基于Unity3D的工業(yè)機(jī)器人虛實(shí)孿生控制仿真研究

劉富春,柏受軍*,郝旭耀,鄭群現(xiàn),江 明

(1.安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽工程大學(xué) 高端裝備先進(jìn)感知與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000；3.安徽佐標(biāo)智能科技有限公司 軟件研發(fā)部，安徽 蕪湖 241000)

工業(yè)機(jī)器人是綜合機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能、控制技術(shù)等多種學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)于一體的復(fù)雜智能機(jī)器[1-2]。隨著工業(yè)4.0時(shí)代的推進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模越發(fā)廣泛，與此同時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制也面臨著高適應(yīng)性、快速設(shè)計(jì)變化、數(shù)字信息技術(shù)和更靈活的技術(shù)勞動(dòng)力培訓(xùn)的壓力[3-4]。

由于機(jī)器人價(jià)格比較昂貴[5]，而且需要定期維護(hù)，成本較高，在教學(xué)與科研中難以保證為學(xué)生提供更多的實(shí)體機(jī)器人實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。同時(shí)，市面上大部分機(jī)器人模型設(shè)計(jì)的參數(shù)不盡相同，進(jìn)行示教運(yùn)行的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也大不一樣。目前，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制仿真軟件大多數(shù)是自主開發(fā)的離線仿真示教軟件，可以在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)機(jī)器人的三維虛擬世界，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人離線編程、三維運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃以及動(dòng)態(tài)仿真。但是特定款式的機(jī)器人系統(tǒng)編程開發(fā)仿真成本高、仿真手段單一，對(duì)技術(shù)人員技術(shù)水平的要求也很高。

本文所進(jìn)行的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)虛實(shí)孿生控制仿真研究，是基于Unity3D技術(shù)進(jìn)行的機(jī)器人控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真。在關(guān)于工業(yè)機(jī)器人半實(shí)物系統(tǒng)仿真的研究中，文獻(xiàn)[5]以三菱工業(yè)機(jī)器人為原型建立了仿真平臺(tái)和機(jī)器人控制器之間的TCP/IP通信，設(shè)計(jì)了平臺(tái)的用戶圖形交互界面，交互實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的正向和逆向運(yùn)動(dòng)在線控制和實(shí)時(shí)仿真。文獻(xiàn)[6]研發(fā)的水下機(jī)器人半實(shí)物仿真系統(tǒng)采用同一地面控制終端作為三維仿真系統(tǒng)和機(jī)器人控制系統(tǒng)的統(tǒng)一指令輸入源，以實(shí)現(xiàn)虛擬對(duì)象和機(jī)器人本體的同步工作，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)參。文獻(xiàn)[7]為了解決低剛度輕型機(jī)械手的高精度多關(guān)節(jié)同步運(yùn)動(dòng)控制，提出了一種基于以太貓實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)分布式時(shí)鐘同步方法。在關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的離線編程系統(tǒng)的研究中，文獻(xiàn)[8]使用離線編程技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助技術(shù),在機(jī)器人不脫離生產(chǎn)線的情況下,通過虛擬仿真驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)軌跡后自動(dòng)生成實(shí)體機(jī)器人作業(yè)程序。文獻(xiàn)[9]在傳統(tǒng)幾何參數(shù)誤差標(biāo)定的基礎(chǔ)上，建立了耦合重力參數(shù)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人控制指令的離線修正。關(guān)于工業(yè)機(jī)器人在線仿真研究方面，文獻(xiàn)[10]在主端虛擬仿真預(yù)測(cè)系統(tǒng)中建立了從端環(huán)境及機(jī)器人的虛擬模型，根據(jù)操作者命令對(duì)從端機(jī)器人的狀態(tài)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，同時(shí)根據(jù)從端現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的機(jī)器人狀態(tài)對(duì)虛擬機(jī)器人進(jìn)行在線修正。文獻(xiàn)[11]采用工件模型的DXF(Drawing Exchange Format)文件自動(dòng)提取方法解析出作業(yè)信息，并為實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)作業(yè)提供了一種高效的人機(jī)文交互方式。

