè)子路徑中嵌入，此時(shí)可采用相應(yīng)的教學(xué)編程法來進(jìn)行編程。將離線編程軟件、RAPID 應(yīng)用程序修改設(shè)備以及Robot Studio 成像軟件等加以合理應(yīng)用，便可對工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中的各種應(yīng)用程序進(jìn)行優(yōu)化與修改。對于設(shè)計(jì)好的應(yīng)用程序，可直接將其下載到工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中進(jìn)行使用[4]。通過這樣的方式，便可為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)離線編程的實(shí)現(xiàn)及其工作效率的提升提供良好的技術(shù)支撐。

2.3 為工業(yè)機(jī)器人關(guān)聯(lián)設(shè)備的設(shè)計(jì)提供支持

在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)中，其虛擬仿真都需要進(jìn)行機(jī)器人三維模型及其工作相關(guān)的場景創(chuàng)建，比如生產(chǎn)設(shè)備創(chuàng)建、輔助設(shè)備創(chuàng)建、固定裝置創(chuàng)建等。在這樣的情況下，與工業(yè)機(jī)器人相關(guān)聯(lián)的設(shè)備也會(huì)以三維模型的形式顯示在虛擬仿真環(huán)境中，并通過一定的操作與工業(yè)機(jī)器人之間達(dá)到良好的關(guān)聯(lián)效果。在這樣的情況下，借助于虛擬仿真技術(shù)，也可以為與工業(yè)機(jī)器人相關(guān)聯(lián)的設(shè)備進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，從而使其成為工業(yè)機(jī)器人的配套設(shè)備，進(jìn)一步提升工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用效果。比如，將一些特殊配件設(shè)計(jì)并安裝到工業(yè)機(jī)器人的法蘭第六軸上，以此來執(zhí)行相應(yīng)的操作，便可讓工業(yè)機(jī)器人的不同功能得以有效控制與實(shí)現(xiàn)。再比如，對于工業(yè)機(jī)器人所配套應(yīng)用的焊炬、真空噴嘴、夾具、油漆噴槍等，都可以通過虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，使其與機(jī)器人系統(tǒng)的控制功能更加適應(yīng)，從而為工業(yè)機(jī)器人的技能設(shè)計(jì)與應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)[5]。

3 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)中的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用實(shí)例分析

為實(shí)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)中的良好應(yīng)用，本次特以某工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)中的虛擬仿真為例，對其具體應(yīng)用進(jìn)行分析。該工業(yè)機(jī)器人為ABB IRB120型工業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人屬于一種多用途的小型工業(yè)機(jī)器人。表1是ABB IRB120型工業(yè)機(jī)器人的主要參數(shù)。

表1 ABB IRB120型工業(yè)機(jī)器人的主要參數(shù)

本次虛擬仿真中，仿真場景是六角工作臺(tái)，將虛擬機(jī)器人放置到六角工作臺(tái)上，對其系統(tǒng)開發(fā)及其操作進(jìn)行仿真。

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本次進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)仿真的工業(yè)機(jī)器人，其系統(tǒng)的主要組成部分有3個(gè)：①機(jī)器人本體。其本體主要有兩層，第一層包括機(jī)械臂、傳動(dòng)單元、傳感器以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，第二層包括腰部和基座等。②控制器。其主要作用是對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制，該部分主要由軟件和硬件組成，它相當(dāng)于人類的大腦。③示教器。其主要作用是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互窗口的提供，通過這個(gè)窗口，工作人員可進(jìn)行相應(yīng)的程序編寫以及機(jī)器人操作等。圖1為該機(jī)器人系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 該機(jī)器人系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)示意圖

本次虛擬仿真中，主要借助于虛擬化技術(shù)來進(jìn)行該工業(yè)機(jī)器人的模型建立，對NX 軟件加以科學(xué)應(yīng)用，以此來進(jìn)行該機(jī)器人的尺寸測繪，并以此為基礎(chǔ)，對其六角工作平臺(tái)的具體尺寸加以科學(xué)確定，從而實(shí)現(xiàn)該工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用場景的虛擬化仿真模擬。

