虛擬仿真技術在工業機器人系統開發中的應用策略

李少坤，望 超

（武漢工程科技學院，湖北武漢 430200）

將虛擬仿真技術用來進行工業機器人系統的開發，不僅可以讓工業機器人與其實際的應用需求更加適應，同時也可以實現很多系統開發與后續應用問題的有效避免。因此，研究者一定要對此項技術做到足夠重視，并通過合理的策略來加以應用。這樣才可以有效確保工業機器人系統開發的科學性、合理性與適用性，滿足其實際的開發、應用與拓展需求。

1 虛擬仿真技術與工業機器人

1.1 虛擬仿真技術

虛擬仿真技術也叫做虛擬決策技術，其本質就是為實現相關問題解決而建立起的同態模型，通過這個模型的運行來進行研究結果評價，最終得出最優決策。簡單而言，虛擬仿真技術就是借助于計算機技術來進行的一個虛擬化環境創建，以模擬的形式將用戶的視覺、聽覺、嗅覺與觸覺等調動起來，從而達到良好的人機交互效果，使其獲得沉浸式的應用體驗[1]。

1.2 工業機器人系統

工業機器人就是工業領域中應用的一種多自由度或多關節機械手形式的機器裝置，此類裝置具有很高的自動性，可通過自身的控制能力以及動力能源來進行各種的工業加工與操作。目前，工業機器人已經在化工、物流以及電子等工業領域中得到了廣泛應用。在工業機器人系統中，其主要的組成有6個：驅動系統、機械結構系統、控制系統、感受系統、環境交互系統和交互系統[2]。

2 工業機器人系統開發過程中的虛擬仿真技術應用策略

2.1 為工業機器人的操作訓練提供輔助

在對工業機器人進行系統開發的過程中，訓練是一個重要環節。由于現實場景訓練將會涉及到訓練環境設置，此時就需要投入大量的空間、時間、人力、物力和財力，這樣的情況就會為工業機器人的訓練帶來一定難度。而通過虛擬現實技術的應用，便可在計算機軟件的輔助作用下進行虛擬現實場景的創設，將工業機器人導入到這個虛擬現實場景中，以此來對其各項系統功能進行試驗與訓練。通過這樣的方式，不僅可以為工業機器人提供一個更加理想化的訓練環境，同時也會為其系統功能的及時改進與試驗提供充分的技術支撐。

具體應用中，可通過Robot Studio 虛擬仿真軟件為工業機器人創設一個虛擬化的控制系統，然后將其導入到虛擬培訓場景中，通過虛擬控制系統對其進行控制。在此過程中，虛擬場景中的機器人展示架和現實中的機器人身架完全一致，從而為其系統開發與生產提供良好的技術支持。①各種功能支持的提供，包括工業機器人的仿真操作環境設置、適配器連接、輸入與輸出信號連接、數據處理以及手動處理等；②讓工業機器人系統開發漏洞及其控制中的一些不當行為得以及時發現，并通過虛擬化設計與操作的方式及時進行改進，從而為工業機器人系統的實際開發與操作奠定良好基礎，使其安全系數得以顯著提升；③可以為工業機器人提供一個虛擬化的工業生產與操作練習空間，使其按照自身情況與實際應用需求來進行相應的工作訓練；④為工業機器人提供一些特定的工況，并對其在各種工況下的操作技能進行合理設計，以此來實現其判斷能力、分析能力與應變能力的良好保障[3]。

2.2 為工業機器人的離線編程提供支持

在工業機器人系統開發中，編程是一項至關重要的內容。就目前來看，工業機器人系統的編程主要分兩種技術形式，一種是離線編程，另一種是指令編程。而在具體的系統開發中，如果通過現場指令編程的形式進行編程，便會使其工作時間被大量占用，從而對工業生產效率造成很大程度的不良影響。在這樣的情況下，如果將虛擬仿真技術加以合理應用，便可讓工業機器人實現離線編程，從而顯著縮短其生產作業中的停機時間；同時也可以避免程序員在危險工況下進行工業機器人指令編程，在減輕其工作負擔的同時為其提供良好的安全保障。

在通過虛擬仿真技術進行工業機器人的離線編程過程中，通常會涉及到一些邏輯注釋，且需要將其在各個子路徑中嵌入，此時可采用相應的教學編程法來進行編程。將離線編程軟件、RAPID 應用程序修改設備以及Robot Studio 成像軟件等加以合理應用，便可對工業機器人系統中的各種應用程序進行優化與修改。對于設計好的應用程序，可直接將其下載到工業機器人系統中進行使用[4]。通過這樣的方式，便可為工業機器人系統離線編程的實現及其工作效率的提升提供良好的技術支撐。

2.3 為工業機器人關聯設備的設計提供支持

在工業機器人系統開發中，其虛擬仿真都需要進行機器人三維模型及其工作相關的場景創建，比如生產設備創建、輔助設備創建、固定裝置創建等。在這樣的情況下，與工業機器人相關聯的設備也會以三維模型的形式顯示在虛擬仿真環境中，并通過一定的操作與工業機器人之間達到良好的關聯效果。在這樣的情況下，借助于虛擬仿真技術，也可以為與工業機器人相關聯的設備進行合理設計，從而使其成為工業機器人的配套設備，進一步提升工業機器人的實際應用效果。比如，將一些特殊配件設計并安裝到工業機器人的法蘭第六軸上，以此來執行相應的操作，便可讓工業機器人的不同功能得以有效控制與實現。再比如，對于工業機器人所配套應用的焊炬、真空噴嘴、夾具、油漆噴槍等，都可以通過虛擬仿真技術進行合理的設計，使其與機器人系統的控制功能更加適應，從而為工業機器人的技能設計與應用奠定堅實的技術基礎[5]。

