移動式四坐標機器人的虛擬裝配研究*

文懷興 岳瑞芳

(陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021)

隨著當今全球化市場競爭的不斷加劇，產品更新換代速度的逐漸提高，在工業生產中，用戶對產品成本、研發周期等方面逐漸有了更高的要求，企業一直在不斷探索能夠同時減少產品設計時間和成本的最先進的設計方法[1]。于是，通過運用先進的虛擬仿真技術來實現人因工程學研究、空氣動力學分析、碰撞檢測與市場調研等研發工作是極有可能的。因此虛擬現實技術受到產業界和信息領域的關注。

虛擬現實(virtual reality,VR)，就是把聲音信息、圖像信息等多種信息通過計算機技術反饋到人，在人的周圍模擬出一個虛擬環境，讓人有一種身臨其境的感覺，從而實現人與虛擬環境的交流、溝通與反饋。通過利用這種技術，當使用者戴上數據手套、頭盔、立體眼鏡等裝置后有身臨其境的感覺。其獨特的3I特性：浸沒感(immersion)、交互性(interaction)和構想性(imagination)，充分體現了虛擬現實技術不僅能夠模擬現實又能夠超越現實特性。這種技術現在已經廣泛被應用于通信、導航、雷達、航天等各個產業領域。

虛擬現實在工業生產領域一個重要的應用是虛擬裝配(virtual assembly，VA)。虛擬裝配是虛擬設計和虛擬制造之后的重要組成部分。利用虛擬裝配技術進行產品的裝配模擬，可以將工業產品生產制造的零件與相關的子系統裝配在合適的位置上，從而可以找出最有效的裝配方法，最終給產品制造業提供出一個有效的技術手段，解決生產制造方面的問題，比傳統方式效率更高、質量更好。

1 三維模型的建立

1.1 機器人結構設計

機器人整機結構的設計直接決定機器人預定功能的實現、結構的簡化，甚至一定程度上決定控制系統的復雜程度。目前機器人市場比較成熟的產品有兩種形式，優缺點分別如下：

1.1.1 直角坐標式機器人

直角坐標式機器人的特點是結構簡單、編程容易實現、承重能力較大以及成本低廉，但缺點是占用空間比較大、無法完成復雜的任務，如無法完成帶角度的任務。

1.1.2 關節式機器人

關節式機器人的優點是自由度很高，幾乎可以完成任何軌跡的任務或帶有角度的任務；工作空間較大，能夠完成機身周圍360°范圍內的任務。缺點是結構比較復雜、承載能力較小，特別是編程比較復雜，成本高。

對比兩者的優缺點之后，在最大限度保留三自由度機器人結構的基礎上，根據設計要求，初步擬定四自由度直角坐標機器人整機結構的方案如圖2所示。

(1)X軸由安裝在絲杠螺母副上的X軸步進電機7帶動同步帶輪4驅動同步帶5實現X軸方向的左右運動。同步帶輪較齒輪齒條，柔性好，對機械加工要求低。

(2)Y軸方向由步進電動機11驅動同步帶輪12，經同步帶14傳動帶動帶輪，最終驅動腳輪1在軌道上滾動，實現機器人的前后運動。

(3)Z軸方向選用T型絲杠螺母副，由步進電動機6帶動絲杠10繞Z軸做旋轉運動，從而驅動螺母9及固定在其上的整個手臂部分4做上下直線運動。

(4)C軸回轉運動，由固定于底板13上的步進電動機2帶動回轉驅動3運動，進而使機器人的整個上部做回轉運動。

1.2 機器人三維建模

四自由度直角坐標機器人及其執行裝置一共包括100多種零件，根據其結構的不同可以分為簡單零部件、較復雜零部件和復雜零部件。

(1)機器人的Z軸連接架、上頂板、Z軸電動機支座等零件是箱體類的零件，它們由最簡單的特征經過拉伸、切除、拔模等一系列步驟生成零件。

(2)機器人的C軸回轉副中的回轉驅動、Y軸行走機構等部件，它們的共同點是由多個零部件組成，并且設計了參照關系。首先需要在SolidWorks的零件模式下生成主控零件，然后將這個零件裝配到SolidWorks的裝配模式下，其他零件都圍繞這個主控零件來進行裝配設計，設計尺寸都是以主控件的尺寸為參照。

