基于Unity3D的機器人仿真實驗系統(tǒng)

莊嚴 盧阿麗 楊慶

摘 要 針對日益增長的機器人技術(shù)教學(xué)培訓(xùn)需求，研究并設(shè)計了一款機器人仿真實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件以FANUC M-iA系列工業(yè)機器人原型為依據(jù)，使用SolidWorks和3ds Max進行建模，并將模型導(dǎo)入Unity3D，編程實現(xiàn)對機器人的操控，軟件效果逼真，可實時交互，為同類虛擬現(xiàn)實實驗系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計提供了經(jīng)驗和參考。

【關(guān)鍵詞】Unity3D 機器人 虛擬現(xiàn)實

實驗是機器人技術(shù)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，目前的授課，大多數(shù)是以理論講解結(jié)合視頻動畫方式進行，缺少實際操作。而真實的工業(yè)機器人類型較多、價格昂貴，對實驗環(huán)境要求嚴格，批量采購和建設(shè)存在一定的困難。隨著虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)的不斷進步， 虛擬實驗室已得到了廣泛的認可和應(yīng)用。其主要思路是通過VR技術(shù)，對實驗設(shè)備和環(huán)境的仿真模擬，讓實驗者具有親臨工作現(xiàn)場進行實際操作的感受。

1 系統(tǒng)總體分析與三維建模

根據(jù)實際教學(xué)情況，虛擬實驗系統(tǒng)的建立主要包括：實驗室、機器人的仿真和示教器模擬三個部分。實驗室仿真包含實驗室建模和場景漫游設(shè)計；機器人仿真包含零部件的建模組合以及運動虛擬化；示教器模擬包括操作界面的制作和控制實現(xiàn)等。系統(tǒng)的開發(fā)流程分為兩個階段：建模和運動仿真。建模階段：首先對教學(xué)單位進行調(diào)研，詳細分析用戶需求，收集實驗室和機器人的數(shù)據(jù)和素材，然后使用建模工具進行各部件建模及場景搭建；系統(tǒng)仿真階段：將制作完成的模型整體導(dǎo)入Unity3D開發(fā)環(huán)境，設(shè)計用戶界面，編寫腳本實現(xiàn)對機器人控制，最終進行封裝并發(fā)布。

VR系統(tǒng)要求對實體與環(huán)境的模擬實時逼真。早期的三維模型多數(shù)是對物體形態(tài)的簡化和抽象，隨著建模工具的不斷升級進步，用戶越來越注重視覺效果，實物精度和逼真程度也成為建模工作的重要指標(biāo)。本實驗系統(tǒng)所需模型包括實驗室內(nèi)部實景和機器人實體，經(jīng)實踐和分析，選擇了3ds Max和SolidWorks作為建模工具。3ds Max功能強大，控制選項豐富，但對于機械零件建模存在不足。首先，對于形狀較規(guī)則的零件，繪制截面時，點的精準定位困難，過程相當(dāng)繁瑣；其次，不規(guī)則零件建模時，分幾個部分利用不同的方法建模后再進行組合，不利于修改，并且表面圓滑處理會造成模型面數(shù)增多，文件體積增大。使用SolidWorks三維制圖軟件進行機械零件建模十分方便，模型尺寸都可用工具標(biāo)注，在更改時只需改變尺寸，無需重建。對于標(biāo)準部件，可先根據(jù)變量參數(shù)驅(qū)動三維結(jié)構(gòu)直接得到模型，如需新建，只要更改變量重建即可，建模效率極高。雖然SolidWorks建模數(shù)據(jù)精度高，但對物體的表面渲染功能欠缺，逼真度不夠。

基于以上原因，實驗場景建模使用3ds Max完成，步驟包括：幾何體建模和編輯、設(shè)置材質(zhì)及燈光效果、進行場景渲染及烘焙、最后導(dǎo)出.fbx格式模型文件和.tga格式的貼圖素材供Unity3D導(dǎo)入并使用。對于部件，先采用SolidWorks進行制作，模型保存為.STL格式文件然后再導(dǎo)入3ds Max進行渲染烘焙處理，同樣得到.fbx及.tga格式文件供Unity3D處理。

