工業(yè)機器人虛擬現(xiàn)實仿真實訓(xùn)系統(tǒng)研究與開發(fā)

王磊 黃浩 廣東科貿(mào)職業(yè)學(xué)院信息與自動化學(xué)院

引言

隨著面向智能制造領(lǐng)域的工業(yè)機器人大量應(yīng)用，大幅度提高了企業(yè)的競爭力和經(jīng)濟效益。然而，中國智造人才奇缺已經(jīng)成為制約智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題。由于我國在工業(yè)機器人教育及相關(guān)實訓(xùn)方面起步較晚，傳統(tǒng)工業(yè)機器人在線示教實訓(xùn)，受工業(yè)機器人實訓(xùn)場地、課時、實訓(xùn)人數(shù)限制，再加上工業(yè)機器人設(shè)備價格昂貴、數(shù)量有限，很難保證實踐過程中每位學(xué)生進行充分的實操。如果對設(shè)備不熟悉，操作不恰當(dāng)，很容易發(fā)生設(shè)備故障和人身安全問題，從而影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實訓(xùn)質(zhì)量。因此，工業(yè)機器人人才培養(yǎng)工作也迎來了“瓶頸期”，亟需新一代信息技術(shù)助力工業(yè)機器人信息化教學(xué)應(yīng)用與實訓(xùn)革新。在互聯(lián)網(wǎng)+背景下，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為切入點，開展軟件技術(shù)專業(yè)+工業(yè)機器人專業(yè)的新工科融合研究與信息化教學(xué)改革，構(gòu)建更加符合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)思維的實訓(xùn)模式，更好的實現(xiàn)智能型虛擬實驗教學(xué)與仿真實訓(xùn)。

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)技術(shù)在工業(yè)機器人仿真實訓(xùn)中的應(yīng)用，可以通過虛擬仿真建模、立體視覺、人機交互與觸覺反饋等技術(shù)，讓使用者產(chǎn)生身臨其境的仿真感受，國內(nèi)外也展開了相關(guān)的研究和應(yīng)用。機器人制造商KUKA 率先在MORPHA 項目中引入工業(yè)機器人增強現(xiàn)實示教技術(shù)。貝爾格萊德大學(xué)開發(fā)的機器人虛擬實驗室則能夠展示工業(yè)機器人的主要特征，練習(xí)機器人的行為與操作。馬飛[3]闡述了基于Qt 和Ogre3D 的六自由度機器人虛擬實驗室系統(tǒng)架構(gòu)模型及模塊化功能，其虛擬實驗室三維模型建模，首先從SolidWorks 建立模型、在3DSMax 軟件中進行模型渲染，最后導(dǎo)入Ogre3D 虛擬環(huán)境中渲染顯示虛擬機器人的一套建模方法。文獻[4]設(shè)計了基于Unity3D 的機器人本體拆裝的虛擬教學(xué)系統(tǒng)，使用Solid-Works、3Ds Max 軟件等進行工業(yè)機器人拆裝場景建模和機器人拆裝動畫制作，以Photoshop 軟件進行UI 界面設(shè)計，利用C#語言進行界面交互邏輯控制。文獻[5-7]針對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)機器人實訓(xùn)領(lǐng)域中的開發(fā)與應(yīng)用，介紹了從SolidWorks、3ds Max 進行建模，到Unity3D、HTCVIVE 進行虛擬仿真及運動邏輯編程開發(fā)，尤其是針對目前工業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用的六軸機器人，可以靈活高效的滿足學(xué)生的離線示教仿真需求，具有較好的研究價值和應(yīng)用前景。

1 工業(yè)機器人仿真實訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)路線

本文以瑞典ABB 公司生產(chǎn)的多用途六軸機器人IRB120 為研究和應(yīng)用對象，設(shè)計開發(fā)了工業(yè)機器人虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)認(rèn)知、虛擬拆裝、交互操作、沉浸式體驗等功能，并具有界面美觀、功能實用、交互式強等特點。該系統(tǒng)以Unity3D 為開發(fā)平臺，通過C#編程實現(xiàn)運動邏輯控制，能夠運行在PC 端，并且可以通過HTC vive 進行虛擬現(xiàn)實沉浸式體驗。本系統(tǒng)在開發(fā)實現(xiàn)過程中基于以下技術(shù)路線進行系統(tǒng)研發(fā)。

