工業(yè)機器人虛擬樣機系統(tǒng)的研究

　　進行機器人虛擬樣機的研究開發(fā)，將虛擬樣機技術應用于機器人仿真研究領域。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(huán)境下對機器人產(chǎn)品的設計與分析也是今后數(shù)字化設計、制造的發(fā)展方向。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(tǒng)的分析與優(yōu)化過程，有效地進行系統(tǒng)評估，實際生產(chǎn)之前提供優(yōu)化的設計產(chǎn)品。

　　該技術在計算機上通過CA D/CA M/CA E等技術將產(chǎn)品信息集成到計算機提供的可視化虛擬環(huán)境，虛擬樣機（VimudPrototyp簡稱VP當前設計制造領域的一門新興技術。實際產(chǎn)品制造之前實現(xiàn)產(chǎn)品的仿真、分析與優(yōu)化過程。機器人仿真是機器人研究中的重要環(huán)節(jié)，可應用于機器人運動學、動力學分析，軌跡和路徑規(guī)劃，機器人與工作環(huán)境的相互作用，離線編程等方面。隨著目前虛擬制造及數(shù)字化制造等先進制造技術的發(fā)展，機器人仿真也成為圍繞產(chǎn)品生命周期的整個數(shù)字化設計、驗證及制造環(huán)境的重要組成局部。研究與開發(fā)機器人虛擬樣機系統(tǒng)，可以在虛擬環(huán)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(fā)展提供新的手段。

　　研究與開發(fā)工業(yè)機器人虛擬樣機系統(tǒng)。首先說明虛擬樣機技術并分析其關鍵技術，將虛擬樣機技術應用于工業(yè)機器人仿真研究過程。然后說明了工業(yè)機器人虛擬樣機系統(tǒng)的構成與樣機系統(tǒng)在機器人仿真研究中的研究內(nèi)容?？偨Y該項技術主要解決以下兩方面的問題，即機器人仿真研究中的系統(tǒng)集成及為以機器人為主體的生產(chǎn)線虛擬設計、驗證環(huán)境提供底層的數(shù)字化環(huán)境。

　　2 虛擬樣機技術

　　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(xiàn)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(tǒng)進行完整的分析，虛擬樣機技術涉及多體系統(tǒng)運動學與動力學建模理論及其技術實現(xiàn)。觀察并實驗各組成部分的相互運動情況。通過系統(tǒng)仿真軟件在相應虛擬環(huán)境中真實地模擬系統(tǒng)的運動，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(tǒng)進行不時的改進，直至獲得最優(yōu)的設計方案以后，再做出物理樣機。

　　即在設計時期可確定關鍵參數(shù)，虛擬樣機的設計方法體現(xiàn)出并行工程的概念和思想。今后先進制造技術的發(fā)展方向。與激進方法相比具有諸多優(yōu)勢。更新產(chǎn)品開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期、降低利息和提高產(chǎn)品質(zhì)量。虛擬樣機的關鍵技術包括以下方面：

　　1 系統(tǒng)集成性

　　虛擬樣機執(zhí)行環(huán)境需要在不同的系統(tǒng)間進行轉換，虛擬樣機解決方案涉及到多方面的技術。其集成性包括以下方面：

　　CA D環(huán)境中建立機械系統(tǒng)三維模型并進行簡單的運動性能分析;

　　并導入虛擬樣機分析系統(tǒng)，由幾何模型轉換為CA D系統(tǒng)中的幾何模型。進行運動學與動力學分析;

　　并將后者的分析結果回傳給虛擬樣機虛擬樣機中的載荷傳送給有限元分析軟件。;

　　生產(chǎn)線模型及其控制系統(tǒng)的規(guī)范與虛擬樣機的集成。

　　2 系統(tǒng)參數(shù)化

　　可在多仿真參數(shù)前提下對虛擬樣機系統(tǒng)進行反復測試，建立參數(shù)化的虛擬樣機系統(tǒng)。對多種條件下的仿真輸出結果進行分析比擬，為系統(tǒng)進一步優(yōu)化奠定基礎。

　　3 系統(tǒng)優(yōu)化

　　提供優(yōu)化的系統(tǒng)參數(shù)與設計結果。虛擬樣機解決方案在系統(tǒng)多參數(shù)及虛擬驗證前提下選擇設計者需要的方案。

　　4 系統(tǒng)可視化與交互性

　　使操作者有高真實性的沉溺感。由于具有可視化方面的優(yōu)勢，系統(tǒng)提供良好的模型顯示環(huán)境。設計過程中設計者可交互式探索虛擬機械系統(tǒng)的功能，仿真真實環(huán)境對虛擬樣機進行反復調(diào)試，充分將自身的經(jīng)驗和能力結合到計算機的虛擬樣機的設計過程中。

　　3工業(yè)機器人虛擬樣機

　　3.1機器人數(shù)字化虛擬樣機系統(tǒng)