3 工業機器人系統開發中的虛擬仿真技術應用實例分析

為實現虛擬仿真技術在現代工業機器人系統開發中的良好應用，本次特以某工業機器人系統開發中的虛擬仿真為例，對其具體應用進行分析。該工業機器人為ABB IRB120型工業機器人，該機器人屬于一種多用途的小型工業機器人。表1是ABB IRB120型工業機器人的主要參數。

表1 ABB IRB120型工業機器人的主要參數

本次虛擬仿真中，仿真場景是六角工作臺，將虛擬機器人放置到六角工作臺上，對其系統開發及其操作進行仿真。

3.1 系統總體結構

本次進行系統開發仿真的工業機器人，其系統的主要組成部分有3個：①機器人本體。其本體主要有兩層，第一層包括機械臂、傳動單元、傳感器以及驅動系統，第二層包括腰部和基座等。②控制器。其主要作用是對工業機器人進行控制，該部分主要由軟件和硬件組成，它相當于人類的大腦。③示教器。其主要作用是實現人機交互窗口的提供，通過這個窗口，工作人員可進行相應的程序編寫以及機器人操作等。圖1為該機器人系統的主要組成結構示意圖。

圖1 該機器人系統的主要組成結構示意圖

本次虛擬仿真中，主要借助于虛擬化技術來進行該工業機器人的模型建立，對NX 軟件加以科學應用，以此來進行該機器人的尺寸測繪，并以此為基礎，對其六角工作平臺的具體尺寸加以科學確定，從而實現該工業機器人及其應用場景的虛擬化仿真模擬。

3.2 系統工藝設計

在該工業機器人系統中，碼垛單元、打磨單元、視覺單元、裝配單元和倉儲單元之間互相獨立，具體應用中，可通過觸摸屏的操作將相應的任務指令發布給機器人系統，在系統作業單元接收到相應的指令之后，便會按照指令來完成工作任務。在碼垛單元工作中，機器人會先在初始位置進行吸盤安裝，再運行至庫區，通過吸盤將物料吸住并運送至監測區，在傳感器做出監測判斷之后，機器人會按照判斷結果正確地將物料放置到分揀區。在打磨單元工作中，機器人會自動安裝帶磨具的夾具，然后從起始位置開始進行打磨，在完成打磨之后，機器人會將夾具再一次放回到起始位置。在視覺單元工作中，機器人會從起始的視覺位置進行吸盤安裝，借助于攝像頭拍照的形式對物品具體位置進行判斷，然后將左側的物品吸起，并將其放置在右側，在完成操作之后，機器人會收回吸盤，再一次運行到起始視覺位置。在裝配單元工作中，其工作流程與上述流程相似，機器人首先會在起始位置進行夾具安裝，并按順序抓取底座、軸承、墊塊和螺母等零部件，將其放置在裝配臺上，之后再通過夾具將鎖死擰緊，任務完成后，機器人會放回夾具，再一次運行到起始裝配位置上。在倉儲單元工作中，機器人會從起始的倉儲位置開始，通過光電開關進行物體位置檢測，在檢測到其位置后，便通過夾具將其夾起，并按照設定好的程序將其運送到正確的庫區，之后放回夾具，再一次回到初始的倉儲位置上。

3.3 工業機器人系統仿真設計

在通過虛擬仿真技術進行該工業機器人系統的開發進行應用仿真的過程中，需要進行Unity 3D 三維虛擬仿真場景的搭建。在此過程中，首先需要將工業機器人模型導入，導入主要分以下三步：①在NX 中進行STEP 格式的保存；②將Deep Exploration 導入，并將其轉換為FBX 格式；③將其導入到Unity 3D 軟件場景中[6]。然后通過單位換算的形式將模型比例因數設置成0.001，再對其坐標進行調整，因為NX 軟件和Unity 3D 軟件應用的是不同的坐標規則，所以需對模型軸向加以合理改變。最后是光源設計，對于三維仿真模擬環境而言，光源的作用至關重要，它會對虛擬場景中的體驗起到決定性作用，因此在具體的仿真模擬中，一定要根據實際情況來進行光源的合理設置。

4 結束語

綜上所述，在對工業機器人進行控制系統開發的過程中，通過虛擬化仿真技術的應用，可以為工業機器人及其系統應用創造一個理想化的模擬試驗環境，在這個仿真環境中，研究者可對自己所開發的機器人系統控制功能進行一一驗證，以此來及時發現其具體控制中的一些問題，從而為系統的改進與優化提供科學參考。同時，通過虛擬仿真技術的應用，也可以為工業機器人的訓練提供足夠科學、理想的空間，以此來實現現實訓練成本的顯著節約，并可以實現工業機器人的離線編程，在確保其正常工作的情況下實現其理想化的優化升級。由此可見，在工業機器人系統開發中，虛擬仿真技術具有非常顯著的應用優勢。因此，開發者需要做好此項技術的應用研究，使其為工業機器人系統開發及其優化發展提供良好的技術支撐。