本文以Unity3D引擎為開發(fā)平臺(tái)，以C++和C#為開發(fā)語(yǔ)言，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)虛實(shí)孿生控制仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Unity建模原理搭建虛擬六軸機(jī)器人，可多角度觀測(cè)虛擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，觀測(cè)性良好；利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和Modbus/Tcp通訊原理建立實(shí)體機(jī)器人和虛擬機(jī)器人之間的實(shí)時(shí)通訊傳輸和數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)器人孿生映射實(shí)體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

1 系統(tǒng)框架概述

本文所述的工業(yè)機(jī)器人虛實(shí)孿生仿真系統(tǒng)如圖1所示。由圖1可知，系統(tǒng)主要包括兩部分，首先是實(shí)體機(jī)器人控制系統(tǒng)部分，此系統(tǒng)以實(shí)體示教器輸入指令信號(hào)，實(shí)體控制器接收信號(hào)并進(jìn)行指令運(yùn)行，發(fā)送信號(hào)至伺服驅(qū)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)六軸機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。其次是虛擬機(jī)器人仿真系統(tǒng)部分，此部分主要包括虛擬解析器的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、狀態(tài)幀的數(shù)據(jù)組成以及虛擬機(jī)器人的三維模型搭建。

圖1 虛實(shí)孿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體框圖

本文旨在體現(xiàn)虛實(shí)同步運(yùn)動(dòng)仿真，內(nèi)容是虛擬機(jī)器人仿真系統(tǒng)映射實(shí)體機(jī)器人控制系統(tǒng)，即虛擬仿真系統(tǒng)中仿真器以Modbus/Tcp通訊協(xié)議讀取實(shí)體機(jī)器人控制系統(tǒng)中機(jī)器人控制器的指令數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，在Unity3D虛擬引擎里以狀態(tài)幀的方式將物理狀態(tài)輸出和物理狀態(tài)反饋來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人模型運(yùn)動(dòng)。以固定頻率數(shù)據(jù)幀的讀取來確保虛擬機(jī)器人與實(shí)體機(jī)器人的運(yùn)行姿態(tài)保持一致，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人虛實(shí)孿生運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)性與同步性。

2 仿真系統(tǒng)的建模

2.1 虛擬六軸機(jī)器人的建模

仿真系統(tǒng)里的虛擬六軸機(jī)器人建模參照?qǐng)D2中EFORT ER3-600型號(hào)六軸機(jī)器人[12]。D-H參數(shù)表如表1所示。

圖2 EFORT ER3-600機(jī)器人各關(guān)節(jié)尺寸和工作空間(單位：mm)

表1 EFORT ER3-600機(jī)器人D-H參數(shù)表

使用Unity3D虛擬引擎平臺(tái)[13]，依據(jù)機(jī)器人參數(shù)進(jìn)行建模，具體流程如下：

(1)在Solidworks中依據(jù)實(shí)際參數(shù)1∶1對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行繪制；

(2)利用3ds Max合并機(jī)器人孤立頂點(diǎn)進(jìn)行檢查和移除，并對(duì)模型進(jìn)行處理以減少冗余的面；

(3)使用貼圖(Texture)和著色器(Shader)相配合，完善機(jī)器人模型、信號(hào)模型的材質(zhì)、紋理以及燈光效果等信息的添加；

(4)將所有模型的初始坐標(biāo)設(shè)置為原點(diǎn)，將模型中的軸設(shè)置為對(duì)象的中心;

(5)對(duì)項(xiàng)目中的模型添加剛體(Rigidbody)屬性，勾選“Use Gravity”屬性實(shí)現(xiàn)碰撞效果；

(6)添加機(jī)器人相機(jī)視角、跟隨視角和整體視角3種不同視角，進(jìn)行不同角度的觀察；

(7)提供控制接口，與顯控計(jì)算機(jī)通過Modbus/Tcp協(xié)議數(shù)據(jù)交互;

(8)機(jī)械臂模型通過3ds Max軟件導(dǎo)出為Unity3D引擎需要的FBX數(shù)據(jù)格式，最后導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D引擎的虛擬場(chǎng)景。