3.2 系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

在該工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，碼垛單元、打磨單元、視覺單元、裝配單元和倉儲(chǔ)單元之間互相獨(dú)立，具體應(yīng)用中，可通過觸摸屏的操作將相應(yīng)的任務(wù)指令發(fā)布給機(jī)器人系統(tǒng)，在系統(tǒng)作業(yè)單元接收到相應(yīng)的指令之后，便會(huì)按照指令來完成工作任務(wù)。在碼垛單元工作中，機(jī)器人會(huì)先在初始位置進(jìn)行吸盤安裝，再運(yùn)行至庫區(qū)，通過吸盤將物料吸住并運(yùn)送至監(jiān)測區(qū)，在傳感器做出監(jiān)測判斷之后，機(jī)器人會(huì)按照判斷結(jié)果正確地將物料放置到分揀區(qū)。在打磨單元工作中，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)安裝帶磨具的夾具，然后從起始位置開始進(jìn)行打磨，在完成打磨之后，機(jī)器人會(huì)將夾具再一次放回到起始位置。在視覺單元工作中，機(jī)器人會(huì)從起始的視覺位置進(jìn)行吸盤安裝，借助于攝像頭拍照的形式對物品具體位置進(jìn)行判斷，然后將左側(cè)的物品吸起，并將其放置在右側(cè)，在完成操作之后，機(jī)器人會(huì)收回吸盤，再一次運(yùn)行到起始視覺位置。在裝配單元工作中，其工作流程與上述流程相似，機(jī)器人首先會(huì)在起始位置進(jìn)行夾具安裝，并按順序抓取底座、軸承、墊塊和螺母等零部件，將其放置在裝配臺(tái)上，之后再通過夾具將鎖死擰緊，任務(wù)完成后，機(jī)器人會(huì)放回夾具，再一次運(yùn)行到起始裝配位置上。在倉儲(chǔ)單元工作中，機(jī)器人會(huì)從起始的倉儲(chǔ)位置開始，通過光電開關(guān)進(jìn)行物體位置檢測，在檢測到其位置后，便通過夾具將其夾起，并按照設(shè)定好的程序?qū)⑵溥\(yùn)送到正確的庫區(qū)，之后放回夾具，再一次回到初始的倉儲(chǔ)位置上。

3.3 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

在通過虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行該工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)行應(yīng)用仿真的過程中，需要進(jìn)行Unity 3D 三維虛擬仿真場景的搭建。在此過程中，首先需要將工業(yè)機(jī)器人模型導(dǎo)入，導(dǎo)入主要分以下三步：①在NX 中進(jìn)行STEP 格式的保存；②將Deep Exploration 導(dǎo)入，并將其轉(zhuǎn)換為FBX 格式；③將其導(dǎo)入到Unity 3D 軟件場景中[6]。然后通過單位換算的形式將模型比例因數(shù)設(shè)置成0.001，再對其坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)镹X 軟件和Unity 3D 軟件應(yīng)用的是不同的坐標(biāo)規(guī)則，所以需對模型軸向加以合理改變。最后是光源設(shè)計(jì)，對于三維仿真模擬環(huán)境而言，光源的作用至關(guān)重要，它會(huì)對虛擬場景中的體驗(yàn)起到?jīng)Q定性作用，因此在具體的仿真模擬中，一定要根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行光源的合理設(shè)置。

4 結(jié)束語

綜上所述，在對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制系統(tǒng)開發(fā)的過程中，通過虛擬化仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以為工業(yè)機(jī)器人及其系統(tǒng)應(yīng)用創(chuàng)造一個(gè)理想化的模擬試驗(yàn)環(huán)境，在這個(gè)仿真環(huán)境中，研究者可對自己所開發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)控制功能進(jìn)行一一驗(yàn)證，以此來及時(shí)發(fā)現(xiàn)其具體控制中的一些問題，從而為系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化提供科學(xué)參考。同時(shí)，通過虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，也可以為工業(yè)機(jī)器人的訓(xùn)練提供足夠科學(xué)、理想的空間，以此來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練成本的顯著節(jié)約，并可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的離線編程，在確保其正常工作的情況下實(shí)現(xiàn)其理想化的優(yōu)化升級(jí)。由此可見，在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)中，虛擬仿真技術(shù)具有非常顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。因此，開發(fā)者需要做好此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用研究，使其為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)及其優(yōu)化發(fā)展提供良好的技術(shù)支撐。