物流機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛董睿　張南

摘 要：以智能搬運(yùn)機(jī)器人為例介紹物流機(jī)器人，系統(tǒng)闡述物流機(jī)器人的工作方式，并以系統(tǒng)建模結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)，對智能機(jī)器人的工作原理、外部形狀以及工作工序進(jìn)行系統(tǒng)化仿真設(shè)計(jì)。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對物流機(jī)器人進(jìn)行仿真模擬，有助于相關(guān)人員了解物流機(jī)器人，推進(jìn)物流工作高效進(jìn)行。同時，通過物流機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)可完善物流機(jī)器人技術(shù)，降低物流行業(yè)運(yùn)營成本，使物流行業(yè)工作更加專業(yè)化，從而更好地服務(wù)于消費(fèi)者。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù);物流管理;物流機(jī)器人;虛擬仿真

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）25-0011-05

Design of Virtual Simulation System for Logistics Robot

XUE Dongrui ZHANG Nan

（Liaoning University of International Business and Economics， Dalian Liaoning 116052）

Abstract： Taking the intelligent handling robot as an example， this paper introduces the logistics robot， systematically expounds the working mode of the logistics robot， and systematically simulates and designs the working principle， external shape and working procedure of the intelligent robot with system modeling and virtual reality technology. Using virtual reality technology to simulate the logistics robot is helpful for relevant personnel to understand the logistics robot and promote the efficient logistics work. At the same time， the design of logistics robot virtual simulation system can improve logistics robot technology， reduce the operation cost of logistics industry， make the work of logistics industry more professional， and better serve consumers.

Keywords： Virtual Reality（VR） technology;logistics management;logistics robot;virtual reality

近年來，伴隨著電子商務(wù)行業(yè)的快速發(fā)展，我國物流行業(yè)得到了迅速發(fā)展，物流行業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了物流行業(yè)設(shè)施設(shè)備的進(jìn)步。在此背景下，物流機(jī)器人衍生出許多次生分支，如搬運(yùn)機(jī)器人、裝卸機(jī)器人及巡檢機(jī)器人等。對物流機(jī)器人進(jìn)行虛擬仿真模擬，可以讓使用者更加了解物流機(jī)器人的工作原理，從而提升物流機(jī)器人在物流工作中的效率[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在近幾年迅速升溫，得到了越來越多的認(rèn)可。用戶在使用時可以在虛擬現(xiàn)實(shí)世界中體驗(yàn)無限接近于真實(shí)的感受。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬的虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境大同小異，讓體驗(yàn)者有種身臨其境的感覺。不僅如此，在虛擬現(xiàn)實(shí)中，體驗(yàn)者還可以模擬一切人類所擁有的感知功能。使用者在操作過程中可以隨意操作并且得到環(huán)境所帶來的真實(shí)反饋。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所特有的存在性、多感知性及交互性等特征使其受到了眾多人的喜愛。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在物流機(jī)器人模擬方面，會讓體驗(yàn)者以第一視角感受物流各流程，全面了解物流工作的過程，甚至發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有物流機(jī)器人的不足，進(jìn)而推動物流行業(yè)機(jī)器人的不斷完善與發(fā)展。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1980年，美國的杰倫·拉尼爾首次提出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）。它是以計(jì)算機(jī)的功能為載體，為體驗(yàn)者提供模擬現(xiàn)實(shí)的一種新型傳感仿真技術(shù)。以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)可衍生出各類控制設(shè)備，以在模擬的現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行交互[2]。