(3)四自由度直角坐標機器人整機裝配。從前面部分的論述可以看出，本四自由度直角坐標機器人的所有零部件有的是三自由度直角坐標機器人的原有零部件，也有重新設計的新的零部件，因此本文采用的是自頂向下和自底向上兩種設計方法混合的設計策略。裝配時首先完成這些功能組件的裝配，然后再把這些功能組件裝配成機器人的整機模型。機器人部分功能組件如圖2所示。圖3為裝配后的機器人整機模型。

2 四坐標機器人虛擬裝配的關鍵技術

EON Studio是一款運用虛擬現實技術進行 3D 對象展示、運動仿真、虛擬裝配的多功能軟件。它是一個完全基于 GUI 的設計工具，能夠開發出應用于銷售、電子商務、機械、建筑以及教育培訓等領域的實時 3D多媒體應用程序。使用者在EON 的3D 環境中，通過瀏覽器與顯示的圖形化模型產生的交互，都會及時地反映在虛擬環境中，如鼠標及鍵盤等標準的配備，或者用數據手套等虛擬環境設備，即可與虛擬環境中的實體產生互動行為[2]。

2.1 模型導入

機器人三維模型導入EON Studio步驟如下：

(1)在Scene節點下建立節點，用以存放機器人組件，拖動一個frame節點至sence節點下。

(2)選中frame節點，點擊File菜單，在Import選項中選取SolidWorks一項。

(3)在Import file對話框中找到機器人的文件，單擊“打開”按鈕進行導入。

(4)導入成功后，可以看到機器人所有零件的節點保存到機器人節點下。圖4是導入成功后的節點。

2.2 拆卸流程圖

在EON Studio中進行虛擬拆卸時，主要用到支持平移、旋轉的功能節點(如Keyfraem節點、Path節點、Place節點等)和傳感器節點(如ClickSensor節點、KeyboardSensor節點、MouseSensor節點等)。本文采用Place節點和2Dtext節點，來實現虛擬拆卸。拆卸流程圖如圖5。

拆卸設置的相關步驟如下：

(1)在Simulation Tree對話框中找到第一個要拆卸的節點dianji，在左端Agent Nodes中找到Place節點，將其拖到dianji下方，并且命名dianji-1。

(2)根據零件的先后拆卸順序依次插入Place節點。

(3)將編重命名的節點拖到左邊的routes框中，用連接線連接所有節點，如圖6所示。

(4)對每個零部件拆卸的距離、方向、時間及啟動方式參數進行設定，如圖7所示。

虛擬拆裝部分如圖8所示。虛擬裝配是虛擬拆卸的逆過程，在進行節點設置時，節點順序相反，然后連接，節點參數方向相反，時間相同。

2.3 虛擬手運動仿真

EON studio作為仿真平臺，其提供的Rotate、Place節點能夠方便地實現整個運動過程的仿真。下面詳細說明在EON studio中實現機械手抓取物體仿真的具體步驟。

(1)將2D Text節點拖動到Scence節點下，單擊該節點，在右側屬性框中把文本修改為“運動仿真”，其作用是在仿真窗口中當左鍵單擊“運動仿真”文本框時，即可觸發應用程序的仿真指令。

(2)分別把Rotate節點拖動到機械手的各個節點下，并把它們重新命名以便操作。

(3)將2D Text節點和所有Rotate節點拖動到邏輯關系視窗中，把2D Text節點的OnButtonDown輸出域與Rotate節點的SetRun輸入域相連，左鍵單擊“運動仿真”按鈕，應用程序開始進行運動仿真。仿真過程部分截圖如圖9所示。

2.4 人機交互性的設置

在虛擬拆裝訓練中，拆裝過程必須通過人機交互來實現。在本文所開發的系統中，虛擬環境下人與裝配元件之間的行為交互，是通過系統中設置的傳感器(如：MouseSensor，Keyboardscnsor，BoxSensor，TimeSenor等)觸發、事件驅動和路由機制(路由定義了節點間的連接方式及事件(event)的發送與接收方式，表達了節點與節點之間的某種特定的關聯關系)實現的。其實現步驟如下：

