劉宇軒

基于Unity3D的工業(yè)機(jī)器人虛擬操作系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)?

劉宇軒

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院廣州510006）

針對當(dāng)前開設(shè)了機(jī)器人相關(guān)課程各類院校的學(xué)生，在進(jìn)行實(shí)體機(jī)器人操作時存在誤操作帶來的危險(xiǎn)性以及當(dāng)前教學(xué)軟件形式單一，缺少交互模塊，不夠形象等問題。提出了基于Unity3D平臺，應(yīng)用3Ds Max、PhotoShop軟件完成三維場景建模，采用C#語言，通過界面交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人設(shè)備的虛擬操作教學(xué)，為使用者提供良好的人機(jī)交互環(huán)境，提前學(xué)習(xí)機(jī)器人相關(guān)知識，從而為提高工業(yè)機(jī)器人教學(xué)工作效率和教育培訓(xùn)質(zhì)量做出一定貢獻(xiàn)。

工業(yè)機(jī)器人；Unity3D；虛擬操作；交互設(shè)計(jì)

Class NumberTP391

1引言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)的硬件和軟件的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育、軍事、建筑、娛樂、康復(fù)治療等各個不同行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛［1］?，F(xiàn)如今，各大類型高校以及專門進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人操作培訓(xùn)的機(jī)構(gòu)培養(yǎng)機(jī)器人領(lǐng)域人才主要通過書本理論學(xué)習(xí)、視頻動畫等方式，考慮到真實(shí)的工業(yè)現(xiàn)場安全性以及資源短缺的問題，無法讓學(xué)生親臨工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際的操作。但是相對于傳統(tǒng)的理論教學(xué)、視頻動畫并不具有實(shí)踐操作性、交互性等問題，無法很好地使學(xué)生進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人技術(shù)理論知識的學(xué)習(xí)和實(shí)際操作的學(xué)習(xí)。Unity3D引擎是由Unity Technologies開發(fā)的一個用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺綜合型游戲開發(fā)工具，是一個對編輯器、跨平臺發(fā)布、地形編輯、著色器、腳本、網(wǎng)絡(luò)、物理、版本控制等特性全面整合的專業(yè)游戲引擎［2］。除了應(yīng)用在游戲開發(fā)之外，也在軍事國防、工業(yè)仿真、Serious Games領(lǐng)域有所應(yīng)用。由于其高性價(jià)比、簡單的開發(fā)流程、跨平臺性及強(qiáng)兼容性等特點(diǎn)，越來越多的被作為開發(fā)平臺應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目中。本文基于Unity3D引擎，以3Ds Max、PhotoShop等軟件作為輔助工具，創(chuàng)建一個集真實(shí)性、專業(yè)性、交互性等特點(diǎn)的工業(yè)機(jī)器人虛擬操作系統(tǒng)。討論了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)了包括機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、碰撞檢測、字幕提示、高亮顯示、NGUI、三維場景瀏覽等關(guān)鍵技術(shù)。

2系統(tǒng)總體概述

2.1多模塊虛擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對于傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中只能實(shí)現(xiàn)一種功能。而在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，一種設(shè)備可能要實(shí)現(xiàn)多種功能，基于這種思想，提出多模塊的設(shè)計(jì)概念，即在一個特定的系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)多種不同的功能。基于Unity3D的多模塊虛擬系統(tǒng)具體操作的流程是：通過用戶的輸入操作Unity3D引擎軟件，在用戶界面中選擇想執(zhí)行的模塊，進(jìn)行有序的操作，完成該模塊的操作后則選擇退出，否則繼續(xù)操作相應(yīng)的模塊。具體多模塊虛擬系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 多模塊系統(tǒng)總體框架

2.2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于軟件工程的設(shè)計(jì)思想，工業(yè)機(jī)器人虛擬操作系統(tǒng)的開發(fā)主要分為兩個階段：第一階段是系統(tǒng)前期的需求分析、用戶調(diào)研、收集素材；第二階段是通過Unity3D進(jìn)行系統(tǒng)場景的搭建、用戶界面的設(shè)計(jì)與制作，各模塊交互功能的實(shí)現(xiàn)。流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