VR技術(shù)對于各項(xiàng)工業(yè)仿真模擬都有很高的適用性，而對于物流類機(jī)器人的應(yīng)用主要體現(xiàn)在實(shí)景模擬和流程模擬兩個方面。實(shí)景模擬體現(xiàn)在物流各環(huán)節(jié)的工作環(huán)境模擬與工作機(jī)械模擬上，如智能搬運(yùn)機(jī)器人的模擬、倉庫區(qū)域劃分模擬等[3]。實(shí)景模擬很大程度上依賴于流程。倉庫的劃分與各類工作物流機(jī)器的位置都需要為流程服務(wù)，流程模擬貫穿整套模擬系統(tǒng)。隨著信息類技術(shù)及計(jì)算機(jī)硬件與軟件的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)各種目的而誕生的產(chǎn)品和虛擬現(xiàn)實(shí)的各種載體設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的日常工作和生活中。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)、利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)內(nèi)在理論方面的研究，已成為社會各界熱議的話題。通過佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)的各種設(shè)備，體驗(yàn)者可以盡情沉浸在虛擬世界中[4]。

當(dāng)前，常見的VR展示系統(tǒng)主要分為桌面VR系統(tǒng)、沉浸式VR系統(tǒng)和分布式VR系統(tǒng)3類[5]。在這3種系統(tǒng)中，桌面VR系統(tǒng)是比較初級的VR，沉浸感較差，但對硬件設(shè)備要求低、成本低，應(yīng)用比較普遍，主要用于教學(xué)演示。沉浸式VR系統(tǒng)是一種理想的VR系統(tǒng)，對設(shè)備要求很高，價格較為昂貴，用戶需要通過佩戴一些外部設(shè)備進(jìn)入模擬虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境[6]。分布式VR系統(tǒng)需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)將不同地方的用戶連接起來共享同一個虛擬環(huán)境，這種系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)有很高要求，特別是對中心服務(wù)器的需求程度極高。

2 物流搬運(yùn)機(jī)器人虛擬仿真

近幾年，世界范圍內(nèi)，人工智能行業(yè)在高速發(fā)展，許多發(fā)達(dá)國家的發(fā)展重點(diǎn)都在機(jī)器人行業(yè)。如今，物流機(jī)器人迎來了良好的發(fā)展機(jī)遇，我國接連出臺了眾多以扶持機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展為目的的政策[7]。同時，物流行業(yè)的需求也在快速增加。物流機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正處在時代發(fā)展的風(fēng)口浪尖，各種各樣的物流機(jī)器人在各大物流領(lǐng)域普及應(yīng)用。隨著各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)不斷取得進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)能力不斷提升，企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械自動化水平不斷提高，在搬運(yùn)機(jī)器人的生產(chǎn)效率、作業(yè)速度、故障診斷與處理能力、安全穩(wěn)定性等不斷完善的同時，開發(fā)新型機(jī)器人的難度與成本也在不斷降低。這得益于國家不斷完善的相關(guān)政策與持續(xù)加大的科研投入，以及機(jī)器人產(chǎn)業(yè)及相關(guān)企業(yè)的努力探索，包括搬運(yùn)機(jī)器人在內(nèi)的多種機(jī)器人技術(shù)取得了長足發(fā)展。在該背景下，搬運(yùn)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活，并在應(yīng)用與推廣中進(jìn)一步促進(jìn)了各類工業(yè)尤其是物流業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的完善與成熟。如今搬運(yùn)機(jī)器人以智能搬運(yùn)機(jī)器人為原型，仿真設(shè)計(jì)較為智能化的搬運(yùn)機(jī)器人，并結(jié)合VR技術(shù)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)[8]。

智能搬運(yùn)機(jī)器人為社會生產(chǎn)力的提升提供了契機(jī)[9]，不僅提高了各類生產(chǎn)行業(yè)及物流行業(yè)的工作效率，還極大地減少了人工作業(yè)量，縮短了工作時間。此外，智能化工作是社會生產(chǎn)力突破和人類文明發(fā)展的一個基本過程。本研究中的智能搬運(yùn)機(jī)器人特指應(yīng)用于物流的智能化搬運(yùn)機(jī)器人。在物流行業(yè)，一般對智能搬運(yùn)機(jī)器人識別貨物和貨物存放能力要求較高。基于此，新型智能搬運(yùn)機(jī)器人在普通搬運(yùn)機(jī)器人的基礎(chǔ)上增加了識別貨物功能，并通過大數(shù)據(jù)計(jì)算得到適合貨物的存放點(diǎn)位，在保證高速工作的同時實(shí)現(xiàn)完全自動化，從而節(jié)省人力成本[10]。

