虚拟仿真技术在工业机器人系统开发中的应用策略

李少坤，望 超

（武汉工程科技学院，湖北武汉 430200）

将虚拟仿真技术用来进行工业机器人系统的开发，不仅可以让工业机器人与其实际的应用需求更加适应，同时也可以实现很多系统开发与后续应用问题的有效避免。因此，研究者一定要对此项技术做到足够重视，并通过合理的策略来加以应用。这样才可以有效确保工业机器人系统开发的科学性、合理性与适用性，满足其实际的开发、应用与拓展需求。

1 虚拟仿真技术与工业机器人

1.1 虚拟仿真技术

虚拟仿真技术也叫做虚拟决策技术，其本质就是为实现相关问题解决而建立起的同态模型，通过这个模型的运行来进行研究结果评价，最终得出最优决策。简单而言，虚拟仿真技术就是借助于计算机技术来进行的一个虚拟化环境创建，以模拟的形式将用户的视觉、听觉、嗅觉与触觉等调动起来，从而达到良好的人机交互效果，使其获得沉浸式的应用体验[1]。

1.2 工业机器人系统

工业机器人就是工业领域中应用的一种多自由度或多关节机械手形式的机器装置，此类装置具有很高的自动性，可通过自身的控制能力以及动力能源来进行各种的工业加工与操作。目前，工业机器人已经在化工、物流以及电子等工业领域中得到了广泛应用。在工业机器人系统中，其主要的组成有6个：驱动系统、机械结构系统、控制系统、感受系统、环境交互系统和交互系统[2]。

2 工业机器人系统开发过程中的虚拟仿真技术应用策略

2.1 为工业机器人的操作训练提供辅助

在对工业机器人进行系统开发的过程中，训练是一个重要环节。由于现实场景训练将会涉及到训练环境设置，此时就需要投入大量的空间、时间、人力、物力和财力，这样的情况就会为工业机器人的训练带来一定难度。而通过虚拟现实技术的应用，便可在计算机软件的辅助作用下进行虚拟现实场景的创设，将工业机器人导入到这个虚拟现实场景中，以此来对其各项系统功能进行试验与训练。通过这样的方式，不仅可以为工业机器人提供一个更加理想化的训练环境，同时也会为其系统功能的及时改进与试验提供充分的技术支撑。

具体应用中，可通过Robot Studio 虚拟仿真软件为工业机器人创设一个虚拟化的控制系统，然后将其导入到虚拟培训场景中，通过虚拟控制系统对其进行控制。在此过程中，虚拟场景中的机器人展示架和现实中的机器人身架完全一致，从而为其系统开发与生产提供良好的技术支持。①各种功能支持的提供，包括工业机器人的仿真操作环境设置、适配器连接、输入与输出信号连接、数据处理以及手动处理等；②让工业机器人系统开发漏洞及其控制中的一些不当行为得以及时发现，并通过虚拟化设计与操作的方式及时进行改进，从而为工业机器人系统的实际开发与操作奠定良好基础，使其安全系数得以显著提升；③可以为工业机器人提供一个虚拟化的工业生产与操作练习空间，使其按照自身情况与实际应用需求来进行相应的工作训练；④为工业机器人提供一些特定的工况，并对其在各种工况下的操作技能进行合理设计，以此来实现其判断能力、分析能力与应变能力的良好保障[3]。

2.2 为工业机器人的离线编程提供支持

在工业机器人系统开发中，编程是一项至关重要的内容。就目前来看，工业机器人系统的编程主要分两种技术形式，一种是离线编程，另一种是指令编程。而在具体的系统开发中，如果通过现场指令编程的形式进行编程，便会使其工作时间被大量占用，从而对工业生产效率造成很大程度的不良影响。在这样的情况下，如果将虚拟仿真技术加以合理应用，便可让工业机器人实现离线编程，从而显著缩短其生产作业中的停机时间；同时也可以避免程序员在危险工况下进行工业机器人指令编程，在减轻其工作负担的同时为其提供良好的安全保障。

在通过虚拟仿真技术进行工业机器人的离线编程过程中，通常会涉及到一些逻辑注释，且需要将其在各个子路径中嵌入，此时可采用相应的教学编程法来进行编程。将离线编程软件、RAPID 应用程序修改设备以及Robot Studio 成像软件等加以合理应用，便可对工业机器人系统中的各种应用程序进行优化与修改。对于设计好的应用程序，可直接将其下载到工业机器人系统中进行使用[4]。通过这样的方式，便可为工业机器人系统离线编程的实现及其工作效率的提升提供良好的技术支撑。

2.3 为工业机器人关联设备的设计提供支持

在工业机器人系统开发中，其虚拟仿真都需要进行机器人三维模型及其工作相关的场景创建，比如生产设备创建、辅助设备创建、固定装置创建等。在这样的情况下，与工业机器人相关联的设备也会以三维模型的形式显示在虚拟仿真环境中，并通过一定的操作与工业机器人之间达到良好的关联效果。在这样的情况下，借助于虚拟仿真技术，也可以为与工业机器人相关联的设备进行合理设计，从而使其成为工业机器人的配套设备，进一步提升工业机器人的实际应用效果。比如，将一些特殊配件设计并安装到工业机器人的法兰第六轴上，以此来执行相应的操作，便可让工业机器人的不同功能得以有效控制与实现。再比如，对于工业机器人所配套应用的焊炬、真空喷嘴、夹具、油漆喷枪等，都可以通过虚拟仿真技术进行合理的设计，使其与机器人系统的控制功能更加适应，从而为工业机器人的技能设计与应用奠定坚实的技术基础[5]。

