基于IdeaVR工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)的虛擬仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)＊

崔澤強(qiáng) ， 任 明 ， 俞澤育 ， 榮 盼

（溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江 溫州 325035）

工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作困難、內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以展示，且費(fèi)用較高，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中只能借助想象，教學(xué)效果不佳。IdeaVR以其較好的沉浸性和交互性，構(gòu)建了一個(gè)基于現(xiàn)實(shí)工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)的虛擬分揀系統(tǒng)[1-4]，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)手操作、觀察機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)，借助于IdeaVR建立三維虛擬仿真平臺(tái)，學(xué)生能更好理解工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)，使得教學(xué)更加順利。

1 建立虛擬工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)平臺(tái)

在建立虛擬工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)平臺(tái)前，首先需要了解自動(dòng)化生產(chǎn)所需要的生產(chǎn)設(shè)備，學(xué)習(xí)各設(shè)備的使用方法以及其原理，然后需要實(shí)地測(cè)量各設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù)，了解各零件的運(yùn)動(dòng)方式，并在SolidWorks軟件中進(jìn)行實(shí)體建模與裝配，裝配完成后導(dǎo)入3D Max中改變格式，改變格式后將其導(dǎo)入到IdeaVR中進(jìn)行調(diào)整位置、添加光源、模型貼圖、場(chǎng)景渲染、添加物理效果等優(yōu)化設(shè)計(jì)，若優(yōu)化設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題，則重新進(jìn)行三維實(shí)體建模。基于IdeaVR工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)的虛擬仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程如圖1所示。

1.1 建立虛擬工業(yè)機(jī)器人模型

建立虛擬工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)平臺(tái)包括建立虛擬場(chǎng)景和建立虛擬機(jī)器人兩部分。由于在IdeaVR引擎中構(gòu)建復(fù)雜的幾何體相對(duì)困難，不利于工業(yè)機(jī)器人虛擬體的構(gòu)建，因此采用SolidWorks軟件進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)建設(shè)計(jì)。SolidWorks軟件能夠方便設(shè)計(jì)具有復(fù)雜功能的物體圖形，利用該軟件設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的虛擬構(gòu)建，建模結(jié)束后，將模型導(dǎo)入到3D Max中轉(zhuǎn)換格式。建立的工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景如圖2所示。

圖1 基于IdeaVR工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)的虛擬仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程

圖2 虛擬場(chǎng)景

1.2 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

導(dǎo)入到IdeaVR的模型以及虛擬場(chǎng)景會(huì)與實(shí)際場(chǎng)景存在一定的差距，可以進(jìn)行調(diào)整位置、添加光源、模型貼圖、場(chǎng)景渲染、添加物理效果等操作，讓虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景可以真實(shí)還原現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。在虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容的制作中，模型的材質(zhì)貼圖直接決定了最終整個(gè)項(xiàng)目的畫(huà)面呈現(xiàn)效果。受美術(shù)資源制作難度限制，有些模型無(wú)法達(dá)到所需要精度，這就意味著需要通過(guò)合理處理材質(zhì)貼圖來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)，從而達(dá)到令人滿意的視覺(jué)渲染效果。

場(chǎng)景渲染設(shè)計(jì)對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)的整體沉浸性、真實(shí)性非常重要。在渲染過(guò)程中，如果渲染的程度過(guò)小，虛擬環(huán)境的真實(shí)性將會(huì)降低，給操作者造成較差的虛擬仿真體驗(yàn)。但如果渲染的程度過(guò)大，會(huì)造成虛擬引擎的負(fù)擔(dān)過(guò)重，從而影響虛擬仿真系統(tǒng)的整體的流暢度。基于場(chǎng)景渲染的理論，針對(duì)工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，考慮到其實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，使得設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠更好地進(jìn)行教學(xué)推廣。因此，選擇使用IdeaVR引擎中自帶的著色器處理工業(yè)機(jī)器人的表面材質(zhì)，將機(jī)器人表面的光滑度調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)臄?shù)值。本虛擬仿真系統(tǒng)場(chǎng)景的燈光使用上，采用了引擎中自帶的點(diǎn)光源與平行光源相結(jié)合的方式。通過(guò)這種處理方式，可以通過(guò)簡(jiǎn)化虛擬場(chǎng)景中物體的具體細(xì)節(jié)來(lái)減少?gòu)?fù)性，進(jìn)而減輕虛擬場(chǎng)景的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，同時(shí)整體虛擬場(chǎng)景的視覺(jué)效果不受到較大的影響，從而使得虛擬場(chǎng)景運(yùn)行更加流暢。

