吳俊強(qiáng)， 鄒旻

（1.珠海市第一中等職業(yè)學(xué)校，廣東 珠海 519000；2.珠海市理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 珠海 519000）

目前，很多領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化、半機(jī)械化，甚至少數(shù)領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了全機(jī)械化、全自動(dòng)化［1］。工業(yè)作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的代表，在拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中做出了巨大的貢獻(xiàn)。在當(dāng)今很多工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用，不僅提高了生產(chǎn)效率，還能夠降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。工業(yè)機(jī)器人作為一種較為高端的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，其操作難度較大，因此在實(shí)際上手操作前，針對(duì)工業(yè)機(jī)器人往往會(huì)開展教學(xué)培訓(xùn)。但是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格高昂，要是開展實(shí)際教學(xué)，不僅資源不足，成本也高［2］。若是損壞，維護(hù)困難大。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人操作培訓(xùn)中可以很好地解決上述問(wèn)題，極大地模擬了實(shí)操行為，讓被培訓(xùn)者更好地理解工業(yè)機(jī)器人操作過(guò)程?；诖?，關(guān)于虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用中研究有很多。例如，用于采摘機(jī)器人當(dāng)中，設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人虛擬仿真平臺(tái)并重點(diǎn)研究了采摘機(jī)械手路徑優(yōu)化問(wèn)題［3］；應(yīng)用于汽車焊裝機(jī)器人控制當(dāng)中，借助Tecnomatix數(shù)字化虛擬仿真軟件，搭建機(jī)器人虛擬模型，對(duì)多機(jī)器人焊接過(guò)程進(jìn)行仿真［4］。本文結(jié)合前人研究經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)并設(shè)計(jì)了一款工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)以期解決當(dāng)下工業(yè)機(jī)器人操作培訓(xùn)困境，提高學(xué)習(xí)培訓(xùn)質(zhì)量。

1 基于虛擬仿真技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)研究

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作難度大，要想熟練掌握其操作，進(jìn)行操作培訓(xùn)是必不可少的。然而，由于工業(yè)機(jī)器人價(jià)格昂貴，要想對(duì)每個(gè)人進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練難以實(shí)現(xiàn)。為此，開發(fā)并設(shè)計(jì)了一種工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)主要分為三部分，即框架搭建、硬件設(shè)計(jì)、功能模塊設(shè)計(jì)。

1.1 系統(tǒng)框架搭建與設(shè)計(jì)

以MVP架構(gòu)為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)的三層框架結(jié)構(gòu)，即下端基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、中端作業(yè)管理層以及上端操作控制層。

（1）下端基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)空間數(shù)據(jù)、操作口令等，為虛擬仿真操作奠定基礎(chǔ)。

（2）中端作業(yè)管理層中包括了各種業(yè)務(wù)邏輯模型，主要負(fù)責(zé)虛擬工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和作業(yè)，建立與上端操作控制層的通信連接。

（3）上端操作控制層主要為用戶服務(wù)，在用戶的控制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)作業(yè)過(guò)程的仿真，從而達(dá)到訓(xùn)練的目的。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件是指系統(tǒng)中的物理設(shè)備，是軟件程序和功能實(shí)現(xiàn)的外在載體。本系統(tǒng)以PLC作為核心在三維建模的基礎(chǔ)上，通過(guò)通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)用戶虛擬操作設(shè)備與仿真工業(yè)機(jī)器人之間的聯(lián)通，控制仿真工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行各種作業(yè)［5］。在整個(gè)系統(tǒng)硬件中，有兩個(gè)關(guān)鍵物理設(shè)備：

