張文倩, 熊佳瑋, 陳思雨, 樊樹海

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 工業(yè)工程系, 江蘇 南京 210009； 2. 麻省理工學(xué)院 信息質(zhì)量項(xiàng)目“數(shù)據(jù)質(zhì)量與信息安全”實(shí)驗(yàn)室, 美國(guó) 馬薩諸塞州 02139)

虛擬仿真技術(shù)探索與實(shí)踐

IGRIP開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

張文倩1,2, 熊佳瑋1, 陳思雨1, 樊樹海1,2

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 工業(yè)工程系, 江蘇 南京 210009； 2. 麻省理工學(xué)院 信息質(zhì)量項(xiàng)目“數(shù)據(jù)質(zhì)量與信息安全”實(shí)驗(yàn)室, 美國(guó) 馬薩諸塞州 02139)

為解決虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不能在線仿真和遠(yuǎn)程控制的問題,進(jìn)行了IGRIP開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。對(duì)IGRIP和外部模塊進(jìn)行信息交換的3種接口方式進(jìn)行了比較和分析,在工廠生產(chǎn)案例中進(jìn)行了實(shí)際功能的應(yīng)用實(shí)驗(yàn),有效提高了其應(yīng)用范圍,簡(jiǎn)化了操作流程,增強(qiáng)了應(yīng)用過程的便利性和操作性,讓學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作過程中深入理解專業(yè)知識(shí),以提高研究效率與教學(xué)效果,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)。

虛擬仿真； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； 軟件二次開發(fā)； IGRIP

虛擬仿真教學(xué)可以輔助傳統(tǒng)教學(xué),將其應(yīng)用到科研與教學(xué)中可以有效提高研究效率與教學(xué)效果,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維及創(chuàng)新能力。因此,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容和必然趨勢(shì)[1-3]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)械化程度的提高,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已有許多成熟的人機(jī)工程仿真軟件,如CATIA、JACK、IGRIP等。這些仿真軟件具有圖形仿真和離線編程功能,但沒有直接在線仿真和遠(yuǎn)程控制功能,需要利用其附帶的開放式編程接口和仿真環(huán)境定制接口,進(jìn)行二次開發(fā)以拓展軟件的應(yīng)用范圍、提高其仿真應(yīng)用過程的便利性和操作性[4-6]。筆者針對(duì)IGRIP系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開放性進(jìn)行設(shè)計(jì)和二次開發(fā)。

1 IGRIP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)分析

IGRIP是一種大型商用數(shù)字制造軟件,利用內(nèi)部模型庫(kù)快速建模、建立運(yùn)動(dòng)關(guān)系,并對(duì)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和分析。IGRIP動(dòng)態(tài)仿真過程包括離散和連續(xù)兩種類型,兩者同時(shí)進(jìn)行。離散過程由GSL語言控制,通過設(shè)備執(zhí)行GSL指令實(shí)現(xiàn)；而連續(xù)過程由設(shè)備結(jié)合模型的狀態(tài)參數(shù),調(diào)用C語言編寫的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)[7-8]。

圖形仿真語言GSL是圖形模擬的編程語言,內(nèi)置于系統(tǒng)中,控制工作單元中某一或某群機(jī)器人設(shè)備行為,有自己的數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)和語法。

命令行解釋器CLI是仿真環(huán)境交互的命令語言,用來加載工作單元、設(shè)備、部件和路徑以及運(yùn)行仿真等。

從整體上看,IGRIP系統(tǒng)發(fā)送的指令是由離散點(diǎn)組成的。但是在執(zhí)行每一個(gè)離散點(diǎn)指令時(shí),其執(zhí)行過程是連續(xù)的。在執(zhí)行某一個(gè)離散點(diǎn)指令進(jìn)入連續(xù)控制過程時(shí),依據(jù)模型的當(dāng)前狀態(tài)設(shè)置初始參數(shù),根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)求解得到規(guī)劃值進(jìn)行仿真,返回調(diào)用點(diǎn)準(zhǔn)備執(zhí)行下一個(gè)離散點(diǎn)指令,開始新的連續(xù)控制過程。動(dòng)態(tài)仿真流程如圖1所示:

