工業機器人虛擬樣機系統的研究

1 前言
　　虛擬樣機（VimudPrototype，簡稱VP）是當前設計制造領域的一門新興技術，該技術在計算機上通過CAD／CAM／CAE等技術將產品信息集成到計算機提供的可視化虛擬環境，在實際產品制造之前實現產品的仿真、分析與優化過程。機器人仿真是機器人研究中的重要環節，可應用于機器人運動學、動力學分析，軌跡和路徑規劃，機器人與工作環境的相互作用，離線編程等方面。隨著目前虛擬制造及數字化制造等先進制造技術的發展，機器人仿真也成為圍繞產品生命周期的整個數字化設計、驗證及制造環境的重要組成部分。研究與開發機器人虛擬樣機系統，可以在虛擬環境中完成以上方面的研究工作，為機器人研究及先進制造技術的發展提供新的手段。
2 虛擬樣機技術
　　虛擬樣機技術涉及多體系統運動學與動力學建模理論及其技術實現，是基于先進的建模技術、多領域仿真技術、信息管理技術、交互式用戶界面技術和虛擬現實技術的綜合應用技術。、1P技術在設計的初級階段 ——概念設計階段就可以對整個系統進行完整的分析，觀察并實驗各組成部分的相互運動情況。通過系統仿真軟件在相應虛擬環境中真實地模擬系統的運動，在計算機上可方便地修改設計缺陷，仿真不同的設計方案，對系統進行不斷的改進，直至獲得最優的設計方案以后，再做出物理樣機。
　　虛擬樣機的設計方法體現出并行工程的概念和思想。是今后先進制造技術的發展方向。與傳統方法相比具有諸多優勢，即在設計時期可確定關鍵參數，更新產品開發過程，縮短開發周期、降低成本和提高產品質量。虛擬樣機的關鍵技術包括以下方面：
1）系統集成性
　　虛擬樣機解決方案涉及到多方面的技術，虛擬樣機執行環境需要在不同的系統間進行轉換，其集成性包括以下方面：
●在CAD環境中建立機械系統三維模型并進行簡單的運動性能分析；
●由幾何模型轉換為CAD系統中的幾何模型，并導入虛擬樣機分析系統，進行運動學與動力學分析；
●虛擬樣機中的載荷傳遞給有限元分析軟件，并將后者的分析結果回傳給虛擬樣機；
●生產線模型及其控制系統的規范與虛擬樣機的集成。
2）系統參數化
　　建立參數化的虛擬樣機系統，可在多仿真參數前提下對虛擬樣機系統進行反復測試，對多種條件下的仿真輸出結果進行分析比較，為系統進一步優化奠定基礎。
3）系統優化
　　虛擬樣機解決方案在系統多參數及虛擬驗證前提下選擇設計者需要的方案，提供優化的系統參數與設計結果。
4）系統可視化與交互性
　　系統提供良好的模型顯示環境，使操作者有高真實性的沉浸感。由于具有可視化方面的優勢，在設計過程中設計者可交互式探索虛擬機械系統的功能，仿真真實環境對虛擬樣機進行反復調試，充分將自身的經驗和能力結合到計算機的虛擬樣機的設計過程中。
3 工業機器人虛擬樣機
3．1機器人數字化虛擬樣機系統
　　機器人虛擬樣機系統將機器人研究與虛擬樣機技術相結合，針對于機器人設計與制造過程中的運動學、動力學分析，軌跡和路徑規劃，機器人與工作環境的相互作用等技術內容進行研究與系統開發，在虛擬環境中完成機器人的設計、分析及虛擬生產過程的實現。系統的具體構成如圖1。

3．2機器人虛擬樣機系統的功能及技術特點
　　機器人虛擬樣機系統的核心功能是提供用于在計算機上進行機器人設計與開發的虛擬環境，其主要功能有以下方面：
1）機器人虛擬樣機系統可視化
　　建立可視化環境是虛擬樣機系統的基礎工作，而CAD幾何建模是核心。機器人虛擬樣機可視化環境具有以下特征：
●在計算機上實現機器人操作機的可視化環境，操作者可直觀、高效地在此基礎上進行機器人的設計與開發，良好的環境可使操作者方便地將自身經驗和知識隨時溶人系統；
●從CAD模型中提取幾何數據，在虛擬樣機系統進一步的工作過程，如運動分析、動力學仿真中加以利用；