一是虛擬操作設(shè)備，其作用是現(xiàn)實(shí)用戶與虛擬機(jī)器人之間聯(lián)動(dòng)的載體，包括VR眼鏡、虛擬交互手套。VR眼鏡的作用是讓現(xiàn)實(shí)中的用戶能夠看到虛擬場(chǎng)景中的一切虛擬事物，包括工業(yè)機(jī)器人、工件、操作臺(tái)等；虛擬交互手套是現(xiàn)實(shí)用戶能夠控制虛擬空間中虛擬事物動(dòng)作的載體，可進(jìn)行虛擬場(chǎng)景中物體的抓取、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等，是工業(yè)機(jī)器人虛擬操作培訓(xùn)實(shí)現(xiàn)不可缺少的硬件。

二是虛擬仿真機(jī)器人建模數(shù)據(jù)采集設(shè)備。虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建是虛擬操作過(guò)程不可缺少的。要想更為真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)工業(yè)機(jī)器人的實(shí)操，就要在虛擬空間中將現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景一比一還原，這樣能夠極大增強(qiáng)訓(xùn)練者的真實(shí)感和沉浸感，讓虛擬操作更加接近真實(shí)情況［6］。本系統(tǒng)中選用的虛擬仿真機(jī)器人建模數(shù)據(jù)采集設(shè)備為激光掃描儀。針對(duì)工業(yè)機(jī)器人以及機(jī)器人所在的工業(yè)場(chǎng)景進(jìn)行激光掃描，獲取其點(diǎn)云數(shù)據(jù)。借助建模工具，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景建模。

1.3 功能模塊設(shè)計(jì)

功能模塊隸屬于系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的一種，是系統(tǒng)各種業(yè)務(wù)邏輯運(yùn)行的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)關(guān)鍵功能模塊有兩個(gè)，即虛擬建模模塊以及仿真操作與控制模塊。下面對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵功能模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行具體分析。

1.3.1 虛擬建模模塊

虛擬建模模塊即針對(duì)現(xiàn)實(shí)中工業(yè)機(jī)器人及其工作場(chǎng)景在虛擬空間中建立對(duì)應(yīng)的仿真模型，具體過(guò)程如下：

步驟1：設(shè)置激光掃描儀工作參數(shù)。

步驟2：利用激光掃描儀掃描工業(yè)機(jī)器人及其工作場(chǎng)景的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

步驟3：對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括去噪和約簡(jiǎn)兩個(gè)步驟。前者去除噪聲點(diǎn)數(shù)據(jù)。采用的方法為雙邊濾波方法，去噪公式如下：

其中，

式中，xi、xi′代表去噪前、后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；yj代表靠近xi的第j個(gè)鄰近點(diǎn)；ri代表xi的法向；M（xi）表示Si鄰域點(diǎn)的隸屬度；S表示xi-yj與xi法向ri的內(nèi)積；v和v^代表雙邊濾波的參數(shù)；w代表雙邊濾波的權(quán)重因子。

后者約簡(jiǎn)是指去除不重要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，降低其數(shù)量，減少后續(xù)計(jì)算量。在這里可以通過(guò)建立立方體網(wǎng)格的方法實(shí)現(xiàn)。首先確定空間點(diǎn)采樣間隔，記為T；然后搜索三個(gè)方向的極值點(diǎn)，建立所有空間點(diǎn)的外接立方體。根據(jù)T將外接立方體劃分為若干小立方體。最后對(duì)每個(gè)小立方體進(jìn)行遍歷，判斷其中是否存在唯一的空間點(diǎn)，若存在唯一的空間點(diǎn)，則保留不變；否則，確定這些點(diǎn)的重心點(diǎn)，然后計(jì)算這些點(diǎn)與重心點(diǎn)之間的距離值，其中最近的點(diǎn)保留，其余篩除，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)［7］。點(diǎn)與重心坐標(biāo)的距離值計(jì)算公式如下：

式中，dio代表第i個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與重心坐標(biāo)之間的距離；（xi，yi，zi）代表第i個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)；第i個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)代表重心點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