創(chuàng)建好的機(jī)器人模型調(diào)試如圖3所示。通過機(jī)器人六軸父系機(jī)構(gòu)調(diào)試驗(yàn)證建模準(zhǔn)確性，單軸調(diào)試符合建模規(guī)范；機(jī)器人軸角添加碰撞盒模塊進(jìn)行碰撞報(bào)警，效果顯示良好。基于Unity3D引擎搭建的仿真機(jī)器人觀測(cè)角度與運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)于文獻(xiàn)[8]等基于OpenGL平臺(tái)所搭建的模型。

圖3 Unity3D虛擬六軸機(jī)器人建模

2.2 仿真系統(tǒng)元器件的建模

為更好地觀測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在建立虛擬機(jī)器人模型的同時(shí)，為機(jī)器人基礎(chǔ)搬運(yùn)工作站的其他元器件也進(jìn)行虛擬建模，主要包含吸盤、運(yùn)輸皮帶線、光電傳感器、物料生成器等。建模完成的模型還需要進(jìn)行模擬信號(hào)控制，與實(shí)體機(jī)器人控制信號(hào)相仿即可進(jìn)行仿真系統(tǒng)的元器件信號(hào)控制，以完成機(jī)器人對(duì)物料的基礎(chǔ)搬運(yùn)。建模元器件的參數(shù)如表2所示。

表2 建模元器件參數(shù)表

3 實(shí)體機(jī)器人控制系統(tǒng)與虛擬機(jī)器人控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

完成虛擬仿真系統(tǒng)的建模之后，要想達(dá)到仿真系統(tǒng)虛擬六軸機(jī)器人孿生同步實(shí)體機(jī)器人，需要進(jìn)行兩者之間的數(shù)據(jù)通訊。其中,實(shí)體機(jī)器人控制系統(tǒng)中以實(shí)體示教器作為上位機(jī)發(fā)送信號(hào)指令，實(shí)體控制器運(yùn)行指令程序進(jìn)行實(shí)體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，其信號(hào)傳輸流程如下：

在實(shí)體機(jī)器人處于斷電重啟初始狀態(tài)時(shí)，機(jī)器人控制器內(nèi)部未知機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)發(fā)送指令示教調(diào)試，在控制器內(nèi)部為角度信號(hào)值J1～J6；之后機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到已知位置和姿態(tài)，此時(shí)機(jī)器人控制器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型取決于調(diào)用的程序類型，若為軸角坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)指令，則控制器內(nèi)部數(shù)據(jù)為角度信號(hào)值J1～J6；若為空間坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)指令，則控制器內(nèi)部數(shù)據(jù)為機(jī)器人末端坐標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)控制器內(nèi)部機(jī)器人正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解析反解得到機(jī)器人角度信號(hào)值J1～J6，統(tǒng)一存放于控制器某個(gè)寄存器中，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)六軸伺服電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制機(jī)器人的運(yùn)行。實(shí)體控制器還會(huì)發(fā)送DI變量信號(hào)或者其他如浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)信號(hào)等至實(shí)體控制器，控制器轉(zhuǎn)換成DO變量或者浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)至實(shí)體控制器內(nèi)部寄存器中。上述機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角度值、DO變量信號(hào)值和其他浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)值再通過Modbus/Tcp通訊協(xié)議發(fā)送至虛擬解析器中進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，從而驅(qū)動(dòng)虛擬仿真系統(tǒng)里虛擬機(jī)器人的運(yùn)行。實(shí)體機(jī)器人控制系統(tǒng)到虛擬機(jī)器人控制系統(tǒng)的通訊數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4所示。

圖4 實(shí)體機(jī)器人控制系統(tǒng)與虛擬機(jī)器人控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程圖