設(shè)計(jì)以智能搬運(yùn)機(jī)器人為研究對象。由于智能搬運(yùn)機(jī)器人可以應(yīng)用于倉庫工作中的入庫和出庫環(huán)節(jié)，又具有智能化的識別系統(tǒng)，因此它具有很強(qiáng)的自動化工作能力。智能搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)用于入庫時可以在搬運(yùn)貨物的同時登記處理貨物，同時完成信息處理與實(shí)際搬運(yùn);在出庫工作中，智能搬運(yùn)機(jī)器人可以在將貨物搬運(yùn)到出庫口的同時進(jìn)行貨物出庫報告，對倉庫的智能化現(xiàn)代化管理具有一定的意義[11]。將智能搬運(yùn)機(jī)器人與VR技術(shù)相融合的初衷是因?yàn)楝F(xiàn)代物流發(fā)展的趨勢就是智能化與高效化，在VR視角下，智能機(jī)器人可以表現(xiàn)出高效且穩(wěn)定的工作狀態(tài)，將抓取、識別、分堆一氣呵成，將搬運(yùn)工作生動形象地展現(xiàn)給體驗(yàn)者[12]。

3 物流智能機(jī)器人仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)圖1的設(shè)備參數(shù)，仿真智能搬運(yùn)機(jī)器人盡可能給用戶提供真實(shí)設(shè)備的視覺感受和實(shí)際物流設(shè)備操作體驗(yàn)，使用戶達(dá)到身臨其境的體驗(yàn)效果。通過VR設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的配合，將現(xiàn)實(shí)中真實(shí)的運(yùn)輸、包裝、倉儲、配送、裝卸搬運(yùn)、流通加工及信息處理等物流場景，運(yùn)用VR技術(shù)進(jìn)行仿真。用戶可以360°自由查看該設(shè)備構(gòu)造的細(xì)節(jié)，通過互動畫面掌握設(shè)備的性能、使用環(huán)境及操作方法等[13]。

智能搬運(yùn)機(jī)器人仿真系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)基于B/S模式，采用富客戶端策略，瀏覽器端實(shí)現(xiàn)核心功能，服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，同時避免瀏覽器端與服務(wù)器端頻繁進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，降低了系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的要求。因此，本仿真系統(tǒng)具有無平臺限制、無須安裝等優(yōu)點(diǎn)，降低了使用和維護(hù)成本。

服務(wù)器端、瀏覽器端與虛擬現(xiàn)實(shí)端共同組成了仿真系統(tǒng)的整體架構(gòu)，如圖2所示。其中，數(shù)據(jù)存儲由服務(wù)器端完成，瀏覽器端與服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，3D繪圖協(xié)議（Web Graphics Library，WebGL）可在瀏覽器端實(shí)現(xiàn)渲染三維模型的功能。通過網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)（Web Virtual Reality，WebVR）實(shí)現(xiàn)瀏覽器與虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備HTC Vive的連接，同時使用頭戴式顯示器實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中三維模型的顯示，并通過配套的手柄控制器完成交互操作[14]。

3.2 設(shè)計(jì)過程

智能機(jī)器人仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，如圖3所示。

3.2.1 機(jī)器人及輥道模型建模。本設(shè)計(jì)采用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行機(jī)器人、輥道、貨物等設(shè)備模型的造型，設(shè)備模型的尺寸與真實(shí)設(shè)備尺寸盡量保持一致。SolidWorks設(shè)備設(shè)計(jì)如圖4所示。SolidWorks的最大優(yōu)點(diǎn)是容易上手，功能比較全面，適合進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[15]。