2 實驗環(huán)境場景設(shè)計

Unity3D是實現(xiàn)三維實時互動效果的綜合開發(fā)軟件，它支持多平臺發(fā)布，效果逼真，已成為開發(fā)VR項目的主流引擎。Unity3D開發(fā)效率高，但它并非建模、渲染的專門工具，一些材質(zhì)效果無法直接表現(xiàn)。較好的處理方式就是導(dǎo)入3ds Max渲染和烘培過的模型即表面素材文件，通過“貼圖”方式為實體附上紋理，然后添加直射光對象呈現(xiàn)光照效果。本系統(tǒng)采用了C#語言進行腳本編寫，實現(xiàn)各種功能。

2.1 場景漫游的實現(xiàn)

虛擬實驗系統(tǒng)提供了漫游式的場景瀏覽界面，操作者使用鼠標(biāo)控制位移和視角變化。該效果通過Unity3D引擎的內(nèi)置攝像機（Camera）對象來實現(xiàn)。首先創(chuàng)建攝像機并設(shè)置其組件，然后編寫腳本使其可以呈現(xiàn)并控制整個場景。設(shè)計中，采用了鼠標(biāo)左鍵控制視角、滾輪控制前進后退的操控方式，關(guān)鍵代碼如下：

//鼠標(biāo)滾輪控制z軸視角前后方向的移動

if （Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"） ！= 0）{

Camera.main.transform.Translate （0， 0， Input.GetAxis （"Mouse ScrollWheel"））；

}

// 按下鼠標(biāo)左鍵控制視角左右方向的偏移及歐拉角度旋轉(zhuǎn)偏移

if （Input.GetMouseButton （0）） {

Camera.main.transform.Rotate （-Input.GetAxis （"Mouse Y"），

Input.GetAxis （"Mouse X"）， 0）；

Camera.main.transform.eulerAngles = new Vector3（Camera.main.transform.eulerAngles.x，

Camera.main.transform.eulerAngles.y，0）；

}

//按下鼠標(biāo)中鍵或滾輪微調(diào)視角左右方向的偏移

if （Input.GetMouseButton （2）） {

Camera.main.transform.parent.Translate （-Input.GetAxis （"Mouse X"）/50，

-Input.GetAxis （"Mouse Y"）/50， 0）；

}

2.2 設(shè)計物理阻擋

場景設(shè)計中，物理阻擋和碰撞的處理是不可缺少的部分。否則，在漫游操作時會穿過墻壁，物體在運動時也會穿透其它障礙物，產(chǎn)生場景的失真。

在Unity3D中，處理碰撞和阻擋的常用方法是為實體對象添加碰撞體（Collider）和剛體（Rigidbody）組件，然后通過編寫碰撞體狀態(tài)函數(shù)來體現(xiàn)阻擋或碰撞的效果。場景中的各種物體都可以添加不同形狀的碰撞體，如：給桌子添加盒型碰撞體（Box Collider）、為地面添加地形碰撞體（Terrain Collider）等。

3 機器人及示教器仿真

實驗系統(tǒng)以FANUC M-iA 系列機器人為參照依據(jù)。該系列機器人具有6 自由度關(guān)節(jié)動作， 每個關(guān)節(jié)都由一個電機驅(qū)動控制。機器人可以根據(jù)末端裝置的不同， 從事噴涂、搬運或弧焊等不同工作。該系列機器人的外型結(jié)構(gòu)基本一樣，差別在于不同型號機器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍、最大轉(zhuǎn)速以及末端載重參數(shù)不同。因此，在進行運動仿真設(shè)計時，要結(jié)合不同型號的性能進行模擬。

