工業(yè)機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的研究

　　進(jìn)行機(jī)器人虛擬樣機(jī)的研究開發(fā)，將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人仿真研究領(lǐng)域。一方面拓展虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究與應(yīng)用范圍，同時在虛擬環(huán)境下對機(jī)器人產(chǎn)品的設(shè)計與分析也是今后數(shù)字化設(shè)計、制造的發(fā)展方向。機(jī)器人仿真研究中通過應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可使設(shè)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(jī)系統(tǒng)的分析與優(yōu)化過程，有效地進(jìn)行系統(tǒng)評估，實際生產(chǎn)之前提供優(yōu)化的設(shè)計產(chǎn)品。

　　該技術(shù)在計算機(jī)上通過CA D/CA M/CA E等技術(shù)將產(chǎn)品信息集成到計算機(jī)提供的可視化虛擬環(huán)境，虛擬樣機(jī)（VimudPrototyp簡稱VP當(dāng)前設(shè)計制造領(lǐng)域的一門新興技術(shù)。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(jī)器人仿真是機(jī)器人研究中的重要環(huán)節(jié)，可應(yīng)用于機(jī)器人運動學(xué)、動力學(xué)分析，軌跡和路徑規(guī)劃，機(jī)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(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人仿真也成為圍繞產(chǎn)品生命周期的整個數(shù)字化設(shè)計、驗證及制造環(huán)境的重要組成局部。研究與開發(fā)機(jī)器人虛擬樣機(jī)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(jī)器人研究及先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展提供新的手段。

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

　　2 虛擬樣機(jī)技術(shù)

　　基于先進(jìn)的建模技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、信息管理技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)。1P技術(shù)在設(shè)計的初級階段—概念設(shè)計階段就可以對整個系統(tǒng)進(jìn)行完整的分析，虛擬樣機(jī)技術(shù)涉及多體系統(tǒng)運動學(xué)與動力學(xué)建模理論及其技術(shù)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(yīng)虛擬環(huán)境中真實地模擬系統(tǒng)的運動，計算機(jī)上可方便地修改設(shè)計缺陷，仿真不同的設(shè)計方案，對系統(tǒng)進(jìn)行不時的改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)的設(shè)計方案以后，再做出物理樣機(jī)。

　　即在設(shè)計時期可確定關(guān)鍵參數(shù)，虛擬樣機(jī)的設(shè)計方法體現(xiàn)出并行工程的概念和思想。今后先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展方向。與激進(jìn)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(jī)的關(guān)鍵技術(shù)包括以下方面：

　　1 系統(tǒng)集成性

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

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

　　并導(dǎo)入虛擬樣機(jī)分析系統(tǒng)，由幾何模型轉(zhuǎn)換為CA D系統(tǒng)中的幾何模型。進(jìn)行運動學(xué)與動力學(xué)分析;

　　并將后者的分析結(jié)果回傳給虛擬樣機(jī)虛擬樣機(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)測試，建立參數(shù)化的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)。對多種條件下的仿真輸出結(jié)果進(jìn)行分析比擬，為系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

　　3 系統(tǒng)優(yōu)化

　　提供優(yōu)化的系統(tǒng)參數(shù)與設(shè)計結(jié)果。虛擬樣機(jī)解決方案在系統(tǒng)多參數(shù)及虛擬驗證前提下選擇設(shè)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(shè)計過程中設(shè)計者可交互式探索虛擬機(jī)械系統(tǒng)的功能，仿真真實環(huán)境對虛擬樣機(jī)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，充分將自身的經(jīng)驗和能力結(jié)合到計算機(jī)的虛擬樣機(jī)的設(shè)計過程中。

　　3工業(yè)機(jī)器人虛擬樣機(jī)

　　3.1機(jī)器人數(shù)字化虛擬樣機(jī)系統(tǒng)

　　針對于機(jī)器人設(shè)計與制造過程中的運動學(xué)、動力學(xué)分析，機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)將機(jī)器人研究與虛擬樣機(jī)技術(shù)相結(jié)合。軌跡和路徑規(guī)劃，機(jī)器人與工作環(huán)境的相互作用等技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行研究與系統(tǒng)開發(fā)，虛擬環(huán)境中完成機(jī)器人的設(shè)計、分析及虛擬生產(chǎn)過程的實現(xiàn)。系統(tǒng)的具體構(gòu)成如圖1

　　圖1機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)

