基于VR 技術的焊接機器人虛擬仿真系統★

郇 新， 周 衛

（濰坊工程職業學院， 山東 青州 262500）

1 研究意義與必要性

虛擬仿真技術起源于美國，其中英美等國家研究水平較高。Heginbothm 開發了“Sammie”機器人仿真程序，在仿真程序中使用虛線輪廓表示機器人模型，采用點到點運動方式，能夠使機器人按照連續軌跡運動。美國通用公司開發了“SDRC”機器人仿真系統，該系統具備工業機器人離線仿真功能。美國Maryland大學開發了“DYNAMAN”軟件包，該軟件包包含動力學模型，可以根據機器自動生成F0RTRAN 仿真程序。隨著工業機器人技術發展，一些知名工業機器人企業開始專門針對自己開發產品的工業機器人仿真軟件，比如ABB 公司的RobotStudio 工業機器人仿真系統和德國KUKA 公司的Sim Pro 工業機器人仿真系統。

近年來，我國也出現了一些優秀的工業機器人仿真軟件。如清華大學開發了一款“PCROBSN”工業機器人仿真系統，包含多種工業機器人系統，仿真多種工業機器人[1]。華航唯實開發了“RobotArt”機器人離線仿真軟件，該軟件可以根據自動生成機器人運動軌跡，進行機器人軌跡仿真，根據軌跡生成運行動畫[2]；上海交通大學開發了“ROSIDY”機器人仿真軟件，該軟件使用AutoCAD 平臺，該軟件突出了機器人圖形仿真，實用性強[3]。同時，國內知名大學、中科院自動化研究所、國產知名機器人企業也紛紛開始了工業機器人仿真技術的研究。

當前工業機器人仿真軟件大多采用計算機仿真方式，缺少沉浸式虛擬仿真軟件；當前工業機器人仿真軟件只能在計算機上仿真工業機器人運行軌跡，不能將焊槍的位置和角度轉換到虛擬場景中，不能模擬焊接過程的電弧閃爍、金屬熔化、焊縫形成等焊接過程，不能捕捉機器人速度、焊接電流、焊接電壓、焊接角度等參數，無法分析焊接質量。因此，本文針對焊接機器人實訓和工程運用所需，開展的基于VR 技術的焊接機器人虛擬仿真系統的研制工作，對工業機器人技術發展有著重大意義。

2 主要研究內容

2.1 研究目標

本文主要研究基于VR 技術，利用Unity 3D 平臺，將虛擬現實技術和焊接虛擬仿真平臺有機融合，從教學培訓和實際應用兩個角度出發，開發一款焊接機器人虛擬仿真系統。

2.2 研究內容

1）焊接機器人虛擬仿真系統平臺搭建。本系統平臺主要由軟件系統和硬件系統組成。其中，軟件系統我們選用了技術比較成熟的Unity 3D 平臺，來生成VR 場景，操作工業機器人設備，反饋場景信息[4]；硬件系統主要包括頭盔、上位機、虛擬現實設備、支撐平臺、模擬焊槍等。

2）工業機器人及關鍵部件三維建模。使用Solid-Works 軟件對工業機器人及關鍵零部件進行建模。其中考慮到工業機器人的關節運動仿真，將工業機器人分為底座、前臂、手部等六個部分，分別進行建模。針對關鍵部件包括焊槍、焊接工作臺、焊接工件等進行1∶1 仿真建模。由于SolidWorks 軟件生成的文件不能直接導入unity 3D，我們利用3D max 軟件進行優化后導入Unity 3D 中（如圖1 所示）。

圖1 焊接機器人VR 虛擬仿真圖

3）人機交互界面設計。良好的人機交互界面直接關系到用戶的體驗，另外考慮到功能完善要求，我們將界面分為網絡連接、人物視角、狀態轉換、工業機器人工作狀態、工業機器人關節速度、工業機器人運行控制等。

4）仿真系統與焊接虛擬仿真實訓平臺同步。工業機器人、焊接工件等三維模型與實際物體均為1∶1的真實尺寸，可以通過控制界面實現旋轉、縮放等功能，方便使用者從不同角度觀察機器人的運行狀態。仿真系統與焊接虛擬仿真訓練平臺進行通信，保證仿真系統與焊接虛擬仿真訓練平臺的同步。焊接虛擬仿真平臺根據機器人速度、焊接電流、焊接電壓、焊接角度等參數，通過算法自動生成模擬焊縫信息，生成焊接質量報告，并反饋給虛擬仿真系統。

3 研究方法和技術路線

本文研究技術路線如圖2 所示。

圖2 研究技術路線

3.1 三維建模及優化處理

使用SolidWorks 軟件對工業機器人及關鍵零部件進行建模進行1∶1 仿真建模。由于SolidWorks 軟件生成的文件不能直接導入unity 3D，我們利用3D max 軟件進行優化后生成FBX 格式文件，方便導入unity 3D 中使用。