3.1 機器人運動仿真

Unity3D 可將多個模型組合到一個預(yù)制體（Prefabs）中，組合后的預(yù)制體即為一個整體。邏輯上可以把預(yù)制體當(dāng)作一個父對象來處理，當(dāng)父對象運動時，它包含的每個子對象都會做同樣的運動，虛擬機器人的運動正是通過這樣的方式來實現(xiàn)的。機器人的手臂及手腕的運動取決于6個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，一方面需將部件合理地組合成預(yù)制體，并確定它們相互間的層級關(guān)系；另一方面正確設(shè)置各預(yù)制體的旋轉(zhuǎn)軸，編寫腳本使其以及以指定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。即操作指令發(fā)出后，聯(lián)動的預(yù)設(shè)體及其子部件一起沿指定中心軸旋轉(zhuǎn)，從而呈現(xiàn)機器人的各種動作。

實際機器人具有6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。在創(chuàng)建預(yù)制體時，關(guān)節(jié)J1～J6分別對應(yīng)預(yù)制體j1～j2。 J1的旋轉(zhuǎn)軸為Y 軸，J2、J3、J5 的旋轉(zhuǎn)軸皆為 Z軸，J4、J6的旋轉(zhuǎn)軸為X 軸。機器人外形、關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)方向、各預(yù)制體及部件的層級關(guān)系如圖1所示。

機器人手臂運動的J2關(guān)節(jié)部分腳本代碼如下（其它關(guān)節(jié)運動的處理方式相同）：

switch （button_name） {

case"j2_0"：//鼠標(biāo)點擊了示教器“+Y”按鈕，J2手臂抬起

static_go.j_2.Rotate （0， 0， -rotate_speed（2））；

break； //鼠標(biāo)點擊了示教器“-Y”按鈕，J2手臂抬起

case"j2_1"：//鼠標(biāo)點擊了 按鈕

static_go.j_2.Rotate （0， 0，rotate_speed（2））；

break；

}

3.2 示教器模擬

示教器是應(yīng)用軟件與機器人之間的接口裝置，通過電纜與控制柜連接，可以直接手動控制機器人的運動，也可以通過創(chuàng)建程序并測試校正的方式對機器人示教，以完成姿態(tài)確認和特定的作業(yè)任務(wù)。本實驗系統(tǒng)使用UGUI圖形用戶界面方法，參照 FANUC示教器的控制面板，模擬了虛擬機器人的操作界面，主要實現(xiàn)步驟如下：

（1）創(chuàng)建Canvas（畫布）對象，并在右下角嵌入示教器鍵盤圖像資源；

（2）在畫布左下角添加圖像（Image）對象，并為圖像對象添加6組文本（Text）及輸入欄（Input Field）子對象用于接收數(shù)據(jù)，分別用于控制相對應(yīng)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度。

（3）編寫腳本通過在文本輸入欄接收轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，將輸入的字符轉(zhuǎn)換成數(shù)值傳遞給運動控制函數(shù)，從而調(diào)節(jié)6個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度，部分關(guān)鍵代碼如下：

float rotate_speed（int i）{

try{ return float.Parse（static_go.cav.GetChild（1）.GetChild（0）.GetChild（i）.GetComponent（）.text）/5；

}catch{

return 1.0f/5；

}

}

完成后的交互界面效果如圖2所示。

4 結(jié)束語

虛擬實驗室具有廣闊的應(yīng)用前景，本文設(shè)計的實驗系統(tǒng)，效果清晰逼真，操作簡單，

最后以Web Player形式發(fā)布，支持基于Web頁面的遠程訪問，滿足了不同條件的學(xué)習(xí)需求，在工業(yè)機器人教學(xué)及培訓(xùn)方面具有一定的實用價值和拓展空間，同時也為類似產(chǎn)品的開發(fā)提供了參考依據(jù)。

參考文獻

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作者簡介

莊嚴（1969-），男，江蘇省南京市人。碩士學(xué)位。講師。主要研究方向為圖形圖像處理，虛擬仿真技術(shù)。

作者單位

南京工程學(xué)院計算機工程學(xué)院 江蘇省南京市 211167