　　3.2機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的功能及技術(shù)特點

　　其主要功能有以下方面：機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的核心功能是提供用于在計算機(jī)上進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計與開發(fā)的虛擬環(huán)境。

　　1 機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)可視化

　　而CA D幾何建模是核心。機(jī)器人虛擬樣機(jī)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(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作。

　　操作者可直觀、高效地在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)器人的設(shè)計與開發(fā)，計算機(jī)上實現(xiàn)機(jī)器人操作機(jī)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(jī)系統(tǒng)進(jìn)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(xué)仿真中加以利用;

　　機(jī)器人CA D模型在結(jié)構(gòu)上有所不同。樣機(jī)初期的概念性設(shè)計階段，虛擬樣機(jī)開發(fā)的不同階段。機(jī)器人CA D幾何模型可能較為粗略，只為滿足當(dāng)前設(shè)計需要，某些詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)可不必建模;詳細(xì)設(shè)計階段，樣機(jī)經(jīng)過反復(fù)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(jī)進(jìn)行詳細(xì)的幾何建模，形成整個虛擬樣機(jī)的機(jī)器人仿真結(jié)果。

　　2 機(jī)器人工作過程預(yù)先演示

　　包括各部分的幾何結(jié)構(gòu)與參數(shù)、關(guān)節(jié)數(shù)量、類型等因素，根據(jù)機(jī)器人操作機(jī)本體構(gòu)成。通過對運動方程的正向和逆向求解，仿真實現(xiàn)機(jī)器人的運動分析。同時在運動分析過程中還可實現(xiàn)對機(jī)器人的運動空間分析，工作軌跡規(guī)劃，碰撞、干涉校驗等進(jìn)行仿真研究。

　　3 機(jī)器人虛擬樣機(jī)動力學(xué)分析

　　如操作機(jī)材料種類、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、關(guān)節(jié)摩擦等物理因素，通過在虛擬樣機(jī)系統(tǒng)中加人物理信息。進(jìn)行動力學(xué)分析。動力學(xué)分析過程中，可仿真機(jī)器人操作機(jī)實際工作情況對虛擬樣機(jī)預(yù)加載荷，或施加重力作用，從而分析樣機(jī)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(jié)構(gòu)。

　　4機(jī)器人控制系統(tǒng)仿真

　　對控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，機(jī)器人虛擬樣機(jī)可提供控制系統(tǒng)仿真環(huán)境。這一方面虛擬樣機(jī)比物理樣機(jī)具有明顯優(yōu)勢。各種控制方法可直接作用于物理樣機(jī)，高效省時，無需擔(dān)心錯誤的控制方法造成樣機(jī)的損壞。

　　機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點：

　　使各部分之間的仿真及分析結(jié)果及時、高效率地互相加以利用，1提供機(jī)器人仿真研究的集成系統(tǒng)和數(shù)字化機(jī)器人設(shè)計、驗證環(huán)境機(jī)器人虛擬樣機(jī)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(xué)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(jī)器人虛擬樣機(jī)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(gòu)成數(shù)字化虛擬制造環(huán)境的有機(jī)組成局部工業(yè)機(jī)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(jī)器人工作單元上層的生產(chǎn)線仿真、數(shù)字化工廠要求，構(gòu)成數(shù)字化機(jī)器人生產(chǎn)線的基礎(chǔ)與有機(jī)組成局部。

　　3.3機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)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(jī)平臺上正常運行，隨著軟件技術(shù)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(jī)器虛擬樣機(jī)幾何模型，同時又具有IGESSTEPParasolid等多種幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式來提供機(jī)器人虛擬樣機(jī)設(shè)計與測試過程中需要的幾何數(shù)據(jù)，適宜的機(jī)器人虛擬樣機(jī)幾何建模開發(fā)工具。

　　3.3.2機(jī)器人虛擬樣機(jī)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(jī)器人虛擬樣機(jī)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(jī)或機(jī)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(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的特點是軟件針對性強，解決設(shè)計者具體問題。但要建立樣機(jī)的運動學(xué)、動力學(xué)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(xué)、動力學(xué)等方面的仿真功能，AdamEnvision等是商業(yè)虛擬樣機(jī)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(dǎo)人已建立完畢的機(jī)器人幾何模型。建立機(jī)器人虛擬樣機(jī)設(shè)計與優(yōu)化環(huán)境，并具有完善的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)處置能力。軟件可使設(shè)計者從繁瑣的機(jī)器人動態(tài)建模過程中解脫出來，將更多精力用于樣機(jī)的虛擬設(shè)計與驗證過程。