基于虛擬現(xiàn)實(shí)的工業(yè)機(jī)器人路徑跟蹤控制仿真

毛芳芳，朱仁義

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的工業(yè)機(jī)器人路徑跟蹤控制仿真

毛芳芳1，朱仁義2

（1.阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程科技學(xué)院，安徽 阜陽 236031；2.巢湖學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

在機(jī)器人路徑仿真跟蹤的仿真過程中，由于對(duì)機(jī)器人模型運(yùn)動(dòng)角度控制不當(dāng)，時(shí)常出現(xiàn)路徑控制仿真結(jié)果與既定路徑不符的情況。為此，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人路徑跟蹤控制仿真中。根據(jù)工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果，在選定的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中構(gòu)建機(jī)器人3D運(yùn)動(dòng)模型以及控制環(huán)境模型。采用虛擬運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算公式，完成機(jī)器人路徑跟蹤模擬控制算法的設(shè)計(jì)。通過此公式計(jì)算結(jié)果，監(jiān)督機(jī)器人模型路徑跟蹤過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角度的控制。至此，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的工業(yè)機(jī)器人路徑跟蹤控制仿真方法設(shè)計(jì)完成。構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，通過與其他兩種方法對(duì)比可知，此方法的路徑控制仿真結(jié)果與既定路徑一致。綜上所述，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可有效彌補(bǔ)原有仿真方法的不足。

聯(lián)合仿真；路徑跟蹤；工業(yè)機(jī)器人；虛擬控制

近年來，工業(yè)機(jī)器人的使用范圍逐步擴(kuò)大，工業(yè)機(jī)器人的需求量爆炸式增長。工業(yè)機(jī)器人是一種可進(jìn)行仿真操作的可多次編程的在三維空間中完成多種高難作業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，其主要使用范圍為批量化生產(chǎn)的廠房以及多品種產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境[1-2]。工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)自動(dòng)化的主要推動(dòng)力之一。隨著其更深更廣方向的發(fā)展以及其智能化水平的提升，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

目前，隨著機(jī)器人研究的不斷深入，工業(yè)機(jī)器人制造業(yè)也得到不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人路徑跟蹤技術(shù)作為機(jī)器人設(shè)計(jì)以及機(jī)器人安全性研究的重要組成部分之一[3]。就目前的研究水平，多采用對(duì)其進(jìn)行仿真的形式，展開對(duì)路徑跟蹤控制研究。工業(yè)機(jī)器人路徑跟蹤控制仿真，在工業(yè)機(jī)器人的研制、設(shè)計(jì)、開發(fā)中發(fā)揮著重要的作用。傳統(tǒng)研究方法中涉及到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃以及控制算法部分[4-5]，通過這幾部分的有機(jī)結(jié)合，模擬機(jī)器人的控制狀態(tài)，但是傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人路徑跟蹤控制仿真方法對(duì)于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)角度控制能力較差，因此，在此次研究中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，增加對(duì)控制環(huán)境的仿真，并根據(jù)此設(shè)計(jì)結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角度的模擬。根據(jù)機(jī)器人的使用特征，選用合適的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件完成此工作。在此次研究結(jié)束后，通過對(duì)比測(cè)試，得到研究中設(shè)計(jì)方法的使用效果，證實(shí)仿真方法設(shè)計(jì)的有效性。

1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的工業(yè)機(jī)器人路徑跟蹤控制仿真方法設(shè)計(jì)

1.1 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析的過程中，將其分為運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)兩部分[6-7]。通過對(duì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模式的研究，將機(jī)器人的運(yùn)行結(jié)構(gòu)設(shè)定為如下。

圖1 工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖

通過上述機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，整理可得工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力方程，具體如下所示：

通過式(5)對(duì)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行控制，并得到機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析公式：

1.2 工業(yè)機(jī)器人及控制環(huán)境3D建模

在此次設(shè)計(jì)中，采用3DS MAX軟件[11-12]結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在Virtools虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人以及其路徑跟蹤控制環(huán)境的3D模型，作為機(jī)器人路徑跟蹤控制的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景構(gòu)建中需要設(shè)計(jì)的內(nèi)容較多，采用圖2中的設(shè)計(jì)內(nèi)容完成設(shè)計(jì)過程。

圖2 虛擬控制場(chǎng)景模型構(gòu)建結(jié)果

將上述設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，作為工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，并構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人虛擬模型。使用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果，獲取模型構(gòu)建數(shù)據(jù)，通過SolidWorks模塊[13]構(gòu)建機(jī)器人幾何模型，調(diào)整場(chǎng)景坐標(biāo)。調(diào)整機(jī)器人模型的紋理及著色，設(shè)定正確運(yùn)動(dòng)方式。根據(jù)機(jī)器人屬性，設(shè)定腳本代碼，完成機(jī)器人模型構(gòu)建。在模型構(gòu)建的過程中，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)展開詳細(xì)的處理，為保證3D模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性，將機(jī)器人的關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫的形式存儲(chǔ)，具體數(shù)據(jù)包括機(jī)器人噴繪參數(shù)、機(jī)器人噴涂工件參數(shù)、機(jī)器人模型參數(shù)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)腳本編寫采用C++中的ADO技術(shù)訪問數(shù)據(jù)庫，此技術(shù)具有易于操作、速度快、內(nèi)存支出少的優(yōu)點(diǎn)，且此技術(shù)可用于數(shù)據(jù)庫訪問，提升數(shù)據(jù)獲取的有效性。