具體開發(fā)時，首先要參考設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)資料，應(yīng)用3Ds Max完成三維建模，并轉(zhuǎn)換為Unity3D可以使用的FBX格式。之后將模型導(dǎo)進(jìn)Unity3D工程中進(jìn)行系統(tǒng)第二階段的開發(fā)，完成整個場景的構(gòu)建。第二階段主要分三個方面的內(nèi)容：1）系統(tǒng)場景的搭建；主要包括工業(yè)機(jī)器人場景的搭建、光照效果、陰影效果、場景烘焙、碰撞檢測等。2）用戶交互界面的制作；包括主頁導(dǎo)航欄和系統(tǒng)內(nèi)部不同功能模塊菜單。3）系統(tǒng)各個模塊的功能實(shí)現(xiàn)；主要是通過C#語言進(jìn)行功能模塊程序開發(fā)，并最終發(fā)布成應(yīng)用于不同平臺下的可執(zhí)行文件，包括PC端，安卓端，IOS端等。

3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity平臺

Unity3D支持從3Ds Max中導(dǎo)出FBX格式的文件［3］，導(dǎo)入FBX模型后，為提高場景亮度及真實(shí)感，在場景中選擇添加一個方向光以模擬太陽光源，通過調(diào)整光源的方向、顏色以及是否產(chǎn)生陰影等選項(xiàng)，提高場景的效果［4］。Unity3D軟件支持實(shí)時光照效果，在添加了光源之后，系統(tǒng)會根據(jù)光源及投影體的相對位置關(guān)系自動計(jì)算出陰影的位置及大小，并投影到正確的受影體上［5］。

3.2工業(yè)機(jī)器人模塊

本文采用RB08機(jī)器人為樣本進(jìn)行開發(fā)，機(jī)器人模型是基于SolidWorks進(jìn)行建模，圖3是導(dǎo)入到3Ds Max后用不同顏色以區(qū)分不同部件的模型。

RB08機(jī)器人是一款最大載荷為8kg的搬運(yùn)型機(jī)器人，其體積較小，運(yùn)動較靈活，是一款多功能工業(yè)機(jī)器人。其幾何參數(shù)如表1所示。

圖3 RB08機(jī)器人

圖3中的每個關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系對應(yīng)機(jī)器人剛體部件間連接的轉(zhuǎn)動副。根據(jù)坐標(biāo)系之間進(jìn)行連續(xù)變換，便可以求出每個剛體部件相對于底座的變換矩陣，從而求出各部件的具體位置。

表1 RB08機(jī)器人D-H參數(shù)表

通常六自由度的機(jī)器人沒有解析解，只有在某些特殊情況下才會有解。Pieper研究了當(dāng)3個相鄰的軸相交于一點(diǎn)時的六自由度機(jī)械臂，必會存在解析解。顯然，RB08機(jī)器人的連桿坐標(biāo)系｛4｝，｛5｝，｛6｝原點(diǎn)均交于一點(diǎn)，因而可以求出解析解。

1）機(jī)器人正運(yùn)動學(xué)

圖4 D-H相鄰坐標(biāo)變換

RB08機(jī)器人具有六個自由度，六個關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，前三個關(guān)節(jié)決定手腕的位置，后三個關(guān)節(jié)決定手腕的姿態(tài)。因?yàn)楣ぞ咦鴺?biāo)系跟手腕固連，所以前三個關(guān)節(jié)跟后三個關(guān)節(jié)分別決定了工具坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。法速度慢，因此機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)的求解通常采用解析法，但解析法解的存在性與機(jī)器人結(jié)構(gòu)相關(guān)。其充分條件為若一個六自由度機(jī)器人的3個相鄰的關(guān)節(jié)軸線始終交于一點(diǎn)，則機(jī)器人的逆運(yùn)動學(xué)必然有解析解。本文所用到的RB08機(jī)器人也具有相似的結(jié)構(gòu)，因而具有確定的解析解。

3.3碰撞檢測技術(shù)

