基于VR 技術(shù)的焊接機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)★

郇 新， 周 衛(wèi)

（濰坊工程職業(yè)學(xué)院， 山東 青州 262500）

1 研究意義與必要性

虛擬仿真技術(shù)起源于美國(guó)，其中英美等國(guó)家研究水平較高。Heginbothm 開發(fā)了“Sammie”機(jī)器人仿真程序，在仿真程序中使用虛線輪廓表示機(jī)器人模型，采用點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式，能夠使機(jī)器人按照連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)。美國(guó)通用公司開發(fā)了“SDRC”機(jī)器人仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備工業(yè)機(jī)器人離線仿真功能。美國(guó)Maryland大學(xué)開發(fā)了“DYNAMAN”軟件包，該軟件包包含動(dòng)力學(xué)模型，可以根據(jù)機(jī)器自動(dòng)生成F0RTRAN 仿真程序。隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展，一些知名工業(yè)機(jī)器人企業(yè)開始專門針對(duì)自己開發(fā)產(chǎn)品的工業(yè)機(jī)器人仿真軟件，比如ABB 公司的RobotStudio 工業(yè)機(jī)器人仿真系統(tǒng)和德國(guó)KUKA 公司的Sim Pro 工業(yè)機(jī)器人仿真系統(tǒng)。

近年來，我國(guó)也出現(xiàn)了一些優(yōu)秀的工業(yè)機(jī)器人仿真軟件。如清華大學(xué)開發(fā)了一款“PCROBSN”工業(yè)機(jī)器人仿真系統(tǒng)，包含多種工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，仿真多種工業(yè)機(jī)器人[1]。華航唯實(shí)開發(fā)了“RobotArt”機(jī)器人離線仿真軟件，該軟件可以根據(jù)自動(dòng)生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行機(jī)器人軌跡仿真，根據(jù)軌跡生成運(yùn)行動(dòng)畫[2]；上海交通大學(xué)開發(fā)了“ROSIDY”機(jī)器人仿真軟件，該軟件使用AutoCAD 平臺(tái)，該軟件突出了機(jī)器人圖形仿真，實(shí)用性強(qiáng)[3]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)知名大學(xué)、中科院自動(dòng)化研究所、國(guó)產(chǎn)知名機(jī)器人企業(yè)也紛紛開始了工業(yè)機(jī)器人仿真技術(shù)的研究。

當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人仿真軟件大多采用計(jì)算機(jī)仿真方式，缺少沉浸式虛擬仿真軟件；當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人仿真軟件只能在計(jì)算機(jī)上仿真工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行軌跡，不能將焊槍的位置和角度轉(zhuǎn)換到虛擬場(chǎng)景中，不能模擬焊接過程的電弧閃爍、金屬熔化、焊縫形成等焊接過程，不能捕捉機(jī)器人速度、焊接電流、焊接電壓、焊接角度等參數(shù)，無法分析焊接質(zhì)量。因此，本文針對(duì)焊接機(jī)器人實(shí)訓(xùn)和工程運(yùn)用所需，開展的基于VR 技術(shù)的焊接機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)的研制工作，對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展有著重大意義。

2 主要研究?jī)?nèi)容

2.1 研究目標(biāo)

本文主要研究基于VR 技術(shù)，利用Unity 3D 平臺(tái)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和焊接虛擬仿真平臺(tái)有機(jī)融合，從教學(xué)培訓(xùn)和實(shí)際應(yīng)用兩個(gè)角度出發(fā)，開發(fā)一款焊接機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)。

2.2 研究?jī)?nèi)容

1）焊接機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)平臺(tái)搭建。本系統(tǒng)平臺(tái)主要由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成。其中，軟件系統(tǒng)我們選用了技術(shù)比較成熟的Unity 3D 平臺(tái)，來生成VR 場(chǎng)景，操作工業(yè)機(jī)器人設(shè)備，反饋場(chǎng)景信息[4]；硬件系統(tǒng)主要包括頭盔、上位機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、支撐平臺(tái)、模擬焊槍等。