3.2.2 模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。采用CrossManager軟件對SolidWorks的設(shè)備模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成JT格式。JT文件格式設(shè)計(jì)為一個開放、高效率、緊湊以及持久性存儲的產(chǎn)品數(shù)據(jù)格式，用于產(chǎn)品可視化、協(xié)作和CAD數(shù)據(jù)共享。JT文件格式包括多方面的數(shù)據(jù)，如對曲面邊界的精準(zhǔn)表示、產(chǎn)品和制造業(yè)的相關(guān)信息以及元數(shù)據(jù)信息等。CrossManager軟件的主要功能是將大多數(shù)的CAD格式文件進(jìn)行靈活轉(zhuǎn)換，是一款實(shí)用的CAD文件格式轉(zhuǎn)換工具[16]。

3.2.3 機(jī)器人視覺識別及動作設(shè)置。將JT格式的三維模型文件導(dǎo)入到過程設(shè)計(jì)器過程模擬（Process Designer & Process Simulate，PDPS）仿真軟件中，并在PDPS仿真軟件中設(shè)計(jì)機(jī)器人的視覺識別系統(tǒng)、機(jī)械臂的動作。PDPS仿真軟件能夠解決工藝規(guī)劃中的工藝設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、工藝仿真、工藝驗(yàn)證及供應(yīng)商協(xié)作等核心問題。機(jī)器人的動作仿真設(shè)計(jì)如圖5所示。

3.2.4 模型渲染。采用JavaScript編寫的WebGL第三方庫（Three Java Script，ThreeJS）技術(shù)渲染三維模型，使三維模型能夠顯示出來。

在VR模式中，渲染流程如下。

①接入Web瀏覽器的VR設(shè)備獲取信息，完成準(zhǔn)備工作。

②設(shè)置渲染循環(huán)。因?yàn)槿S場景中每一幀顯示的畫面都需要根據(jù)用戶的行為動態(tài)繪制，所以需要設(shè)置循環(huán)函數(shù)，不斷遞歸調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)動態(tài)更新。接入VR設(shè)備后會優(yōu)先使用VR設(shè)備原生的刷新率，以達(dá)到合適的渲染幀頻，實(shí)現(xiàn)更佳的顯示效果[14]。

③動畫渲染。在每一幀中，瀏覽器可以通過WebVR得到渲染所需的幀數(shù)據(jù)，其中包括當(dāng)前幀的左右視口的投影矩陣和視圖矩陣。分別設(shè)置左右相機(jī)和左右視口，并將視圖、投影矩陣賦值給左右相機(jī)，然后傳入著色器。著色器分兩次在左右視口中進(jìn)行繪制，得到左右眼的渲染圖像，再通過WebVR將圖像發(fā)送至HTC Vive（由HTC與Valve聯(lián)合開發(fā)的一款虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器）中顯示出來。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行

考慮到系統(tǒng)要適用于所有的用戶（接入VR設(shè)備的用戶以及不接入VR設(shè)備的用戶），因此仿真系統(tǒng)采用桌面VR系統(tǒng)和沉浸式VR系統(tǒng)兩種方式共同顯示。

3.3.1 桌面VR系統(tǒng)模式。Web端利用WebGL渲染仿真模型，渲染的結(jié)果顯示在二維屏幕上;隨后檢測其是否接入VR設(shè)備，如果沒有設(shè)備接入，則使用普通模型顯示。普通顯示的效果如圖6、圖7和圖8所示。

3.3.2 沉浸式VR系統(tǒng)模式。沉浸式VR模式中物體的顯示與普通模式有很大區(qū)別。雙屏渲染W(wǎng)ebVR場景中的三維模型，根據(jù)瞳距等信息分別設(shè)置左右兩個相機(jī)，再根據(jù)左右相機(jī)的視圖矩陣和投影矩陣?yán)L制圖像。根據(jù)用戶的頭戴式顯示設(shè)備的狀態(tài)信息確定WebVR場景相機(jī)的方向、位置等參數(shù)。因此，WebVR場景的相機(jī)隨著用戶的現(xiàn)實(shí)視角發(fā)生變化[14]，如圖9所示。