1.3 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人路徑跟蹤控制模擬

以上述設(shè)計(jì)完成的工業(yè)機(jī)器人及運(yùn)動(dòng)環(huán)境3D模型作為路徑跟蹤仿真控制的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)機(jī)器人路徑跟蹤控制算法，實(shí)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中的機(jī)器人路徑跟蹤控制。

在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Virtools中，以機(jī)器人的3D模型中心坐標(biāo)為原始運(yùn)動(dòng)端點(diǎn)，通過輸入設(shè)備將機(jī)器人控制命令和觀察者在空間中的位置信號(hào)輸入給模擬器，并對(duì)其進(jìn)行處理，生成實(shí)際機(jī)器人控制器，執(zhí)行相應(yīng)命令和動(dòng)作，計(jì)算機(jī)器人在虛擬空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡，形成連續(xù)的運(yùn)動(dòng)曲線。將此曲線與額定的運(yùn)動(dòng)曲線方向角差值進(jìn)行對(duì)比，可達(dá)到工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向異常數(shù)據(jù)，并通過此數(shù)據(jù)跟蹤機(jī)器人的移動(dòng)變化角度，完成以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的機(jī)器人模型的路徑跟蹤控制。

將此變量輸入到數(shù)字控制算法中，則模擬控制算法的控制規(guī)律可表示為

2 仿真實(shí)驗(yàn)

通過上述部分，完成基于虛擬現(xiàn)實(shí)的工業(yè)機(jī)器人路徑跟蹤控制仿真方法設(shè)計(jì)，為驗(yàn)證此方法的有效性，采用與原有方法對(duì)比的形式，完成驗(yàn)證過程。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)定

在此次實(shí)驗(yàn)中，使用虛擬現(xiàn)實(shí)VR-Platform仿真平臺(tái)對(duì)機(jī)器人以及其活動(dòng)環(huán)境進(jìn)行仿真，設(shè)定額定的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑，并使用文中設(shè)計(jì)方法以及原有的仿真方法對(duì)路徑控制過程進(jìn)行仿真，對(duì)比仿真后的路徑與額定路徑之間的差異。機(jī)器人額定路徑如圖3所示。

為提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，除上述設(shè)定的路徑對(duì)比外，增加機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角度仿真效果，提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。在額定的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線中，共經(jīng)過4個(gè)障礙物，其運(yùn)動(dòng)的角度如圖4所示。

在此次實(shí)驗(yàn)中，通過仿真結(jié)果與上述設(shè)定結(jié)果對(duì)比形式，完成實(shí)驗(yàn)過程，并對(duì)比文中設(shè)計(jì)方法與原有仿真方法的使用差異。

圖3 額定工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑

圖4 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角度設(shè)定結(jié)果

2.2 路線仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，文中設(shè)計(jì)方法的仿真能力好，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)角度控制能力較強(qiáng)，使用此方法獲取到的路線控制結(jié)果與預(yù)設(shè)的運(yùn)行路徑一致（圖5）。傳統(tǒng)方法1的仿真結(jié)果與預(yù)設(shè)路線差異較小，傳統(tǒng)方法2的仿真效果最差，并未經(jīng)過預(yù)設(shè)的障礙物。與上述兩種方法對(duì)比可知，文中設(shè)計(jì)方法的使用后得到的效果最佳。

圖5 運(yùn)動(dòng)路徑模擬結(jié)果

2.3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過上述結(jié)果可知，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角度進(jìn)行仿真時(shí)，本文方法的仿真效果最佳，其與預(yù)設(shè)結(jié)果角度相同（圖6）。傳統(tǒng)方法1與傳統(tǒng)方法2的仿真結(jié)果與預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)角度出入較大，將其部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上文中的路線仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合可知，文中設(shè)計(jì)方法是3種方法對(duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)具有最佳仿真能力的方法。因而，在日后的工業(yè)機(jī)器人控制中，應(yīng)增加此方法的使用范圍。

圖6 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角度模擬結(jié)果

3 結(jié)束語

本文根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)理論，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行仿真。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提升了對(duì)機(jī)器人控制環(huán)境的處理能力。通過研究可知，在傳統(tǒng)的仿真方法中增加虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可有效完善原有方法在使用中的不足。在日后的研究中，應(yīng)將此方法廣泛的使用于機(jī)器人的研究之中。

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Simulation of path tracking control of industrial robot based on virtual reality

MAO Fang-fang1，ZHU Ren-yi2

(1.Fuyang Institute of Technology, Institute of Technology, Anhui Fuyang 236031, China;2.School of Electronic Engineering, Chaohu University, Anhui Chaohu 238000, China)

In the simulation process of robot path simulation and tracking, due to improper control of robot model motion angle, path control simulation results often do not conform to the given path. Aiming at the problem, virtual reality technology is applied to the simulation of path tracking control of industrial robot. According to the analysis results of dynamics and kinematics of industrial robot, the 3D motion model and control environment model of robot are built in the selected virtual reality software. The simulation control algorithm of robot path tracking is designed by using the calculation formula of virtual motion path. Through the calculation results of this formula, the robot model path tracking process is supervised, and the robot motion angle is controlled. So far, the simulation method of industrial robot path tracking control based on virtual reality has been designed. By comparing with the other two methods, the simulation results of path control of this method are consistent with the established path. To sum up, using virtual reality technology can effectively make up for the shortcomings of the original simulation methods.

joint simulation；path tracking；industrial robot；virtual control

2020-09-05

毛芳芳（1986-），女，安徽宿州人，講師，碩士，主要從事控制理論與控制工程應(yīng)用研究，maofangfang2009@163.com。

TP273;TP242.2

A

1007-984X(2021)01-0011-05