3 工业机器人系统开发中的虚拟仿真技术应用实例分析

为实现虚拟仿真技术在现代工业机器人系统开发中的良好应用，本次特以某工业机器人系统开发中的虚拟仿真为例，对其具体应用进行分析。该工业机器人为ABB IRB120型工业机器人，该机器人属于一种多用途的小型工业机器人。表1是ABB IRB120型工业机器人的主要参数。

表1 ABB IRB120型工业机器人的主要参数

本次虚拟仿真中，仿真场景是六角工作台，将虚拟机器人放置到六角工作台上，对其系统开发及其操作进行仿真。

3.1 系统总体结构

本次进行系统开发仿真的工业机器人，其系统的主要组成部分有3个：①机器人本体。其本体主要有两层，第一层包括机械臂、传动单元、传感器以及驱动系统，第二层包括腰部和基座等。②控制器。其主要作用是对工业机器人进行控制，该部分主要由软件和硬件组成，它相当于人类的大脑。③示教器。其主要作用是实现人机交互窗口的提供，通过这个窗口，工作人员可进行相应的程序编写以及机器人操作等。图1为该机器人系统的主要组成结构示意图。

图1 该机器人系统的主要组成结构示意图

本次虚拟仿真中，主要借助于虚拟化技术来进行该工业机器人的模型建立，对NX 软件加以科学应用，以此来进行该机器人的尺寸测绘，并以此为基础，对其六角工作平台的具体尺寸加以科学确定，从而实现该工业机器人及其应用场景的虚拟化仿真模拟。

3.2 系统工艺设计

在该工业机器人系统中，码垛单元、打磨单元、视觉单元、装配单元和仓储单元之间互相独立，具体应用中，可通过触摸屏的操作将相应的任务指令发布给机器人系统，在系统作业单元接收到相应的指令之后，便会按照指令来完成工作任务。在码垛单元工作中，机器人会先在初始位置进行吸盘安装，再运行至库区，通过吸盘将物料吸住并运送至监测区，在传感器做出监测判断之后，机器人会按照判断结果正确地将物料放置到分拣区。在打磨单元工作中，机器人会自动安装带磨具的夹具，然后从起始位置开始进行打磨，在完成打磨之后，机器人会将夹具再一次放回到起始位置。在视觉单元工作中，机器人会从起始的视觉位置进行吸盘安装，借助于摄像头拍照的形式对物品具体位置进行判断，然后将左侧的物品吸起，并将其放置在右侧，在完成操作之后，机器人会收回吸盘，再一次运行到起始视觉位置。在装配单元工作中，其工作流程与上述流程相似，机器人首先会在起始位置进行夹具安装，并按顺序抓取底座、轴承、垫块和螺母等零部件，将其放置在装配台上，之后再通过夹具将锁死拧紧，任务完成后，机器人会放回夹具，再一次运行到起始装配位置上。在仓储单元工作中，机器人会从起始的仓储位置开始，通过光电开关进行物体位置检测，在检测到其位置后，便通过夹具将其夹起，并按照设定好的程序将其运送到正确的库区，之后放回夹具，再一次回到初始的仓储位置上。

3.3 工业机器人系统仿真设计

在通过虚拟仿真技术进行该工业机器人系统的开发进行应用仿真的过程中，需要进行Unity 3D 三维虚拟仿真场景的搭建。在此过程中，首先需要将工业机器人模型导入，导入主要分以下三步：①在NX 中进行STEP 格式的保存；②将Deep Exploration 导入，并将其转换为FBX 格式；③将其导入到Unity 3D 软件场景中[6]。然后通过单位换算的形式将模型比例因数设置成0.001，再对其坐标进行调整，因为NX 软件和Unity 3D 软件应用的是不同的坐标规则，所以需对模型轴向加以合理改变。最后是光源设计，对于三维仿真模拟环境而言，光源的作用至关重要，它会对虚拟场景中的体验起到决定性作用，因此在具体的仿真模拟中，一定要根据实际情况来进行光源的合理设置。

4 结束语

综上所述，在对工业机器人进行控制系统开发的过程中，通过虚拟化仿真技术的应用，可以为工业机器人及其系统应用创造一个理想化的模拟试验环境，在这个仿真环境中，研究者可对自己所开发的机器人系统控制功能进行一一验证，以此来及时发现其具体控制中的一些问题，从而为系统的改进与优化提供科学参考。同时，通过虚拟仿真技术的应用，也可以为工业机器人的训练提供足够科学、理想的空间，以此来实现现实训练成本的显著节约，并可以实现工业机器人的离线编程，在确保其正常工作的情况下实现其理想化的优化升级。由此可见，在工业机器人系统开发中，虚拟仿真技术具有非常显著的应用优势。因此，开发者需要做好此项技术的应用研究，使其为工业机器人系统开发及其优化发展提供良好的技术支撑。