該文提出將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人仿真研究過程，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)，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。總結(jié)該項(xiàng)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(jì)、驗(yàn)證環(huán)境提供底層的數(shù)字化環(huán)境。

　　1 前言

　　虛擬樣機(jī)（VimudPrototype，簡稱VP）是當(dāng)前設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一門新興技術(shù)，該技術(shù)在計(jì)算機(jī)上通過CAD／CAM／CAE等技術(shù)將產(chǎn)品信息集成到計(jì)算機(jī)提供的可視化虛擬環(huán)境，在實(shí)際產(chǎn)品制造之前實(shí)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(yùn)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(jì)、驗(yàn)證及制造環(huán)境的重要組成部分。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。

　　2 虛擬樣機(jī)技術(shù)

　　虛擬樣機(jī)技術(shù)涉及多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)，是基于先進(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(shí)技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)。、1P技術(shù)在設(shè)計(jì)的初級階段——概念設(shè)計(jì)階段就可以對整個系統(tǒng)進(jìn)行完整的分析，觀察并實(shí)驗(yàn)各組成部分的相互運(yùn)動情況。通過系統(tǒng)仿真軟件在相應(yīng)虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬系統(tǒng)的運(yùn)動，在計(jì)算機(jī)上可方便地修改設(shè)計(jì)缺陷，仿真不同的設(shè)計(jì)方案，對系統(tǒng)進(jìn)行不斷的改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案以后，再做出物理樣機(jī)。

　　虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)方法體現(xiàn)出并行工程的概念和思想。是今后先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)方法相比具有諸多優(yōu)勢，即在設(shè)計(jì)時期可確定關(guān)鍵參數(shù)，更新產(chǎn)品開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期、降低成本和提高產(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)解決方案涉及到多方面的技術(shù)，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，其集成性包括以下方面：

　　●在CAD環(huán)境中建立機(jī)械系統(tǒng)三維模型并進(jìn)行簡單的運(yùn)動性能分析；

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

　　●虛擬樣機(jī)中的載荷傳遞給有限元分析軟件，并將后者的分析結(jié)果回傳給虛擬樣機(jī)；

　　●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

　　建立參數(shù)化的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)，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，對多種條件下的仿真輸出結(jié)果進(jìn)行分析比較，為系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

　　3）系統(tǒng)優(yōu)化

　　虛擬樣機(jī)解決方案在系統(tǒng)多參數(shù)及虛擬驗(yàn)證前提下選擇設(shè)計(jì)者需要的方案，提供優(yōu)化的系統(tǒng)參數(shù)與設(shè)計(jì)結(jié)果。

　　4）系統(tǒng)可視化與交互性

　　系統(tǒng)提供良好的模型顯示環(huán)境，使操作者有高真實(shí)性的沉浸感。由于具有可視化方面的優(yōu)勢，在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)者可交互式探索虛擬機(jī)械系統(tǒng)的功能，仿真真實(shí)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(yàn)和能力結(jié)合到計(jì)算機(jī)的虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)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)

　　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，針對于機(jī)器人設(shè)計(jì)與制造過程中的運(yùn)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)境的相互作用等技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行研究與系統(tǒng)開發(fā)，在虛擬環(huán)境中完成機(jī)器人的設(shè)計(jì)、分析及虛擬生產(chǎn)過程的實(shí)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(diǎn)

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

　　1）機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)可視化

　　建立可視化環(huán)境是虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作，而CAD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：

　　●在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作機(jī)的可視化環(huán)境，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(jì)與開發(fā)，良好的環(huán)境可使操作者方便地將自身經(jīng)驗(yàn)和知識隨時溶人系統(tǒng)；

　　●從CAD模型中提取幾何數(shù)據(jù)，在虛擬樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)一步的工作過程，如運(yùn)動分析、動力學(xué)仿真中加以利用；

　　●在虛擬樣機(jī)開發(fā)的不同階段，機(jī)器人CAD模型在結(jié)構(gòu)上有所不同。在樣機(jī)初期的概念性設(shè)計(jì)階段，機(jī)器人CAD幾何模型可能較為粗略，只為滿足當(dāng)前設(shè)計(jì)需要，某些詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)可不必建模；在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，樣機(jī)經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)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

　　根據(jù)機(jī)器人操作機(jī)本體構(gòu)成，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，通過對運(yùn)動方程的正向和逆向求解，仿真實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動分析。同時在運(yùn)動分析過程中還可實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的運(yùn)動空間分析，工作軌跡規(guī)劃，碰撞、干涉校驗(yàn)等進(jìn)行仿真研究。

　　3）機(jī)器人虛擬樣機(jī)動力學(xué)分析

　　通過在虛擬樣機(jī)系統(tǒng)中加人物理信息，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，進(jìn)行動力學(xué)分析。在動力學(xué)分析過程中，可仿真機(jī)器人操作機(jī)實(shí)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(diǎn)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

　　機(jī)器人虛擬樣機(jī)可提供控制系統(tǒng)仿真環(huán)境，對控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，在這一方面虛擬樣機(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(diǎn)：

　　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(jì)、驗(yàn)證環(huán)境機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)提供包含數(shù)字化建模、可視化的運(yùn)動過程實(shí)現(xiàn)、運(yùn)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，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，提供數(shù)字化的研究環(huán)境。

　　2）構(gòu)成數(shù)字化虛擬制造環(huán)境的有機(jī)組成部分工業(yè)機(jī)器人是制造系統(tǒng)中的基本工作單元，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，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)組成部分。

　　3．3 機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段

　　3．3．1采用高水平的幾何建模工具

　　隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，商業(yè)化的三維造型軟件如Pro／E、UG及SolidWod～等已可以順利在微機(jī)平臺上正常運(yùn)行，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IGES、STEP、Parasolid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(jì)與測試過程中需要的幾何數(shù)據(jù)，是適宜的機(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

　　機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)工具主要分兩類，一種是采用通用的軟件開發(fā)工具，另一種是專業(yè)的虛擬樣機(jī)或機(jī)器人開發(fā)軟件。前者目前較常用的是C++，較早有Fortran、Pas．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(diǎn)是軟件針對性強(qiáng)，解決設(shè)計(jì)者具體問題。但要建立樣機(jī)的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)研究等必需的詳盡而正確的模型，需耗費(fèi)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。

　　Adams、Envision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CAD軟件導(dǎo)人已建立完畢的機(jī)器人幾何模型，系統(tǒng)提供運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)等方面的仿真功能，建立機(jī)器人虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化環(huán)境，并具有完善的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)處理能力。軟件可使設(shè)計(jì)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(jì)與驗(yàn)證過程。

　　4 結(jié)束語

　　將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人仿真研究領(lǐng)域，進(jìn)行機(jī)器人虛擬樣機(jī)的研究開發(fā)，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(jì)與分析也是今后數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造的發(fā)展方向。在機(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(jì)人員從繁重的計(jì)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，在實(shí)際生產(chǎn)之前提供優(yōu)化的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。