步驟4：進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)。

步驟5：根據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行三維虛擬模型建立，過(guò)程如下：

（1）在點(diǎn)云中搜索最優(yōu)內(nèi)插中心點(diǎn)，記為Ai；

（2）確定Ai的最優(yōu)支撐域B（Ai）；

（3）在各內(nèi)插中心Ai，以支撐域B（Ai）為半徑建橢球體，分解點(diǎn)云單元；

（4）在各橢球體內(nèi)用待求函數(shù)對(duì)曲面局部逼近；

（5）用CS-RBF函數(shù)對(duì)各相鄰橢球體的局部逼近曲面加權(quán)擬合，得到空間曲面模型，即三維虛擬框架模型。

步驟6：對(duì)三維虛擬框架進(jìn)行紋理映射，使其更接近真實(shí)物體。

步驟7：對(duì)整個(gè)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行渲染，使得虛擬場(chǎng)景更加“真實(shí)”。

1.3.2 仿真操作與控制模塊

在完成加工業(yè)機(jī)器人及其工作場(chǎng)景的虛擬建模之后，用戶穿戴好虛擬操作設(shè)備，通過(guò)通信設(shè)備與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行聯(lián)通，就可以進(jìn)行仿真操作與控制［8］。具體過(guò)程如圖1所示。

圖1 仿真操作與控制流程

按照上述流程，用戶就可以對(duì)虛擬空間中的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行操作，控制其完成各種作業(yè)，實(shí)現(xiàn)模擬訓(xùn)練。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

2.1 工業(yè)機(jī)器人概況

工業(yè)生產(chǎn)中最常見的工作之一就是對(duì)工件進(jìn)行分揀，因此分揀機(jī)器人發(fā)展得較為成熟。隨著分揀對(duì)象的越來(lái)越小，越來(lái)越脆弱，對(duì)分揀機(jī)器人的作業(yè)精度有了更高要求，因此操作難度更大。為此，以分揀機(jī)器人為對(duì)象，測(cè)試本系統(tǒng)的性能。該分揀機(jī)器人為6軸機(jī)械臂形態(tài)，各關(guān)節(jié)具體參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)器人各自關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

2.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線

以一個(gè)5mm的球形零件作為分揀對(duì)象，假設(shè)將其從工作臺(tái)A移動(dòng)到工作臺(tái)B。分揀機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線如圖2所示。

圖2 分揀機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)曲線圖

2.3 系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果

建立虛擬場(chǎng)景后，控制虛擬分揀機(jī)器人完成一系列分揀動(dòng)作，然后統(tǒng)計(jì)虛擬分揀機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)軸的動(dòng)作與實(shí)操動(dòng)作的偏差。偏差越大，說(shuō)明虛擬分揀機(jī)器人并不能準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)實(shí)中分揀機(jī)器人的分揀動(dòng)作，二者不能同步。而虛擬仿真系統(tǒng)最關(guān)鍵的就是讓模擬機(jī)器人的動(dòng)作與現(xiàn)實(shí)中機(jī)器人的動(dòng)作越一致越好，否則就達(dá)不到虛擬訓(xùn)練的目的。選擇分揀動(dòng)作過(guò)程中10個(gè)時(shí)間點(diǎn)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，然后計(jì)算偏差絕對(duì)值，最后計(jì)算平均值，結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果

從表2中可以看出，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用下，虛擬機(jī)器人與實(shí)際機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)之間的偏差絕對(duì)值均值都小于0.1mm，由此說(shuō)明該系統(tǒng)控制下，虛擬機(jī)器人的分揀動(dòng)作基本與實(shí)際保持一致，證明了系統(tǒng)的性能。

3 結(jié)論

工業(yè)機(jī)器人的使用雖然能夠提高生產(chǎn)效率，但前提是能夠熟練操作和運(yùn)用，否則更容易出現(xiàn)工作失誤，因此需要進(jìn)行實(shí)操培訓(xùn)。而進(jìn)行實(shí)操需要花費(fèi)很大的成本，為此，進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)研究。該研究通過(guò)控制虛擬空間中的模型來(lái)達(dá)到訓(xùn)練目的，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)計(jì)算偏差證明了系統(tǒng)的性能。