2）工業(yè)機(jī)器人及關(guān)鍵部件三維建模。使用Solid-Works 軟件對(duì)工業(yè)機(jī)器人及關(guān)鍵零部件進(jìn)行建模。其中考慮到工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)仿真，將工業(yè)機(jī)器人分為底座、前臂、手部等六個(gè)部分，分別進(jìn)行建模。針對(duì)關(guān)鍵部件包括焊槍、焊接工作臺(tái)、焊接工件等進(jìn)行1∶1 仿真建模。由于SolidWorks 軟件生成的文件不能直接導(dǎo)入unity 3D，我們利用3D max 軟件進(jìn)行優(yōu)化后導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D 中（如圖1 所示）。

圖1 焊接機(jī)器人VR 虛擬仿真圖

3）人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。良好的人機(jī)交互界面直接關(guān)系到用戶的體驗(yàn)，另外考慮到功能完善要求，我們將界面分為網(wǎng)絡(luò)連接、人物視角、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、工業(yè)機(jī)器人工作狀態(tài)、工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)速度、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行控制等。

4）仿真系統(tǒng)與焊接虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)同步。工業(yè)機(jī)器人、焊接工件等三維模型與實(shí)際物體均為1∶1的真實(shí)尺寸，可以通過控制界面實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、縮放等功能，方便使用者從不同角度觀察機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。仿真系統(tǒng)與焊接虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)進(jìn)行通信，保證仿真系統(tǒng)與焊接虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)的同步。焊接虛擬仿真平臺(tái)根據(jù)機(jī)器人速度、焊接電流、焊接電壓、焊接角度等參數(shù)，通過算法自動(dòng)生成模擬焊縫信息，生成焊接質(zhì)量報(bào)告，并反饋給虛擬仿真系統(tǒng)。

3 研究方法和技術(shù)路線

本文研究技術(shù)路線如圖2 所示。

圖2 研究技術(shù)路線

3.1 三維建模及優(yōu)化處理

使用SolidWorks 軟件對(duì)工業(yè)機(jī)器人及關(guān)鍵零部件進(jìn)行建模進(jìn)行1∶1 仿真建模。由于SolidWorks 軟件生成的文件不能直接導(dǎo)入unity 3D，我們利用3D max 軟件進(jìn)行優(yōu)化后生成FBX 格式文件，方便導(dǎo)入unity 3D 中使用。

3.2 模型及場(chǎng)景加載

將3D max 軟件導(dǎo)處的FBX 格式文件，導(dǎo)入到Unity 3D 中，生成可以供Unity 3D 使用的模型文件。將模型文件加載到Unity 3D 場(chǎng)景中，使用語言控制腳本，就可以控制它們的運(yùn)動(dòng)了。

3.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

在Unity 3D 軟件中使用C# 語言編寫機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序；使用“VisualStudio”集成開發(fā)工具包，開發(fā)人機(jī)界面，有效提高人機(jī)界面的開發(fā)效率。將VR手柄傳感器加入模擬焊槍中（如圖3 所示），通過感知模擬焊槍的運(yùn)動(dòng)來確定機(jī)器人的路徑[5]。

圖3 模擬焊槍

3.4 焊接平臺(tái)同步與臨場(chǎng)感的實(shí)現(xiàn)

為驗(yàn)證使用者機(jī)器人焊接質(zhì)量，我們將仿真程序與實(shí)際的虛擬焊接平臺(tái)連接，將仿真參數(shù)與仿真結(jié)果等數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，產(chǎn)生使用者焊接質(zhì)量報(bào)告[6]。加入真實(shí)機(jī)器人焊接工作場(chǎng)景中的聲音、電火花、煙霧等效果，改善6 軸工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)算法，提高工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行仿真度，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的臨場(chǎng)感。

3.5 焊縫成形與質(zhì)量檢測(cè)

操作系統(tǒng)與焊接虛擬仿真培訓(xùn)平臺(tái)相連接。焊接虛擬仿真平臺(tái)根據(jù)焊接電流、焊接電壓、焊接角度等參數(shù)，結(jié)合模擬焊槍的移動(dòng)位置、速度、角度等參數(shù)，自動(dòng)生成焊縫（如圖4 所示），并生成焊接質(zhì)量報(bào)告。