(1)分析工業(yè)機器人的實訓(xùn)需求和系統(tǒng)目標(biāo)，分析機器人的基本結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)等，明確要達到的系統(tǒng)仿真實訓(xùn)功能需求，實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)+的工業(yè)機器人產(chǎn)品結(jié)構(gòu)認(rèn)知學(xué)習(xí)與拆裝實訓(xùn)。

(2)選定系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境與開發(fā)平臺，分析機器人的裝配結(jié)構(gòu)、運動規(guī)劃及示教操作，在此基礎(chǔ)上利用SolidWorks、3DSMax 等建模軟件，完成機器人的三維模型建立、裝配及貼圖渲染等操作，并進行模型優(yōu)化與格式導(dǎo)出，生成高精度的機器人輕量化三維模型。

(3)利用Unity3d 平臺搭建機器人的實訓(xùn)場景，研究機器人的坐標(biāo)表示、攝像機設(shè)置、組件參數(shù)配置、燈光渲染、方位與旋轉(zhuǎn)變換操作等內(nèi)容，優(yōu)化模型在Unity3D 中的建模顯示。

(4) 利用各軟件開發(fā)包，結(jié)合C#語言，開發(fā)系統(tǒng)人機交互UI界面和運動邏輯控制，實現(xiàn)場景視角控制、拆卸動畫開發(fā)、操作實時反饋等人機交互功能。為了更加真實的模擬實訓(xùn)現(xiàn)場環(huán)境，完成剛體屬性配置和碰撞檢測等，并在PC 機上進行工業(yè)機器人仿真測試。

(5)為了增強用戶感知和體驗，優(yōu)化產(chǎn)品模型，研究Unity3D 渲染優(yōu)化方法、分層調(diào)用技術(shù)等，減少顯示效果損失又能降低渲染負(fù)載。通過HTC vive 等硬件進行開發(fā)和測試，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行人機交互操作及實時反饋，為使用者創(chuàng)造出一種逼真的沉浸式立體環(huán)境交互體驗。

(6)將產(chǎn)品模型打包發(fā)布為PC 端應(yīng)用，借助PC電腦、VR設(shè)備等，對平臺功能進行測試與體驗分析。優(yōu)化產(chǎn)品模型與運動邏輯控制，進行系統(tǒng)的持續(xù)改進和最終發(fā)布。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 工業(yè)機器人部件結(jié)構(gòu)認(rèn)知實訓(xùn)模塊

針對工業(yè)機器人三維模型進行部件的結(jié)構(gòu)認(rèn)知實訓(xùn)，由于模型簡化及格式轉(zhuǎn)換后，會失去機械建模時零部件的親子關(guān)系，需要研究工業(yè)機器人在Unity3D 下的裝配結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系設(shè)定，研究物理組件的配置方式和作用范圍，以實現(xiàn)機器人的運動控制與物理交互。虛擬拆裝交互操作較為復(fù)雜，需要實現(xiàn)包括場景視角的控制、拆卸動畫與拆卸序列控制、零件高亮著色、實時信息反饋等操作。

如圖1 所示為機器人拆裝實訓(xùn)主界面的工業(yè)機器人全貌界面及某個軸的部件界面。視圖右側(cè)為結(jié)構(gòu)認(rèn)知工具欄，底部為拆卸工具欄。通過點擊結(jié)構(gòu)認(rèn)知工具欄的“底座”、“電源箱”、“一軸”到“六軸”、“全貌”等按鈕，可以分別查看機器人的不同軸的部件結(jié)構(gòu)信息。點擊“全貌”按鈕，可以恢復(fù)到整個機械臂的全貌整體。針對工業(yè)機器人全貌或者單個部件，都可以通過鼠標(biāo)滾輪進行放大縮小，使用鼠標(biāo)左鍵進行空間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)操作和移動操作等。

