基于Unity 3D的維修機(jī)械手虛擬仿真系統(tǒng)

柳依何，顧繼俊

(中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲運工程學(xué)院，北京 102200)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對于油氣資源的需求也日益增長，海洋油氣資源的開發(fā)也越來越快[1]。水下生產(chǎn)技術(shù)憑借其高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點，已發(fā)展成為開發(fā)海洋油氣的關(guān)鍵技術(shù)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)作為深海油氣田的開發(fā)模式之一，逐漸成為海洋石油鉆采的主要裝備并得到廣泛的應(yīng)用[2]。

隨著海洋油氣開采技術(shù)的不斷提高，水下生產(chǎn)系統(tǒng)也在不斷更新，典型的水下生產(chǎn)系統(tǒng)雖然解決了復(fù)雜的海洋環(huán)境以及天氣情況對海洋油氣開采過程中的影響，但是水下管匯、跨接管和采油樹等開采裝備的布置變得錯綜復(fù)雜，且技術(shù)要求較高、成本較大。為此，提出新一代水下生產(chǎn)系統(tǒng)的概念，新一代水下生產(chǎn)系統(tǒng)將傳統(tǒng)水下生產(chǎn)系統(tǒng)中在海底平面分散布置的水下裝備集成到深水功能艙[3]，形成全水下立體空間布局的創(chuàng)新型完整方案，具有形式簡單、開發(fā)成本低且集成度高的優(yōu)點。由于海底復(fù)雜惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，極易導(dǎo)致水下生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生故障，干式采油樹作為功能艙內(nèi)很重要且復(fù)雜的裝備，極易發(fā)生故障，由于采油樹上閥門較多，因此故障的發(fā)生往往是由于以節(jié)流閥為代表的閥門的故障失效。水下設(shè)備維修作業(yè)具有環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)風(fēng)險大以及作業(yè)人員培訓(xùn)困難等特點，文中將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于干式采油樹節(jié)流閥更換過程的虛擬仿真。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)綜合了計算機(jī)圖形技術(shù)、仿真技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)[4]，目前已廣泛應(yīng)用于石油、機(jī)械以及電力等工業(yè)仿真領(lǐng)域。張帆等人[5]提出了虛擬維修系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)流程。杜東等人[6]對虛擬維修的必要性和可行性進(jìn)行了分析，并對虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的功能、體系架構(gòu)、系統(tǒng)流程以及數(shù)據(jù)實現(xiàn)等問題進(jìn)行了詳細(xì)闡述。張登峰等人[7]構(gòu)建了虛擬維修仿真平臺，并通過仿真試驗評估了飛機(jī)客艙座椅維修可視性和可達(dá)性工效水平。Eduardo H.Tanaka等[8]研發(fā)出了一種沉浸式虛擬變電站，為電工培訓(xùn)學(xué)員提供了真實的體驗。Longo Francesco等[9]開發(fā)了具有船舶6自由度運動模擬功能的艦橋模擬器。Bruzzone Agostino[10]開發(fā)了用于港口交通管理和駕駛員培訓(xùn)的虛擬仿真系統(tǒng)。

針對采油樹上容易發(fā)生故障的閥門，該文設(shè)計了一種艙內(nèi)專用修復(fù)機(jī)械手，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計、維修過程相結(jié)合，開發(fā)了水下采油樹節(jié)流閥更換機(jī)械手虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，通過本系統(tǒng)可使維修人員更好地實現(xiàn)人機(jī)協(xié)作，使機(jī)械手能夠在復(fù)雜的場景下進(jìn)行安全作業(yè)，順利完成采油樹的維修任務(wù)。

1 系統(tǒng)總體方案

水下采油樹維修機(jī)械手仿真系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)[11]，以Unity 3D引擎作為系統(tǒng)開發(fā)平臺，選取Solidworks建模工具進(jìn)行機(jī)械手的建模，并在3Ds Max中進(jìn)行貼圖與渲染。Unity 3D是由Unity Technologies開發(fā)的跨平臺引擎，該軟件具有可視化編程界面、支持Open GL和Direct11、集成了Phys X3.3物理系統(tǒng)等眾多功能特點，所以在虛擬現(xiàn)實仿真領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[12]。

1.1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)采用三層軟件架構(gòu)體系，由顯示模塊、操作模塊、功能模塊組成，如圖1所示。

圖1中各模塊功能如下：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

(1)顯示模塊。

場景搭建：搭建水下采油樹維修的作業(yè)環(huán)境，包括海洋環(huán)境搭建、采油樹和機(jī)械手模型的建立，是系統(tǒng)運作的主要場所。

場景運動控制：為了實現(xiàn)虛擬仿真的實時性，在Unity 3D引擎中對機(jī)械手、采油樹等其他工具進(jìn)行動態(tài)信息的管理與顯示。

(2)操作模塊。

該模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)的GUI界面顯示、人機(jī)交互以及信息反饋等功能。