圖4 生成焊縫

4 虛擬仿真及其結(jié)果展示

4.1 虛擬仿真使用

當(dāng)操作人員使用虛擬仿真軟件時(shí)，軟件會(huì)利用VR 模擬焊接手柄中的多個(gè)傳感器，將系統(tǒng)將實(shí)時(shí)獲得焊槍的位置和姿態(tài)，在仿真軟件中焊槍和焊縫的仿真圖（如圖5 所示）。

圖5 焊槍和焊縫仿真圖

根據(jù)工件的加工位置及要求，在仿真系統(tǒng)中手動(dòng)設(shè)置焊接電流、電壓、焊接速度、保護(hù)器等參數(shù)，焊接過程中，操作人員需要將VR 焊槍運(yùn)行到具體位置，實(shí)時(shí)采集焊縫數(shù)據(jù)，仿真軟件會(huì)轉(zhuǎn)化成虛擬仿真數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，在顯示屏上將會(huì)形成具體的焊接數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 虛擬仿真軟件生成數(shù)據(jù)

4.2 真實(shí)場(chǎng)景中焊縫展示

我們使用真實(shí)的ABB1400 機(jī)器人焊接工作站，設(shè)置焊接電流、電壓、焊接速度、保護(hù)氣等參數(shù)與虛擬仿真軟件一致，測(cè)試焊接機(jī)器人的焊接參數(shù)，記錄焊接機(jī)器人焊接數(shù)據(jù)如表2 所示，當(dāng)焊接電流逐漸增加時(shí)，單位距離熱輸入穩(wěn)定增加，焊縫寬度則逐漸增加。

表2 焊接機(jī)器人焊接實(shí)際數(shù)據(jù)

5 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)、先進(jìn)性

5.1 安全、高效開展焊接機(jī)器人培訓(xùn)和工程應(yīng)用

該系統(tǒng)采用虛擬仿真方式，消除了焊接過程中強(qiáng)光、高溫、煙霧等危險(xiǎn)元素，幫助使用者安全進(jìn)行使用。消除初學(xué)者設(shè)備安全規(guī)范使用障礙，幫助初學(xué)者快速、真實(shí)地進(jìn)行焊接機(jī)器人培訓(xùn)。培訓(xùn)過程中節(jié)約了焊接耗材，降低設(shè)備使用功耗，節(jié)能環(huán)保性能突出。可以方便地進(jìn)行不同焊接工件的工業(yè)機(jī)器人焊接模擬，增加最新工業(yè)機(jī)器人焊接技術(shù)，提高培訓(xùn)效率。

5.2 使用VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提高了操作的真實(shí)感

該系統(tǒng)使用VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使用者可以從第一人稱視角出發(fā)，360°全方位進(jìn)行觀察，代入感強(qiáng)。還可以針對(duì)畫面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，方便使用者從最佳角度觀察機(jī)器人。它具有模擬焊接機(jī)器人的操作、焊接各類工件的焊接、焊縫模擬成形、焊縫質(zhì)量檢測(cè)等功能，使操作者能夠直接觀察機(jī)器人焊接的全過程，提高操作的真實(shí)感。

5.3 高精度焊接質(zhì)量報(bào)表生成，真正提高焊接機(jī)器人操控水平

仿真系統(tǒng)與焊接虛擬仿真培訓(xùn)平臺(tái)相連接。該算法根據(jù)機(jī)器人速度、焊接電流、焊接電壓、焊接角度等參數(shù)，高精度生成模擬焊縫，同時(shí)生成焊接質(zhì)量報(bào)告。通過焊接質(zhì)量報(bào)告為培訓(xùn)和工程應(yīng)用人員提供數(shù)據(jù)，調(diào)整焊接機(jī)器人的運(yùn)行速度、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行軌跡、焊槍角度，真正提高焊接機(jī)器人的控制水平。

6 結(jié)語

本文基于VR 技術(shù)設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)，通過對(duì)比可以看出虛擬仿真軟件生成的焊縫與實(shí)際焊縫基本相同，這樣操作人員在虛擬仿真軟件中練習(xí)，仿真軟件會(huì)分析操作人員在虛擬焊接過程中出現(xiàn)的問題。通過不斷的改進(jìn)，使操作人員不斷增加操作技巧，掌握焊接工藝和方法，為后續(xù)從事焊接工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。