3.2 模型及場景加載

將3D max 軟件導處的FBX 格式文件，導入到Unity 3D 中，生成可以供Unity 3D 使用的模型文件。將模型文件加載到Unity 3D 場景中，使用語言控制腳本，就可以控制它們的運動了。

3.3 人機交互界面設計及運動仿真

在Unity 3D 軟件中使用C# 語言編寫機器人運動控制程序；使用“VisualStudio”集成開發工具包，開發人機界面，有效提高人機界面的開發效率。將VR手柄傳感器加入模擬焊槍中（如圖3 所示），通過感知模擬焊槍的運動來確定機器人的路徑[5]。

圖3 模擬焊槍

3.4 焊接平臺同步與臨場感的實現

為驗證使用者機器人焊接質量，我們將仿真程序與實際的虛擬焊接平臺連接，將仿真參數與仿真結果等數據進行共享，產生使用者焊接質量報告[6]。加入真實機器人焊接工作場景中的聲音、電火花、煙霧等效果，改善6 軸工業機器人運動算法，提高工業機器人運行仿真度，進一步提高系統的臨場感。

3.5 焊縫成形與質量檢測

操作系統與焊接虛擬仿真培訓平臺相連接。焊接虛擬仿真平臺根據焊接電流、焊接電壓、焊接角度等參數，結合模擬焊槍的移動位置、速度、角度等參數，自動生成焊縫（如圖4 所示），并生成焊接質量報告。

圖4 生成焊縫

4 虛擬仿真及其結果展示

4.1 虛擬仿真使用

當操作人員使用虛擬仿真軟件時，軟件會利用VR 模擬焊接手柄中的多個傳感器，將系統將實時獲得焊槍的位置和姿態，在仿真軟件中焊槍和焊縫的仿真圖（如圖5 所示）。

圖5 焊槍和焊縫仿真圖

根據工件的加工位置及要求，在仿真系統中手動設置焊接電流、電壓、焊接速度、保護器等參數，焊接過程中，操作人員需要將VR 焊槍運行到具體位置，實時采集焊縫數據，仿真軟件會轉化成虛擬仿真數據，將數據進行分析和處理，在顯示屏上將會形成具體的焊接數據，如表1 所示。

表1 虛擬仿真軟件生成數據

4.2 真實場景中焊縫展示

我們使用真實的ABB1400 機器人焊接工作站，設置焊接電流、電壓、焊接速度、保護氣等參數與虛擬仿真軟件一致，測試焊接機器人的焊接參數，記錄焊接機器人焊接數據如表2 所示，當焊接電流逐漸增加時，單位距離熱輸入穩定增加，焊縫寬度則逐漸增加。

表2 焊接機器人焊接實際數據

5 主要創新點、先進性

5.1 安全、高效開展焊接機器人培訓和工程應用

該系統采用虛擬仿真方式，消除了焊接過程中強光、高溫、煙霧等危險元素，幫助使用者安全進行使用。消除初學者設備安全規范使用障礙，幫助初學者快速、真實地進行焊接機器人培訓。培訓過程中節約了焊接耗材，降低設備使用功耗，節能環保性能突出?？梢苑奖愕剡M行不同焊接工件的工業機器人焊接模擬，增加最新工業機器人焊接技術，提高培訓效率。

5.2 使用VR 虛擬現實技術，提高了操作的真實感

該系統使用VR 虛擬現實技術，使用者可以從第一人稱視角出發，360°全方位進行觀察，代入感強。還可以針對畫面進行旋轉、縮放等操作，方便使用者從最佳角度觀察機器人。它具有模擬焊接機器人的操作、焊接各類工件的焊接、焊縫模擬成形、焊縫質量檢測等功能，使操作者能夠直接觀察機器人焊接的全過程，提高操作的真實感。

5.3 高精度焊接質量報表生成，真正提高焊接機器人操控水平

仿真系統與焊接虛擬仿真培訓平臺相連接。該算法根據機器人速度、焊接電流、焊接電壓、焊接角度等參數，高精度生成模擬焊縫，同時生成焊接質量報告。通過焊接質量報告為培訓和工程應用人員提供數據，調整焊接機器人的運行速度、參數設置、運行軌跡、焊槍角度，真正提高焊接機器人的控制水平。

6 結語

本文基于VR 技術設計的焊接機器人虛擬仿真系統，通過對比可以看出虛擬仿真軟件生成的焊縫與實際焊縫基本相同，這樣操作人員在虛擬仿真軟件中練習，仿真軟件會分析操作人員在虛擬焊接過程中出現的問題。通過不斷的改進，使操作人員不斷增加操作技巧，掌握焊接工藝和方法，為后續從事焊接工作打下堅實基礎。