(3)功能模塊。

該模塊是整個系統(tǒng)的核心，通過編寫C#腳本、對采油樹的維修工藝進(jìn)行研究，以及建立機(jī)械手的運動學(xué)模型并進(jìn)行軌跡規(guī)劃，實現(xiàn)采油樹維修機(jī)械手的虛擬仿真。

1.2 開發(fā)流程

維修機(jī)械手虛擬仿真系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成，軟件分為海面和海底兩大部分，仿真、培訓(xùn)功能模塊齊全；硬件與軟件之間通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行通信，可通過鍵盤、手柄等硬件對軟件的功能模塊進(jìn)行實時控制。該系統(tǒng)的開發(fā)流程分為5步進(jìn)行：

Step1:在Solidworks中對采油樹、機(jī)械手進(jìn)行三維建模；

Step2:在3dsMax中對模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、貼圖和渲染；

Step3:采用Unity 3D開發(fā)平臺對系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計與開發(fā)；

Step4:搭建系統(tǒng)硬件仿真平臺；

Step5:硬件與軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，進(jìn)行測試實驗。

基于Unity 3D的維修機(jī)械手虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)流程

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

為了保證采油樹維修過程的逼真度及維修機(jī)械手的路徑規(guī)劃功能，首先搭建機(jī)械手模型和虛擬作業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)機(jī)械手和軟件操控平臺的實時數(shù)據(jù)通信；并對系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，如系統(tǒng)UI界面設(shè)計、碰撞檢測技術(shù)[13]等。

2.1 三維建模與場景搭建

為了重現(xiàn)維修作業(yè)現(xiàn)場，根據(jù)深水功能艙內(nèi)各裝備在艙內(nèi)的分布情況以及各裝備的外形尺寸和裝配關(guān)系，通過Solidworks軟件搭建作業(yè)場景模型庫(見圖3)，并將模型導(dǎo)入3Ds Max中進(jìn)行貼圖、渲染以及格式轉(zhuǎn)換，將FBX格式的模型文件導(dǎo)入Unity中進(jìn)行場景搭建，以達(dá)到現(xiàn)場作業(yè)場景的高真實度還原。

圖3 深水功能艙

采油樹維修作業(yè)場景主要由干式采油樹、維修機(jī)械手、配件箱、三維海洋環(huán)境等組成。為了高真實度地重構(gòu)作業(yè)場景，首先根據(jù)虛擬現(xiàn)實場景中三維模型建模標(biāo)準(zhǔn)在統(tǒng)一的尺度標(biāo)尺下完成1∶1比例的三維建模。為了提高運行速度，用于構(gòu)建虛擬現(xiàn)實場景的三維模型需要盡可能簡單，模型創(chuàng)建完成后需進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，然后根據(jù)各零部件在場景中的布局和機(jī)械連接關(guān)系進(jìn)行裝配。

2.2 碰撞檢測技術(shù)

機(jī)械手維修過程中存在解鎖、抓取、移動、旋轉(zhuǎn)、放置等各種交互操作，為了防止在維修作業(yè)過程中模型發(fā)生穿透、掉落等不真實的場景發(fā)生，在需要實現(xiàn)交互行為的機(jī)械手與節(jié)流閥上添加觸發(fā)器和剛體組件[14]，并在觸發(fā)器中添加碰撞體，由于機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了保證精確碰撞，為機(jī)械手添加網(wǎng)格碰撞器，節(jié)流閥添加球型碰撞器(見圖4)。

圖4 模型添加碰撞器

對于空間中任意一點坐標(biāo)為A(x,y,z)，碰撞體球心坐標(biāo)為(x0,y0,z0)，假設(shè)球的半徑為r，則球碰撞體的觸發(fā)域為：

R=

{(x,y,z)|L(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2≤r2}

2.3 人機(jī)交互設(shè)計

本系統(tǒng)基于C#語言進(jìn)行系統(tǒng)腳本的程序設(shè)計，IDE采用Microsoft Visual Studio 2019。虛擬仿真系統(tǒng)的界面設(shè)計采用NGUI來完成UI界面的制作。虛擬仿真系統(tǒng)中設(shè)置了用戶登錄、人員考核、理論知識培訓(xùn)等主要界面。系統(tǒng)登錄界面如圖5所示，登錄界面采用IuputField組件輸入用戶名和密碼，采用C#編寫賬號驗證腳本并添加給相應(yīng)組件來進(jìn)行賬號真實性的驗證。

圖5 系統(tǒng)登錄界面

3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)包括移動導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)、抓手機(jī)構(gòu)以及三級伸縮式液壓缸(見圖6)。通過對功能艙內(nèi)部空間的評估，針對節(jié)流閥的具體特征，機(jī)械手的關(guān)鍵設(shè)計為使用三級伸縮液壓缸，極大地減少了對艙內(nèi)空間的使用；使用解鎖裝置與液壓抓手，可以精準(zhǔn)控制節(jié)流閥的提升與下放。

