基于3dsMAX的6軸機器人工業(yè)動畫實現(xiàn)方法分析

文繼宏

（深圳航天龍海特智能裝備有限公司 哈爾濱分公司，黑龍江 哈爾濱 150001）

1 工業(yè)動畫概述

近幾年自動化領(lǐng)域中的工業(yè)動畫技術(shù)得到快速發(fā)展，工業(yè)動畫作為三維動畫范疇中一個細(xì)小的分支也越來越受到本行業(yè)的重視，大型或較為復(fù)雜的工程項目常需要用工業(yè)動畫的形式作為前期設(shè)計方案的說明或檢驗方案是否合理的手段，因此工業(yè)動畫在整個工程項目中起著重要的作用。

工業(yè)動畫制作方法繁多，但概括起來大致可以把制作軟件分為以下三類：①機械工程類軟件；②專業(yè)動畫制作軟件；③仿真軟件。第一類作為機械類制造軟件制作工業(yè)動畫有其自身的優(yōu)越條件，制作工業(yè)動畫時建模無需導(dǎo)入其他軟件，在其自身軟件內(nèi)部就可完成，缺點為制作的動畫粗糙，主要原因是軟件的功能重點為機械制造方向，其制作動畫的功能有限，很難制作出完善精美的動畫。第二類專業(yè)動畫制作軟件與第一類相比恰好相反，制作工業(yè)動畫時需要將模型導(dǎo)入其中，之后制作工業(yè)動畫操作簡單，功能多樣，渲染效果極好，通常有很多種渲染器可以選擇，在沒有模型可導(dǎo)入時其往往也支持內(nèi)部建模。第三類仿真軟件在制作工業(yè)動畫時更加繁瑣，因其本身并非制作工業(yè)動畫的專業(yè)軟件，而是側(cè)重仿真與數(shù)據(jù)計算，操作者需要掌握一定量的編程語言。

2 3dsMAX軟件概述

3dsMax是基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件。在Windows NT出現(xiàn)以前，工業(yè)級的CG制作被SGI圖形工作站所壟斷。3sstudio Max＋Windows NT組合的出現(xiàn)一下子降低了CG制作的門檻，該軟件首先被運用在電腦游戲的動畫制作中，后進(jìn)一步開始參與影視片的特效制作。在Discreet 3dsMAX 7后，先后升級到3.0、4.0、5.0等版本，3dstudio MAX 5.0版本加入了令人期待的動力學(xué)插件reactor，3dstudio MAX 2000以后的后期版本均包括運動學(xué)解算器HD、HI和兩足動畫插件character studio。實質(zhì)上3dsMAX與MAYA已經(jīng)成為三維動畫制作的標(biāo)桿軟件，同類別軟件中在功能上以及完成效果上幾乎沒有能與之抗衡的。

3dstudio MAX軟件廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計、建筑設(shè)計、三維動畫、多媒體制作、游戲以及工程可視化等領(lǐng)域。

3 3dsMAX與SolidWorks制作工業(yè)動畫實現(xiàn)方法分析

3.1 案例背景

本案例要求是為每個“封蓋部件”安裝2個“金屬墊片”，如圖1所示，金屬墊片來料為人工手動放置于輸送帶上，后由6軸機器人末端吸取工具抓取之后進(jìn)行組裝，要求機器人在約6s之內(nèi)完成。

圖1 虛擬體運動學(xué)解算后

3.1.1 產(chǎn)品參數(shù)

封蓋部件：外徑為600mm，高為240mm。

金屬墊片：重量為2.5kg，外半徑為300mm，內(nèi)半徑為200mm，厚為5mm。

3.1.2 機器人擬選型

瑞士 ABB IRB 2600-12／1.85；6軸；負(fù)載12kg；臂展1.85m。

3.1.3 機器人動作規(guī)劃

機器人末端執(zhí)行器帶有視覺識別系統(tǒng)，識別2個金屬墊片位置與角度后抓取墊片并將其安裝于封蓋部件。機器人末端每個組裝循環(huán)為：末端→A→B→C→D→E→F→G→H→A。各點的作用如下：A：開機后末端默認(rèn)位置；B：末端到達(dá)距離最近金屬墊片的上方位置；C：吸取第一個金屬墊片位置；D：末端拾取后到達(dá)對應(yīng)側(cè)金屬墊片的上方位置；E：吸取第二個金屬墊片位置；F：提起到一固定高度位置；G：到達(dá)封蓋部件上方位置；H：組裝金屬墊片位置；A：返回默認(rèn)原點位置。

3.2 兩個軟件制作流程及差異

用3dsMAX制作流程如下：導(dǎo)入機器人模型→制作虛擬體并進(jìn)行運動學(xué)逆解→機器人三維模型鏈接于虛擬體→制作關(guān)鍵幀動畫→完成。

用SolidWorks制作流程如下：導(dǎo)入機器人模型→為機器人關(guān)節(jié)添加自由度限制→制作關(guān)鍵幀動畫→完成。

兩個軟件都能制作6軸機器人工業(yè)動畫，但其實現(xiàn)方法上完全不同，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）自由度約束方法不同。3dsMAX是首先需要制作符合機器人運動學(xué)原理的虛擬體，后對其進(jìn)行逆解，機器人模型被虛擬體約束。而SolidWorks是以鎖定模型與模型的約束來實現(xiàn)某一特定自由度。