4 物流智能機(jī)器人仿真系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 多行業(yè)應(yīng)用

物流智能機(jī)器人的仿真系統(tǒng)可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、教學(xué)活動或者日常生活等領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用物流智能機(jī)器人的仿真系統(tǒng)，可以提高生產(chǎn)效率，同時可以減少工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)意外事件的概率，保證工業(yè)生產(chǎn)高效進(jìn)行。在教學(xué)活動中應(yīng)用物流智能機(jī)器人的仿真系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在課程教學(xué)、課外拓展或創(chuàng)新活動等方面，其應(yīng)用有助于開展教學(xué)活動，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)知識的理解和應(yīng)用，讓學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)過程中做到學(xué)以致用[17]。在日常生活中物流機(jī)器人也可大展拳腳，在一些大城市的日常生活中已經(jīng)可以看到各式各樣的機(jī)器人，其中物流機(jī)器人也不在少數(shù)。快遞機(jī)器人可以將快遞送到購買者的手中，餐廳中的送飯機(jī)器人可將后廚做好的飯菜送到指定桌位。在仿真系統(tǒng)中，體驗(yàn)者可以切身體驗(yàn)這些服務(wù)型智能機(jī)器人帶來的便捷，同時通過仿真模擬機(jī)器人的行動發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的可優(yōu)化點(diǎn)。

4.2 多場景應(yīng)用

無論是在工業(yè)生產(chǎn)、教學(xué)活動還是日常生活中，物流智能機(jī)器人的工作離不開物流行業(yè)的全面智能化。物流智能機(jī)器人的運(yùn)行需要依托于倉庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時傳遞，而倉庫開展物流工作需要物流智能機(jī)器人進(jìn)行操作。因此，物流智能機(jī)器人仿真系統(tǒng)需要以數(shù)據(jù)信息為依托，呈現(xiàn)物流智能機(jī)器人的全面功能[18]。

物流智能機(jī)器人的工作可借助立體倉庫仿真數(shù)據(jù)可視化和生產(chǎn)看板數(shù)據(jù)可視化，整體了解到當(dāng)前的取料送料任務(wù)、庫存信息數(shù)據(jù)、庫存使用率、物料存放時長以及立體倉庫3D實(shí)時運(yùn)行等信息[19]。庫存信息可視化通過數(shù)字孿生模型選擇某一個庫位后，能夠看到當(dāng)前庫位物料的具體信息，包括物料號、物料信息、入庫時間以及訂單號等。配送設(shè)備信息可視化，點(diǎn)擊相應(yīng)的配送設(shè)備，即可看到當(dāng)前配送設(shè)備的信息，包括設(shè)備信息、訂單信息以及物料信息等[20]。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中智能搬運(yùn)機(jī)器人的仿真，提供了沉浸式的可視化交互體驗(yàn)，有利于了解物流相關(guān)設(shè)備的知識。同時，仿真系統(tǒng)運(yùn)行于Web端，無須下載安裝軟件及其他可視化插件，可以跨平臺運(yùn)行，方便對物流機(jī)器人工作原理與工序的探究與創(chuàng)新。在當(dāng)前物流相關(guān)工作中，智能機(jī)器人已成為一股新興的力量，相較于人工具有許多優(yōu)點(diǎn)，如可因地制宜進(jìn)行改造的適應(yīng)性、可長時間進(jìn)行高強(qiáng)度工作的機(jī)械性以及降低隨機(jī)事件發(fā)生概率的穩(wěn)定性等。通過使用多種建模與渲染工具對智能機(jī)器人仿真系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以盡量完整地呈現(xiàn)出最真實(shí)的物流機(jī)器人工作狀態(tài)。

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