圖6 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

4 系統(tǒng)仿真實驗

4.1 系統(tǒng)仿真

針對采油樹上以節(jié)流閥為代表的各類閥門的故障是最易出現(xiàn)的故障失效形式，進(jìn)行虛擬維修作業(yè)仿真。

機(jī)械手的具體動作過程為：機(jī)械手沿艙內(nèi)工字鋼導(dǎo)軌移動到指定位置，三級伸縮液壓缸伸張，抓手機(jī)構(gòu)下移，推動件在一液壓缸作用下向下移動，使抓手徑向收縮插入故障節(jié)流閥的卡槽中，然后推動件向上移動，抓手恢復(fù)原狀，卡住節(jié)流閥內(nèi)的卡槽，同時解鎖裝置在一液壓缸作用下伸長解鎖，將故障節(jié)流閥從采油樹上取下；解鎖后，三級伸縮液壓缸縮短，提升故障節(jié)流閥，整個機(jī)械手沿導(dǎo)軌移動相應(yīng)距離后，三級伸縮液壓缸伸張，放置故障節(jié)流閥，推動件向下移動，抓手脫離卡槽，完成故障節(jié)流閥的安全放置；然后推動件下移，抓手徑向收縮插入全新節(jié)流閥的卡槽中，同時解鎖裝置伸長鎖緊全新節(jié)流閥，三級伸縮液壓缸縮短，提升全新節(jié)流閥到相應(yīng)位置，抓手收縮并鎖緊全新節(jié)流閥，最后機(jī)械手回到初始位置等待下一次指令(具體工藝仿真過程如圖7所示)。

圖7 工藝過程虛擬仿真

虛擬仿真系統(tǒng)由虛擬維修機(jī)械手和海洋作業(yè)環(huán)境組成，將FBX模型文件加載至Unity 3D，基于C#語言編寫Translate()與Rotation()函數(shù)[15]的移動與旋轉(zhuǎn)控制腳本，并配合碰撞檢測功能實現(xiàn)機(jī)械手的抓取功能。實際機(jī)器人在運動過程中，機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)都具有層級關(guān)系。當(dāng)機(jī)器人的基座運動時，基座上的各級液壓缸以及抓手機(jī)構(gòu)都會隨之運動，同理，在虛擬仿真系統(tǒng)中，虛擬維修機(jī)械手也應(yīng)具備相應(yīng)的層級關(guān)系。

4.2 系統(tǒng)整體實驗

虛擬仿真系統(tǒng)采用搖桿對機(jī)械手進(jìn)行操作、控制。搖桿向上位機(jī)發(fā)送指令，上位機(jī)給數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送通信協(xié)議，并對數(shù)據(jù)采集卡接收到通信協(xié)議后返回的電信號進(jìn)行解析[16]，以此來識別搖桿的狀態(tài)，當(dāng)搖桿進(jìn)行操作時，系統(tǒng)軟件模塊便可做出實時響應(yīng)。該系統(tǒng)對采油樹維修機(jī)械手的操作平臺進(jìn)行了機(jī)械加工，將操作平臺與軟件模塊建立連接后，采油樹維修機(jī)械手虛擬仿真系統(tǒng)效果如圖8所示。

圖8 操作平臺實物

為了驗證該系統(tǒng)能否滿足海洋石油裝備培訓(xùn)要求，邀請了海洋石油裝備相關(guān)專業(yè)的15名學(xué)生對采油樹維修的作業(yè)流程進(jìn)行測試。通過與15名學(xué)生的共同測試與交流表明，該系統(tǒng)功能模塊完整，機(jī)械手能夠按照搖桿的控制指令實時運動，無停頓感，系統(tǒng)運行流暢，具有較強的交互性能。系統(tǒng)測試結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果

5 結(jié)束語

設(shè)計了一種功能艙內(nèi)采油樹維修機(jī)械臂，并將新興的虛擬現(xiàn)實技術(shù)與海洋石油裝備中的采油樹維修培訓(xùn)相結(jié)合，通過Unity 3D研發(fā)了一套采油樹維修機(jī)械手虛擬仿真系統(tǒng)。通過多個三維建模軟件的應(yīng)用，實現(xiàn)了機(jī)械臂、采油樹及相關(guān)模型的建模，成功搭建了采油樹維修機(jī)械臂作業(yè)環(huán)境。通過合理規(guī)劃機(jī)械臂的父子關(guān)系，實現(xiàn)了機(jī)械臂的實時動態(tài)運動仿真。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)沉浸感高，交互效果強，可以滿足海洋石油裝備操作人員的訓(xùn)練需求。