　　針對于機器人設計與制造過程中的運動學、動力學分析，機器人虛擬樣機系統(tǒng)將機器人研究與虛擬樣機技術相結合。軌跡和路徑規(guī)劃，機器人與工作環(huán)境的相互作用等技術內(nèi)容進行研究與系統(tǒng)開發(fā)，虛擬環(huán)境中完成機器人的設計、分析及虛擬生產(chǎn)過程的實現(xiàn)。系統(tǒng)的具體構成如圖1

　　圖1機器人虛擬樣機系統(tǒng)

　　3.2機器人虛擬樣機系統(tǒng)的功能及技術特點

　　其主要功能有以下方面：機器人虛擬樣機系統(tǒng)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(fā)的虛擬環(huán)境。

　　1 機器人虛擬樣機系統(tǒng)可視化

　　而CA D幾何建模是核心。機器人虛擬樣機可視化環(huán)境具有以下特征：建立可視化環(huán)境是虛擬樣機系統(tǒng)的基礎工作。

　　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(fā)，計算機上實現(xiàn)機器人操作機的可視化環(huán)境。良好的環(huán)境可使操作者方便地將自身經(jīng)驗和知識隨時溶人系統(tǒng);

　　虛擬樣機系統(tǒng)進一步的工作過程，從CA D模型中提取幾何數(shù)據(jù)。如運動分析、動力學仿真中加以利用;

　　機器人CA D模型在結構上有所不同。樣機初期的概念性設計階段，虛擬樣機開發(fā)的不同階段。機器人CA D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;詳細設計階段，樣機經(jīng)過反復驗證與完善，系統(tǒng)得到優(yōu)化后的幾何數(shù)據(jù)，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

　　包括各部分的幾何結構與參數(shù)、關節(jié)數(shù)量、類型等因素，根據(jù)機器人操作機本體構成。通過對運動方程的正向和逆向求解，仿真實現(xiàn)機器人的運動分析。同時在運動分析過程中還可實現(xiàn)對機器人的運動空間分析，工作軌跡規(guī)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

　　如操作機材料種類、質(zhì)量、轉動慣量、關節(jié)摩擦等物理因素，通過在虛擬樣機系統(tǒng)中加人物理信息。進行動力學分析。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(huán)節(jié)，優(yōu)化系統(tǒng)結構。

　　4機器人控制系統(tǒng)仿真

　　對控制系統(tǒng)進行測試，機器人虛擬樣機可提供控制系統(tǒng)仿真環(huán)境。這一方面虛擬樣機比物理樣機具有明顯優(yōu)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(tǒng)具有如下技術特點：

　　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，1提供機器人仿真研究的集成系統(tǒng)和數(shù)字化機器人設計、驗證環(huán)境機器人虛擬樣機系統(tǒng)提供包括數(shù)字化建模、可視化的運動過程實現(xiàn)、運動學分析、控制系統(tǒng)仿真在內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺。提供數(shù)字化的研究環(huán)境。

　　機器人虛擬樣機系統(tǒng)能夠有效溶人上一層次的數(shù)字化加工制造環(huán)境，2構成數(shù)字化虛擬制造環(huán)境的有機組成局部工業(yè)機器人是制造系統(tǒng)中的基本工作單元。滿足虛擬制造環(huán)境中機器人工作單元上層的生產(chǎn)線仿真、數(shù)字化工廠要求，構成數(shù)字化機器人生產(chǎn)線的基礎與有機組成局部。

　　3.3機器人虛擬樣機系統(tǒng)實現(xiàn)的技術手段

　　3.3.1采用高水平的幾何建模工具

　　商業(yè)化的三維造型軟件如Pro/EUG及SolidWod等已可以順利在微機平臺上正常運行，隨著軟件技術的發(fā)展。而無需專業(yè)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IGESSTEPParasolid等多種幾何數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，適宜的機器人虛擬樣機幾何建模開發(fā)工具。

　　3.3.2機器人虛擬樣機系統(tǒng)的開發(fā)工具

　　一種是采用通用的軟件開發(fā)工具，機器人虛擬樣機系統(tǒng)的開發(fā)工具主要分兩類。另一種是專業(yè)的虛擬樣機或機器人開發(fā)軟件。前者目前較常用的C++較早有 FortranPas.cal等。采用通用軟件開發(fā)的機器人虛擬樣機系統(tǒng)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(fā)出的系統(tǒng)靈活性差，不易調(diào)整。

　　系統(tǒng)提供運動學、動力學等方面的仿真功能，AdamEnvision等是商業(yè)虛擬樣機開發(fā)工具…1軟件可建立簡單的幾何模型或從外部CA D軟件導人已建立完畢的機器人幾何模型。建立機器人虛擬樣機設計與優(yōu)化環(huán)境，并具有完善的仿真結果數(shù)據(jù)處置能力。軟件可使設計者從繁瑣的機器人動態(tài)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。