碰撞檢測是模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的人物以及物體在遇到障礙物時發(fā)生的本能反應(yīng)。例如，當(dāng)人物遇到墻壁，如果沒有設(shè)計(jì)碰撞檢測，則人物會穿過墻壁出現(xiàn)失真的現(xiàn)象［8］。碰撞檢測技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，要判斷兩個凸面體是否發(fā)生相交，多面體相交檢測的碰撞檢測算法具有很高的檢測精度。因此，應(yīng)該對場景中的相應(yīng)物體添加碰撞器組件。碰撞檢測技術(shù)是工業(yè)機(jī)器人虛擬操作系統(tǒng)最為基礎(chǔ)也是必不可少的部分。在Unity3D中，共有六種形狀碰撞器，分別是Box Collider（盒體碰撞器）、Sphere Collider（球體碰撞器）、Capsule Collider（膠囊碰撞器）、Mesh Collider（網(wǎng)格碰撞器）、Whell Collider（車輪碰撞器）、Terrain Collider（地形碰撞器）。根據(jù)場景中不同模型的形狀添加與之對應(yīng)的碰撞器，例如，地面可以添加一個Terrain Collider，放置工件的桌子可以添加一個Box Collider。之后系統(tǒng)將會計(jì)算碰撞器相應(yīng)碰撞范圍以實(shí)現(xiàn)碰撞檢測。圖5是給放置工件的桌子添加了一個Box Collider碰撞器。

圖4表示坐標(biāo)系Oi-1繞自身zi-1軸旋轉(zhuǎn)θi且沿zi-1軸平移si得到新的坐標(biāo)系；新坐標(biāo)系再沿著xi方向平移ai并繞xi軸旋轉(zhuǎn)αi得到Oi坐標(biāo)系［6］，連桿坐標(biāo)系{i}相對于{i-1}變換矩陣為

圖5 碰撞檢測

2）機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)

機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解是根據(jù)機(jī)器人末端執(zhí)行器即工具坐標(biāo)系的期望位姿，求出機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角［7］。求機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解的方法分為解析法和數(shù)值法，由于數(shù)值法求解速度不穩(wěn)定并且較解析

3.4 NGUI交互界面的設(shè)計(jì)

在工業(yè)機(jī)器人虛擬操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)的交互界面采用NGUI提供的工具。NGUI［9］是嚴(yán)格遵循“KISS原則”（所謂的“KISS”原則，是英語Keep It Simple，Stupid的縮寫，是指在設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)當(dāng)注重簡約，也有人稱之為“懶人原則”），是用C#編寫的Unity插件。NGUI提供了強(qiáng)大的UI系統(tǒng)和事件通知的框架。NGNI插件代碼簡潔，多數(shù)類都少于200行代碼，方便調(diào)節(jié)或擴(kuò)展NGUI的功能［10］。

本系統(tǒng)中，利用NGUI插件制作系統(tǒng)導(dǎo)航欄，系統(tǒng)菜單欄、信息欄、界面交互按鈕、虛擬控制盒操作面板、演示按鈕等。

系統(tǒng)的主界面由菜單欄，信息欄，狀態(tài)欄，仿真區(qū)域，操作盒構(gòu)成。整個主界面的搭建基于Uni?ty3D提供的NGUI插件，實(shí)現(xiàn)了相機(jī)始終對著界面并且只能看到界面范圍。以機(jī)器人運(yùn)動過程中顯示運(yùn)動軌跡和隱藏運(yùn)動軌跡為例，主要代碼如下：

void OnGUI（）｛

GUI.skin=gui.skin；

if（show）｛

if（GUI.Button（new Rect（startPoint+3*

width，0，width，height），“顯示軌跡”））

｛

show=false；

ShowLine.flag_drawline=true；

｝

//點(diǎn)擊按鈕，顯示軌跡，并觸發(fā)if（！show）｛

if（GUI.Button（new Rect（startPoint+3*

width，0，width，height），“隱藏軌跡”））

｛

show=true；

ShowLine.flag_drawline=false；

｝

//點(diǎn)擊按鈕，隱藏軌跡，并觸發(fā)

3.5字幕提示、高亮顯示輔助技術(shù)