4 解析器的開發(fā)與數(shù)據(jù)同步

研究需要通過仿真系統(tǒng)得到實(shí)體機(jī)器人控制器的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，為控制虛擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，要在仿真系統(tǒng)中開發(fā)對(duì)于虛擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示與反饋的解析器。解析器的主要功能是對(duì)實(shí)體控制器傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，利用虛擬三維世界的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)變換，將真實(shí)機(jī)器人的角度值映射到虛擬引擎里，并解析成虛擬機(jī)器人的角度值和位姿位置。因此,解析器的仿真開發(fā)就是虛擬機(jī)器人的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解析及算法實(shí)現(xiàn)。本文以EFORT ER3-600型號(hào)六軸機(jī)器人為研究對(duì)象，虛擬仿真系統(tǒng)里也依據(jù)實(shí)體機(jī)器人參數(shù)1∶1搭建虛擬機(jī)器人模型，EFORT ER3-600型號(hào)六軸虛擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)應(yīng)符合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)原理,機(jī)器人的D-H參數(shù)如上文表1所示。

4.1 機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)解析及算法實(shí)現(xiàn)

EFORT ER3-600型號(hào)機(jī)器人D-H結(jié)構(gòu)坐標(biāo)變換簡(jiǎn)圖如圖5所示。由圖5可知，它具有6個(gè)自由度，6個(gè)關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，前3個(gè)關(guān)節(jié)決定手腕的位置，后3個(gè)關(guān)節(jié)決定手腕的姿態(tài)。因?yàn)楣ぞ咦鴺?biāo)系跟手腕是固連的，所以前3個(gè)關(guān)節(jié)跟后3個(gè)關(guān)節(jié)也就分別決定了工具坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。

圖5 機(jī)器人相鄰坐標(biāo)變換圖

參考文獻(xiàn)[14-16]得到機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)于機(jī)器人基座的連桿變換矩陣為

圖6 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解程序流程圖 圖7 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解程序流程圖

4.2 機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解析及算法實(shí)現(xiàn)

逆運(yùn)動(dòng)學(xué)討論的其實(shí)就是正運(yùn)動(dòng)學(xué)的反向問題，即已知末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)來確定機(jī)器人各關(guān)節(jié)變量的取值，六自由度機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解有多種，需根據(jù)機(jī)器人的工作環(huán)境和各項(xiàng)參數(shù)求取合適的解。即可轉(zhuǎn)換成假設(shè)機(jī)械臂末端u=(px、pv、pz)T以及n、o、a,求解各關(guān)節(jié)角度q=(θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6)的問題，求解過程如下。

求解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的過程是已知機(jī)器人末端位置和姿態(tài)，求取該姿態(tài)對(duì)應(yīng)的6個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，因此,先求取T矩陣，再依次計(jì)算得出6個(gè)關(guān)節(jié)角度，將解得角度重新代入等式，需要判斷值是否真實(shí)有效，然后再進(jìn)行最優(yōu)解的求取，最優(yōu)解遵循兩個(gè)原則：不超過軸的運(yùn)動(dòng)范圍；最短路徑原則，即選出距離上一次姿態(tài)各軸所需最小的運(yùn)動(dòng)量，給各軸分配一個(gè)權(quán)重，使盡量動(dòng)小軸或姿態(tài)軸，最終獲得的最優(yōu)解即為機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算法流程圖如圖7所示。

4.3 數(shù)據(jù)同步性解析

控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的程序一般是周期性的(例如插補(bǔ)、求逆解)，即循環(huán)執(zhí)行，每一次循環(huán)必須要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，否則會(huì)影響機(jī)器人的性能(例如精度)；還有機(jī)器人必須對(duì)突發(fā)情況作出及時(shí)的響應(yīng)，否則可能危及人身和設(shè)備安全。因此，控制器不僅要完成工作，還必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。在虛擬仿真環(huán)境里解析器通過解析從實(shí)體機(jī)器人控制器傳過來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理成為可以驅(qū)動(dòng)虛擬引擎的物理狀態(tài)輸出，主要包含機(jī)器人運(yùn)行的角度、DO控制變量信號(hào)等。虛擬仿真系統(tǒng)里機(jī)器人的運(yùn)行要同步孿生于實(shí)體機(jī)器人，需要進(jìn)行幀同步，即在發(fā)送端必須提供每幀的起始標(biāo)記，在接收端檢測(cè)并獲取這一標(biāo)志。實(shí)體機(jī)器人控制器運(yùn)行周期約為100 μs，本文以實(shí)體機(jī)器人作為Modbus-Server端，仿真系統(tǒng)作為Client端，連接到機(jī)器人后，進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，數(shù)據(jù)頻率根據(jù)情況控制在20 Hz，即50 ms左右，所以仿真系統(tǒng)從實(shí)體機(jī)器人控制器讀取值的實(shí)時(shí)性誤差在49.9～50 ms，可忽略不計(jì)，達(dá)到虛實(shí)機(jī)器人孿生運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)性效果。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