（2）關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角限制方法不同。3dsMAX中對任一活動自由度都可添加限制，即任一關(guān)節(jié)都有6個自由度，當(dāng)逆解為關(guān)節(jié)時就只剩下3個旋轉(zhuǎn)自由度，實際上機器人關(guān)節(jié)只有一個軸的旋轉(zhuǎn)自由度，其他自由度進(jìn)行限制也是無效狀態(tài)。SolidWorks模型由于沒有采用運動學(xué)逆解，因此其關(guān)節(jié)限制采用的是模型與模型虛擬碰撞（當(dāng)不選擇應(yīng)用機器人模塊時是這樣），可以達(dá)到模型與模型碰撞后無重疊的仿真效果，其用途有時還可以用于檢測虛擬裝配過程。3dsMAX也有碰撞分析功能但很少用于對自由度的限制。

（3）處理層級關(guān)系的方法不同。3dsMAX中機器人各關(guān)節(jié)有著嚴(yán)格的層級關(guān)系，例如5軸是4軸的子級、是6軸的父級，層級關(guān)系一旦確定不可改變。在SolidWorks中無需考慮父子關(guān)系，其父子關(guān)系靠自由度少的限制自由度多的模型實現(xiàn)模擬運動。例如，在SolidWorks中把機器人1軸模型固定后再去拉動6軸模型和把6軸模型固定后再去拉動1軸模型沒有什么區(qū)別，都能正常模擬各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。但在3dsMAX中就不同，拉動1軸后機器人會整體移動，再去拉動6軸后1軸不會移動但允許其轉(zhuǎn)動。即兩者在1軸固定后去移動末端時效果相同，反過來模擬效果就不同。

4 3dsMAX案例動畫制作步驟

4.1 制作前的設(shè)置

制作前的設(shè)置如下：①將機器人底座（1軸）置于世界坐標(biāo)系（0，0，0）處；②動畫幀率設(shè)置為30幀／s，并設(shè)置動畫長度為6s，即幀長度為180，幀率選擇NTSC，這樣動畫幀率就為30幀／s；③將IK反向運動學(xué)計算時間長度也改為180幀。

4.2 動畫制作步驟

動畫制作步驟如下：①將末端虛擬體移至表1的A點處；②按下切換設(shè)置關(guān)鍵點模式，使整個時間滑條變?yōu)榧t色；③再移動時間滑塊至20幀處；④移動末端虛擬體至B點處，按一下設(shè)置關(guān)鍵點。以此對末端虛擬體重復(fù)進(jìn)行“③與④”的步驟按照表1中的A至H順序進(jìn)行設(shè)置，共8個關(guān)鍵點位，每個關(guān)鍵點位的發(fā)生時間參考幀一欄的值。設(shè)置完成后點起切換設(shè)置關(guān)鍵點模式，最后觀察動畫結(jié)果。表1為6軸角度偵測結(jié)果。

表1 6軸角度偵測結(jié)果

5 案例機器人運動速度分析

動畫制作完成后對6軸虛擬體進(jìn)行角度變化偵測、分析其速度。表1中右側(cè)部分為對6軸虛擬體的偵測結(jié)果。末端虛擬體在位置A到位置B的過程中1軸虛擬體的轉(zhuǎn)動角度由0°（相對于父級地面）變?yōu)椋?2.2°，也就是表1中的1軸角度變化值為－42.2°，其值也是此軸在幾次點位變化中角度變化的最大值。即1軸最高速度達(dá)到了126.6°／s，6軸角度變化最大值見表2。以此方法對每軸實際最大速度進(jìn)行計算，將得出結(jié)果與廠家提供的每軸最高允許速度進(jìn)行比較，可見機器人模擬動畫每軸速度沒有超出廠家給出的每軸允許最高速度，如圖2所示，機器人運動時間可以達(dá)到案例所述要求。值得一提的是：用戶一般以“標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍時間”來作為速度性能指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)，以ABBIRB460碼垛機器人為例，機器人末端帶60kg負(fù)載，向上400mm、平移2 000 mm、向下400mm，然后按原路徑返回起點這就是一個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍時間。ABBIRB460碼垛機器人一個小時內(nèi)最多可完成2 190次標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍，即一個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍僅需約0.6s，單程僅需0.3s，也就是2 000mm僅需約0.3s。

6 3dsMAX制作6軸機器人虛擬運動的意義與注意事項

通過3dsMAX實現(xiàn)了對6軸機器人虛擬運動的模擬，解決了許多在項目前期與機器人相關(guān)的問題，例如：購買多大的機器人能滿足項目要求、機器人擺放在哪里合適、機器人運動過程是否與周邊設(shè)備碰撞、在規(guī)定的時間內(nèi)機器人能完成哪些動作等等。另外值得注意的是，當(dāng)虛擬設(shè)計值與機器人性能指標(biāo)十分接近時，最終需要采用機器人仿真軟件或?qū)嶋H驗證的方法才能下結(jié)論。事實上，例如機器人臂展為1.5m，那么很少會設(shè)計讓其取放1.499m的部件，應(yīng)預(yù)留一定的裕量。

表2 6軸角度變化最大值

7 結(jié)語

本文介紹了可制作工業(yè)動畫的相關(guān)軟件，對3dsMAX在具體實現(xiàn)方法上與具體制作步驟上做了闡述。3dsMAX為工業(yè)自動化生產(chǎn)線的前期方案設(shè)計、設(shè)計評審、工業(yè)機器人應(yīng)用、生產(chǎn)線布局等提供了一種簡潔快速的方法，提高了工作效率。

圖2 角度轉(zhuǎn)速對比