圖1 機器人全貌界面及某軸部件界面

2.2 工業(yè)機器人拆卸實訓(xùn)模塊

通過虛擬拆裝建模與拆裝業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)，實現(xiàn)對工業(yè)機器人的拆卸場景進行交互操作，讓使用者掌握機器人各關(guān)節(jié)之間的層級關(guān)系及運動關(guān)系。由于模型簡化及格式轉(zhuǎn)換后，可能會導(dǎo)致模型僅保留核心外形與運動機構(gòu)信息，而失去了零部件的親子關(guān)系信息，因此，還需要進一步研究工業(yè)機器人的裝配結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系設(shè)定，研究物理組件的配置方式和作用范圍，才能保障正確的模擬出機器人真實物理結(jié)構(gòu)下的拆卸和組裝過程。

在視圖底部的拆卸工具欄，通過縮小和放大按鈕可以進行縮放操作，各拆卸功能按鈕可以進行工業(yè)機器人的拆卸和組裝控制，如圖2 所示為單步拆卸和組裝及一次性全部拆卸和組裝的顯示效果。

圖2 工業(yè)機器人拆卸和組裝的顯示效果

針對拆卸中的某一個軸部件，靠近這個軸，例如鼠標(biāo)靠近“四軸”，四軸即整體高亮顯示。鼠標(biāo)左鍵點擊“四軸”，進入如圖3 所示的四軸零部件的操作界面，并可以在左側(cè)查看四軸零部件詳細(xì)信息介紹。點擊界面右側(cè)的結(jié)構(gòu)認(rèn)知工具欄上的某個軸按鈕，可以對顯示的單個軸部件進行進一步的拆卸，了解該軸部件的零配件組裝細(xì)節(jié)。

圖3 單個軸的顯示和拆卸操作界面

2.3 機器人拆卸運動邏輯關(guān)鍵控制

針對工業(yè)機器人拆卸運動邏輯的控制，有一些關(guān)鍵難點需要進行技術(shù)攻關(guān)和實現(xiàn)。

(1)部件移動與控制實現(xiàn)原理：把unity 主攝像頭放入物體中，成為物體的子類，鼠標(biāo)上下移動為unity 主攝像頭移動，鼠標(biāo)左右移動為物體左右移動，從而實現(xiàn)部件的移動與控制。

(2)部件的變色和拖拽移動實現(xiàn)原理：使用鼠標(biāo)監(jiān)聽方法，根據(jù)鼠標(biāo)狀態(tài)確定顏色顯示，根據(jù)鼠標(biāo)和屏幕坐標(biāo)及物體坐標(biāo)的距離，控制實現(xiàn)鼠標(biāo)拖拽操作。

(3)部件的順序拆裝實現(xiàn)原理：新建一個為下一個部件添加腳本的腳本，在鼠標(biāo)按下監(jiān)聽方法時添加觸發(fā)添加腳本的代碼，并使用布爾值讓腳本只觸發(fā)一次，保證部件之間的拆卸次序關(guān)系。

對于工業(yè)機器人部件移動與控制邏輯的實現(xiàn)，項目通過C#代碼進行編程實現(xiàn)，部分關(guān)鍵代碼如下。

3 結(jié)束語

針對日益增長的工業(yè)機器人教學(xué)實訓(xùn)、技術(shù)培訓(xùn)的巨大需求，本文以IRB120 多用途輕型機器人的拆卸實訓(xùn)為研究對象，分析了工業(yè)機器人虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵實現(xiàn)流程，對主要模塊的關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)、功能界面設(shè)計及關(guān)鍵運動邏輯控制進行了研究和探討。本文開發(fā)的系統(tǒng)可以進一步擴展到多種不同的教學(xué)應(yīng)用場景，例如堆垛、切削、焊接、視覺檢測等常用工業(yè)場景。后續(xù)研究將通過對不同制造場景的工業(yè)機器人實訓(xùn)應(yīng)用開發(fā)，讓使用者不僅可以熟練認(rèn)知工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)和拆卸，也可以快速適應(yīng)不同制造場景下的崗位情景與技能實訓(xùn)需求，從而構(gòu)建智能型、創(chuàng)新性的工業(yè)機器人實訓(xùn)系統(tǒng)及人才培養(yǎng)實訓(xùn)新范式。