5.1 Modbus通訊協(xié)議格式與內(nèi)容

虛擬仿真系統(tǒng)里機(jī)器人的運(yùn)行要同步孿生于實(shí)體機(jī)器人，需要進(jìn)行幀同步，即在發(fā)送端必須提供每幀的起始標(biāo)記，在接收端檢測(cè)并獲取這一標(biāo)記。因此機(jī)器人實(shí)體控制器與虛擬解析器使用Modbus通訊協(xié)議的幀內(nèi)容就必須包含幀頭位，解析器檢測(cè)到幀頭之后，會(huì)分析機(jī)器人設(shè)備的類型和編號(hào)，去識(shí)別匹配的機(jī)器人型號(hào)，即匹配本文的研究對(duì)象EFORT ER3-600型號(hào)機(jī)器人，子幀類型與長(zhǎng)度則存放實(shí)體機(jī)器人運(yùn)行角度，可添加其他子幀包含DI/DO、FLAOT變量等，解析器會(huì)將此數(shù)據(jù)給到狀態(tài)幀，最終解析器會(huì)將之前的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行CRC加和校驗(yàn)，確定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。總計(jì)一幀發(fā)送的數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容如表3所示。

表3 實(shí)體機(jī)器人控制器與虛擬仿真系統(tǒng)Modbus傳輸數(shù)據(jù)

5.2 同步性仿真實(shí)驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)虛實(shí)孿生控制仿真同步，首先在仿真環(huán)境里搭建六軸工業(yè)機(jī)器人虛擬三維模型以及工作站元器件模型來虛擬化DI/DO變量信號(hào)，以單個(gè)機(jī)器人本體為中心，搭建一個(gè)設(shè)備完整的機(jī)器人A to B點(diǎn)的基礎(chǔ)搬運(yùn)工作站。除了虛擬機(jī)器人模型外，Unity3D虛擬引擎還包含虛擬化工作臺(tái)、電氣控制柜、物料毛坯生成、皮帶傳輸線、光電傳感器、物料吸盤等模型。實(shí)體機(jī)器人與搭建完畢的虛擬機(jī)器人搬運(yùn)工作站對(duì)比圖片如圖8所示。

圖8 虛擬機(jī)器人搬運(yùn)工作站與實(shí)體機(jī)器人對(duì)比圖

實(shí)體機(jī)器人控制系統(tǒng)與虛擬控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)Modbus/Tcp進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，虛擬控制器通過Modbus通訊協(xié)議讀取機(jī)器人控制器信號(hào)。實(shí)體機(jī)器人六組運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位角度值測(cè)量表如表4所示。以機(jī)器人實(shí)體控制器運(yùn)行搬運(yùn)流程的程序代碼，隨機(jī)選取某一幀運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)作為標(biāo)定值數(shù)據(jù)，記錄在表4第2列中，多次測(cè)量實(shí)體機(jī)器人標(biāo)定值點(diǎn)位數(shù)據(jù)分別記錄在表4第3～7列中。計(jì)算測(cè)量值與標(biāo)定值的最大誤差記錄在表4第8列中。表4數(shù)據(jù)表明，多次運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位測(cè)量數(shù)據(jù)最大誤差低于機(jī)器人重復(fù)定位精度誤差±0.02 mm，故選取標(biāo)定值數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

表4 實(shí)體機(jī)器人六組運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位角度值測(cè)量表