●在虛擬樣機開發的不同階段，機器人CAD模型在結構上有所不同。在樣機初期的概念性設計階段，機器人CAD幾何模型可能較為粗略，只為滿足當前設計需要，某些詳細的幾何結構可不必建模；在詳細設計階段，樣機經過反復驗證與完善，系統得到優化后的幾何數據，可對樣機進行詳細的幾何建模，形成整個虛擬樣機的機器人仿真結果。
2）機器人工作過程預先演示
　　根據機器人操作機本體構成，包括各部分的幾何結構與參數、關節數量、類型等因素，通過對運動方程的正向和逆向求解，仿真實現機器人的運動分析。同時在運動分析過程中還可實現對機器人的運動空間分析，工作軌跡規劃，碰撞、干涉校驗等進行仿真研究。
3）機器人虛擬樣機動力學分析
　　通過在虛擬樣機系統中加人物理信息，如操作機材料種類、質量、轉動慣量、關節摩擦等物理因素，進行動力學分析。在動力學分析過程中，可仿真機器人操作機實際工作情況對虛擬樣機預加載荷，或施加重力作用，從而分析樣機在各種工況下各部分的受力情況，研究重點環節，優化系統結構。
4）機器人控制系統仿真
　　機器人虛擬樣機可提供控制系統仿真環境，對控制系統進行測試，在這一方面虛擬樣機比物理樣機具有明顯優勢。各種控制方法可直接作用于物理樣機，高效省時，無需擔心錯誤的控制方法造成樣機的損壞。
　　機器人虛擬樣機系統具有如下技術特點：
1）提供機器人仿真研究的集成系統和數字化機器人設計、驗證環境機器人虛擬樣機系統提供包含數字化建模、可視化的運動過程實現、運動學分析、控制系統仿真在內的統一數據平臺，使各部分之間的仿真及分析結果及時、高效率地互相加以利用，提供數字化的研究環境。
2）構成數字化虛擬制造環境的有機組成部分工業機器人是制造系統中的基本工作單元，機器人虛擬樣機系統能夠有效溶人上一層次的數字化加工制造環境，滿足虛擬制造環境中機器人工作單元上層的生產線仿真、數字化工廠要求，構成數字化機器人生產線的基礎與有機組成部分。
3．3 機器人虛擬樣機系統實現的技術手段
3．3．1采用高水平的幾何建模工具
　　隨著軟件技術的發展，商業化的三維造型軟件如Pro／E、UG及SolidWod～等已可以順利在微機平臺上正常運行，而無需專業的圖形工作站。這些軟件都可以建立高逼真度的機器虛擬樣機幾何模型，同時又具有IGES、STEP、Parasolid等多種幾何數據轉換格式來提供機器人虛擬樣機設計與測試過程中需要的幾何數據，是適宜的機器人虛擬樣機幾何建模開發工具。
3．3．2機器人虛擬樣機系統的開發工具
　　機器人虛擬樣機系統的開發工具主要分兩類，一種是采用通用的軟件開發工具，另一種是專業的虛擬樣機或機器人開發軟件。前者目前較常用的是C++，較早有Fortran、Pas．cal等。采用通用軟件開發的機器人虛擬樣機系統的特點是軟件針對性強，解決設計者具體問題。但要建立樣機的運動學、動力學研究等必需的詳盡而正確的模型，需耗費大量時間和精力，且開發出的系統靈活性差，不易調整。
　　Adams、Envision等是商業虛擬樣機開發工具…1，軟件可建立簡單的幾何模型或從外部CAD軟件導人已建立完畢的機器人幾何模型，系統提供運動學、動力學等方面的仿真功能，建立機器人虛擬樣機設計與優化環境，并具有完善的仿真結果數據處理能力。軟件可使設計者從繁瑣的機器人動態建模過程中解脫出來，將更多精力用于樣機的虛擬設計與驗證過程。
4 結束語
　　將虛擬樣機技術應用于機器人仿真研究領域，進行機器人虛擬樣機的研究開發，一方面拓展虛擬樣機技術的研究與應用范圍，同時在虛擬環境下對機器人產品的設計與分析也是今后數字化設計、制造的發展方向。在機器人仿真研究中通過應用虛擬樣機技術，可使設計人員從繁重的計算過程中解脫出來，將精力投人到虛擬樣機系統的分析與優化過程，有效地進行系統評估，在實際生產之前提供優化的設計產品。
參考文獻：
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