在 IdeaVR 創(chuàng)世中，加入了物理引擎應(yīng)用系統(tǒng)，賦予虛擬場(chǎng)景中的物體物理屬性，可以讓場(chǎng)景中的物體符合現(xiàn)實(shí)世界中的物理定律。提供物理系統(tǒng)中的剛體和布料的模擬，通過(guò)賦予場(chǎng)景中物體剛體及柔性體屬性，使得虛擬場(chǎng)景更加真實(shí)和生動(dòng)。

2 編程控制

2.1 登錄界面代碼編寫(xiě)

導(dǎo)入IVREngine類：import IVREngine

通過(guò)這個(gè)類調(diào)用項(xiàng)目運(yùn)行路徑、引擎運(yùn)行時(shí)的屏幕尺寸等參數(shù)。例如通過(guò)IVREngine.getWidth()可以獲取屏幕寬度。

定義登錄類Login：class Login

定義初始化函數(shù)Start()每次類加載時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)用這個(gè)函數(shù)，用于獲取引擎信息、生成UI控制界面：def Start(self):

通過(guò)函數(shù)獲取需要渲染的屏幕大小：self.width =IVREngine.getWidth()

self.height = IVREngine.getHeight()

得到項(xiàng)目根目錄路徑：self.fileDir = IVREngine.getProjectPath()

獲取全局GUI，用其調(diào)用各種控件：self.gui =IVREngine.engineGui()

設(shè)置登錄界面背景圖片：

self.backGround = IVREngine.WidgetSprite(self.gui)

self.backGround.setWidth(self.width)

self.backGround.setHeight(self.height)

self.backGround.setTexture( self.fileDir + ‘/python/Login/backGround.jpg‘)

self.backGround.setColor(IVREngine.vec4(1,1,1,1))

同樣的，可以通過(guò)函數(shù)生成用戶名欄、密碼欄、登錄按鈕等UI界面。

結(jié)束后通過(guò)OnDestroy函數(shù)進(jìn)行資源釋放：

def OnDestroy(self):

if self.backGround != None:

del self.backGround

if self.layout != None:

del self.layout

2.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)解算

在編程控制前，首先需要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的構(gòu)建，本次仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用ABB機(jī)器人是：IRB 1410型機(jī)器人。其主要參數(shù)如3圖所示。

圖3 IRB 1410型機(jī)器主要參數(shù)圖

據(jù)此建立DH參數(shù)表：

通過(guò)代碼建立每一個(gè)軸的齊次矩陣A1～A6，并對(duì)它們進(jìn)行相乘運(yùn)算獲得最終的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，這里以A1矩陣為例：

通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的函數(shù)生成所有的UI按鈕，每個(gè)按鈕通過(guò)傳入不同的參數(shù)，來(lái)改變按鈕的形狀與功能，每個(gè)按鈕都會(huì)傳入對(duì)應(yīng)的控制函數(shù)名，并生成相應(yīng)的實(shí)例對(duì)象，當(dāng)按鍵按下時(shí)就會(huì)調(diào)用對(duì)應(yīng)的控制函數(shù)。Button.setCallback()函數(shù)用于在鼠標(biāo)按下時(shí)調(diào)用：IVREngine.createWidgetCallback(cmd)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)將調(diào)用對(duì)應(yīng)的command方法以控制ABB機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)：

設(shè)置機(jī)器人的控制函數(shù)，可以通過(guò)UI控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。一共有6個(gè)控制函數(shù)，通過(guò)t鍵可以切換控制模式，在每次調(diào)用控制函數(shù)時(shí)都會(huì)更新UI界面當(dāng)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。

3 結(jié)論

本項(xiàng)目通過(guò)IdeaVR將工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，提供了一種全新的教學(xué)方式，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中更容易了解工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行方式，增加了學(xué)習(xí)的趣味性、直觀性。并且使每個(gè)同學(xué)都有充裕時(shí)間進(jìn)行操作，有效解決了教學(xué)過(guò)程中資源不足的問(wèn)題。