實(shí)體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)如圖9a所示。控制器寄存器的角度值J1～J6可通過實(shí)體示教器讀取得到，如表5所示。將讀取到的實(shí)體機(jī)器人控制器寄存器角度值通過Modbus傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸。虛擬解析器得到機(jī)器人六軸角度等數(shù)據(jù)之后，通過調(diào)用內(nèi)部機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解算法得到Unity3D仿真環(huán)境里的機(jī)器人末端姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)，然后在虛擬仿真環(huán)境里顯示機(jī)器人的空間位置和姿態(tài)，如圖9b所示。實(shí)體機(jī)器人與虛擬機(jī)器人接收運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)記錄在表5中。通過虛實(shí)機(jī)器人的姿態(tài)和數(shù)據(jù)對(duì)比可知，虛擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和角度變化基本跟隨實(shí)體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

圖9 實(shí)體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與虛擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)對(duì)比圖

表5 實(shí)體機(jī)器人與虛擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角度值

同時(shí)在虛擬環(huán)境里還要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，將得到的角度值轉(zhuǎn)換成Unity3D世界坐標(biāo)值，通過將讀取的實(shí)體機(jī)器人控制器坐標(biāo)值與虛擬仿真UI顯示坐標(biāo)值以及運(yùn)動(dòng)學(xué)算法正解結(jié)果對(duì)比，實(shí)體機(jī)器人、虛擬機(jī)器人與運(yùn)動(dòng)學(xué)算法世界坐標(biāo)值如表6所示。

表6 實(shí)體機(jī)器人、虛擬機(jī)器人與運(yùn)動(dòng)學(xué)算法世界坐標(biāo)值

從圖9的虛實(shí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)比可以看出,從初始狀態(tài)到機(jī)器人抓取物料，這兩個(gè)機(jī)器人姿態(tài)基本保持一致，未出現(xiàn)碰撞報(bào)警信號(hào)；表5的機(jī)器人實(shí)體控制器與虛擬機(jī)器人調(diào)試器所獲取到的六軸機(jī)器人角度值也保持一致，其誤差只是由于Unity3D虛擬引擎設(shè)置的角度精確度為0.1°，得出虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)獲取實(shí)體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并映射至虛擬仿真環(huán)境里。同時(shí)表6的數(shù)據(jù)表明，解析器封裝的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)算法數(shù)據(jù)與實(shí)體機(jī)器人的世界位姿數(shù)據(jù)誤差滿足仿真精度，仿真環(huán)境里顯示的數(shù)據(jù)也準(zhǔn)確表明了虛擬機(jī)器人在仿真環(huán)境里的位姿，與實(shí)體機(jī)器人互為虛實(shí)對(duì)應(yīng)。該虛擬仿真系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取實(shí)體機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)并將其映射至仿真環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)孿生的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制仿真模擬。

6 結(jié)論

搭建了虛擬機(jī)器人控制仿真系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的離線編程系統(tǒng)對(duì)比,不僅可以完成離線機(jī)器人示教，而且可以通過Modbus通訊協(xié)議建立與實(shí)體機(jī)器人控制系統(tǒng)的連接，通過虛擬解析器解析實(shí)體控制器的運(yùn)行數(shù)據(jù)并以數(shù)據(jù)幀的方式實(shí)時(shí)傳輸給虛擬仿真機(jī)器人。通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以表明，實(shí)體機(jī)器人與虛擬機(jī)器人運(yùn)行同步性良好，三維虛擬世界仿真觀測(cè)效果好，且虛擬機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)符合機(jī)器人正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，和實(shí)體機(jī)器人保持一致，達(dá)到了虛實(shí)同步與孿生。

此機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制仿真系統(tǒng)利用Unity3D引擎為平臺(tái)搭建，三維角度觀測(cè)性能好，且支持在線孿生示教，為機(jī)器人的學(xué)習(xí)和示教提供一種有效手段。之后的研究中可以將虛實(shí)孿生機(jī)器人的運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳數(shù)據(jù)庫(kù)保存記錄，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)器人運(yùn)行報(bào)錯(cuò)數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)，為智能制造數(shù)字孿生系統(tǒng)化開發(fā)做基礎(chǔ)準(zhǔn)備條件。