(1)將鼠標傳感器(mousesensor) 節點和Drag-Drop 節點放置在工具模型的frame 節點目錄下。

(2)將MouseSensor 節點輸出域中的CurorPosition項(輸出鼠標位置)連接到DragDrop 節點輸入域中，接收由鼠標傳感器傳來的指令信息。

(3)按住鼠標右鍵拖動維修工具，到達指定區域后工具高亮顯示。

(4)松開鼠標，工具即進入工作狀態，自動對部件進行拆裝操作。

2.5 多角度觀測的設置

漫游節點(walk about node)與步行節點比較類似，也是用來在模擬場景中實現漫游的，但兩者區別在于，漫游節點是用鍵盤進行操作，而步行節點是由鼠標或者是其操作桿進行操作控制的。

應用此節點時，漫游的具體步驟是，首先在節點視窗中拖動漫游節點到樹狀結構視窗中指定的節點下，便可以實現在虛擬場景中的漫游。還可以根據個人的習慣，在漫游節點的屬性框中進行自己的設置，如速度、控制鍵等等，以實現在虛擬場景中漫游時能高效率的操作和快速的漫游。

EON中默認的鍵盤設置與對應功能如表1所示。

3 結語

(1)利用SolidWorks設計出移動式四坐標機器人并建立其三維模型，彌補了傳統直角坐標機器人和關節機器人的不足。在明確系統的技術體系以及研究對象的基礎上，提出機器人產品虛擬裝配系統的體系結構。該過程將虛擬裝配系統分為輸入、輸出和虛擬拆裝環境三個子系統，在無需實體模型前提下，實現裝配過程的優化。

(2)建立面向機械類產品的虛擬裝配環境，該環境支持調整產品的觀察縮放、視角、平移、標示零部件不同的顏色，控制零件的顯示與隱藏等功能。

(3)需進一步將機械手與機器人相結合，完成整機的虛擬拆裝系統，并運用虛擬手套等交互感和沉浸感更強的技術，以此實現更高級的人機交互。

表1 鍵盤設置與功能

功能控制鍵跑(Run)S左轉(Rotateleft)Leftarrow向前走(Forward)Uparrow右轉(Rotateright)Rightarrow向后走(Back)Downarrow向左(Left)A向右(Right)S前進(Up)Numpad+后退(Down)Numpad＿中心查看(Centerlook)End向上看(LookUp)Pagedown向下看(LookDown)Delete

[1]姚瑤.虛擬裝配理論與方法研究[J].北京：北京理工大學，2002：49-50.

[2]王嵐，劉怡，梁忠先.虛擬現實Eon Studio 應用教程[M].天津:南開大學出版社，2007.

[3]熊建國.工業機器人的應用和發展趨勢[J].才智，2009(1)：166-167.

[4]王倩，葉安英，李穎芝.Pro/E虛擬仿真在車床拆裝實訓教學中的應用[J].制造機床與技術，2012(2)：29-31.

[5]李剛，周文寶.直角坐標機器人簡述及其應用介紹[J].伺服控制，2008(9)：72-75.

[6]劉誠，付宜利.基于EON 的交互式虛擬裝配仿真系統的設計與實現[J].東北林業大學學報，2009，37(8):109-111.

[7]陳嬌龍，朱俊平，楊福增.基于Virtools的山地遙控拖拉機虛擬裝配技術研究[J].農機化研究，2013(6)：214-217.

[8]楊雪松.基于Unity 3D的發動機虛擬拆裝系統研究[J].機械設計與研究，2016(1)：32-35.

[9] Sing-Ling Tsai, Sin-Kuo Chai.The use of virtual reality computer simulation in learning port-A cath injection[J].Advances in Health Sciences Education, 2008, 13 (1):71-87.

[10] K M Curby, I Gauthier.The timecourse of expert and novice visual object encoding[J].Journal of Vision, 2010, 6(6):278.