為讓使用者在使用系統(tǒng)中自由操作模塊功能時方便對機(jī)器人理論知識有清晰的理解，于是在系統(tǒng)中加入字幕和高亮顯示輔助技術(shù)，用C#語言編寫功能腳本，從而提高學(xué)習(xí)效率。本文中字幕提示要求物體要有Collider類組件，具體代碼如下：

void Start（）｛

isShowTip=false；

｝

void OnMouseEnter（）｛

isShowTip=true；

｝

//鼠標(biāo)靠近時顯示

void OnMouseExit（）｛

isShowTip=false；

｝//鼠標(biāo)移動開時不顯示

void OnGUI（）｛

if（isShowTip）｛

GUI.Label

（new Rect（Input.mousePosition.x，

Screen.height-Input.mousePosition.y，

100，50），“關(guān)節(jié)1，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，決定機(jī)器人手腕位置”）；

//鼠標(biāo)靠近時所顯示的文字

在三維場景中機(jī)器人設(shè)備的部件能夠通過鼠標(biāo)單擊觸發(fā)高亮顯示的功能，更好地體現(xiàn)了場景的交互控制。部件的高亮顯示通過鼠標(biāo)單擊部件，部件輪廓顏色改變，部件輪廓高亮顯示。高亮顯示功能的實(shí)現(xiàn)主要是通過Unity外部HighlightingSystem插件來實(shí)現(xiàn)，插件主要是由C#語言編寫，以鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊觸發(fā)部件高亮為例，主要代碼如下：

new void Update（）

｛

Base.Update（）；

intval=（int）counter；

Color col=

new Clolor（GetColorValue（1020，val），

GetColorValue（0，val），GetColorValue（510，val），1f）；

//定義新的顏色值

h.ConstantOnImmediate（col）；

counter+=Time.deltaTime*speed；

counter%=period；

｝//顏色按照一定速度和周期進(jìn)行變化

通過鼠標(biāo)字幕提示以及部件輪廓高亮顯示功能的實(shí)現(xiàn)，使用者可以更好地對機(jī)器人設(shè)備各零部件有清晰的認(rèn)識，提高認(rèn)知效率，具體的效果如圖6所示。

圖6 觸發(fā)字幕提示和高亮顯示效果圖

3.6三維場景瀏覽

在系統(tǒng)中進(jìn)行場景交互能夠在三維場景中對設(shè)備進(jìn)行瀏覽。該系統(tǒng)對設(shè)備的瀏覽通過鼠標(biāo)的操作來實(shí)現(xiàn)，鼠標(biāo)的左鍵實(shí)現(xiàn)三維場景的旋轉(zhuǎn)，鼠標(biāo)滾輪設(shè)置為放大和縮小。通過用C#編寫相應(yīng)的腳本，能夠設(shè)計(jì)沿著不同的軸轉(zhuǎn)動的增量速度，以及相機(jī)拉近拉遠(yuǎn)的速度和最大最小速度的限制，滿足不同使用者的操作需求。

以左鍵旋轉(zhuǎn)為例子，部分代碼如下：

if（Input.GetMouseButton（0））

｛//點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵控制旋轉(zhuǎn)屏幕

｛floatrotationX=

transform.localEulerAngles.y+

Input.GetAxis（“MouseX”）*

sensitivityX；

//設(shè)置X軸的轉(zhuǎn)動后新的歐拉角值，輸入量×增量速度；

rotation+=Input.GetAxis（“Mouse Y”）*

sensitivity；

//設(shè)置Y軸的轉(zhuǎn)動后新的角度值，輸入量×增量速度；

rotationY=

Mathf.Clamp（rotation，minimum，maximum）

//Y軸的角度通過Mathf類計(jì)算，并限定最小值和最大值的范圍；

transform.localEulerAngles=

new Vector3（-rotationY，rotationX，0）；｝

｝//用Vector 3，設(shè)置新的旋轉(zhuǎn)角度；

4系統(tǒng)效果展示

基于Unity3D的工業(yè)機(jī)器人虛擬教學(xué)系統(tǒng)包括了基礎(chǔ)知識、仿真演示、自定義程序、坐標(biāo)系設(shè)置、構(gòu)件認(rèn)知、虛擬操作六個模塊。系統(tǒng)的效果及部分功能模塊如圖7和圖8所示。

圖7 主界面效果

圖8 虛擬運(yùn)動仿真過程

其中，基礎(chǔ)知識是對六軸工業(yè)機(jī)器人的簡單三維展示，并可以通過滾動鼠標(biāo)滾輪實(shí)現(xiàn)放大和縮小，并配有文字說明。仿真演示是模擬工業(yè)機(jī)器人夾持工件從起始位置放置到目標(biāo)位置的過程，可以選擇顯示運(yùn)動軌跡或者隱藏運(yùn)動軌跡，讓使用者了解工業(yè)機(jī)器人作業(yè)的運(yùn)動過程。自定義程序可以讓使用者通過機(jī)器人編程語言學(xué)習(xí)編寫簡單程序并載入，對機(jī)器人編程語言有初步的了解。坐標(biāo)系設(shè)置讓使用者可以設(shè)置不同坐標(biāo)系的位置，在不同的坐標(biāo)系下通過觀察機(jī)器人的運(yùn)動并理解不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，包括關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，用戶坐標(biāo)系，工具坐標(biāo)系。構(gòu)件認(rèn)知是當(dāng)使用時將鼠標(biāo)放到機(jī)器人不同關(guān)節(jié)部件時通過字幕提示和輪廓高亮顯示讓使用者對每個關(guān)節(jié)部件有更好的認(rèn)知和理解。虛擬操作是使用者通過ControlBox虛擬操作面板控制機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動，通過選擇連續(xù)操作或者單段操作按鈕以及調(diào)整每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動速度來實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人運(yùn)動過程和運(yùn)動原理有更加清晰掌握的目的，運(yùn)動過程中會實(shí)時顯示機(jī)器人的空間位姿值、各個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度值、不同坐標(biāo)系的位置值。系統(tǒng)菜單欄后面還包括對已選擇操作狀態(tài)的顯示，具體有：選擇的坐標(biāo)系、運(yùn)動速度的大小、用戶的登錄、單端操作還是連續(xù)操作、恢復(fù)初始位姿。

5結(jié)語

本文對基于Unity3D的工業(yè)機(jī)器人虛擬操作系統(tǒng)做了細(xì)致的研究。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人設(shè)備的教學(xué)操作中，借助Unity3D強(qiáng)大的引擎功能，建立用戶與系統(tǒng)之間的聯(lián)系，突破了傳統(tǒng)的理論教學(xué)，視頻培訓(xùn)等方式。通過對交互界面設(shè)計(jì)，字幕協(xié)同技術(shù)，三維場景交互操作等進(jìn)行研究，開發(fā)出界面簡潔、上手簡單、操作友好的操作教學(xué)系統(tǒng)。通過對不同模塊的學(xué)習(xí)，達(dá)到了理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作的并用，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的全面認(rèn)知和學(xué)習(xí)。因Unity3D的可跨平臺性強(qiáng)，使用者可以在移動手機(jī)端，計(jì)算機(jī)平臺端，任何時間和地點(diǎn)進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和虛擬操作練習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)效率。本系統(tǒng)的研究不僅為工業(yè)機(jī)器人設(shè)備教學(xué)開辟了新的方向也為其他虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的開發(fā)提供了一定的參考價(jià)值，具備應(yīng)用價(jià)值。

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Research and Implementation of IndustrialRobot Virtual Operating System Based on Unity3D

LIU Yuxuan
（Schoolof Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006）

Because of the currentrobot-related courses opened in various types of institutions for students，there is a danger ofmisoperation when the solid robotis operated and the single form ofteaching software withoutinteractive module and no image.In this paper，Unity3D is the developmentplatform，using the 3Ds Max and PhotoShop software to complete 3D scene modeling，realiz?ing the virtual operation teaching of industrial robot equipmentby interface interaction technology with C#language.For the user to provide a good environmentofhuman-computer interaction and learn robotknowledge in advance.So as to improve the teaching effi?ciency ofindustrialrobotand the quality ofeducation and training to make certain contributions.

industrialrobot，Unity3D，virtualoperating，interactive design

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.08.033

2017年2月3日，

2017年3月21日

劉宇軒，男，碩士研究生，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)，工業(yè)機(jī)器人。