圖1 仿真流程圖

2 IGRIP開放性方案設(shè)計(jì)

IGRIP系統(tǒng)的開放性總體設(shè)計(jì)分為3層模塊,如圖2所示。

圖2 IGRIP開放性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

IGRIP系統(tǒng)開放性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于中間層模塊,即IGRIP系統(tǒng)和外部之間的信息交流方式的設(shè)計(jì)。IGRIP系統(tǒng)與外部程序進(jìn)行通信的方法和接口有3種方式[9-10],如表1所示。

表1 IGRIP訪問外部程序的實(shí)現(xiàn)方式

3 IGRIP的開放性開發(fā)

根據(jù)IGRIP軟件訪問外部程序的3種實(shí)現(xiàn)方式,以Windows系統(tǒng)為基礎(chǔ),結(jié)合IGRIP系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。

3.1 離線交互系統(tǒng)開發(fā)

由于IGRIP的開放性將選用文件方式,直接通過打開文件進(jìn)行仿真。以打開文件File為例,具體指令如下:

PROGRAM File

VAR file:STRING

-------- Main Declaration Section

BEGIN MAIN

OPEN FILE ′D:DenebSyslibPROGRAMSworkerModel.gsl′ FOR TEXT INPUT AS 1

while( READ_LINE( #1, file) <> $EOF ) do

write(file, cr)

endwhile

------- END MAIN-------

END File

3.2 在線交互系統(tǒng)的開發(fā)

實(shí)驗(yàn)者和IGRIP系統(tǒng)通過套接字方式創(chuàng)建雙向通信線路,在客戶端和服務(wù)器之間傳遞命令、進(jìn)行在線交互,使操作者了解仿真過程中各種情況[10-13]。在裝有TCP/IP協(xié)議的客戶端,以網(wǎng)頁形式作為客戶端輸入界面,通過登錄機(jī)器人仿真主頁,輸入CLI命令并將其傳到IGRIP所在計(jì)算機(jī)上,確保仿真機(jī)器人的實(shí)時(shí)性和交互性,達(dá)到了在線進(jìn)行快速、準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)信息的目的。

(1) 建立套接口,指令如下:

OPEN SOCKET′robot1:D:DenebEXAMPLESPROGRAMS ob_socket′ FOR UPDATE AS 2

OPEN CLIENT ′user:2017′ FOR UPDATE AS 2

OPEN SERVER 2017 FOR UPDATE AS 2

CLOSE #2

套接字通信的流程如圖3所示。

圖3 套接字通信流程示意圖

(2)啟動(dòng)IGRIP仿真環(huán)境,指令如下:

Igrip-s<2017>

retrieve workcell ′IW′

IW=′robot1′

load program ′Model.gsl′ into IW

activate IW

通過以上步驟方可以在線控制機(jī)器人模型。

4 IGRIP的開放性仿真實(shí)驗(yàn)

結(jié)合上節(jié)的方式,對(duì)一家汽車制造企業(yè)生產(chǎn)過程中員工在焊接時(shí)上下料的搬運(yùn)作業(yè),在IGRIP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行仿真,仿真圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)仿真圖

在仿真環(huán)境中,工人通過手工搬運(yùn)把上下料所需要的材料物品從桌子搬運(yùn)至工作臺(tái)。首先建立工人人體模型、工作環(huán)境、工作路徑和一系列工人搬運(yùn)過程的姿態(tài)等。工人將從起始點(diǎn)走向桌子,然后抓取物品并舉起搬至工作臺(tái),放置于工作臺(tái),再返回結(jié)束點(diǎn),至此流程結(jié)束。

GSL輸入指令為:

OPEN FILE′D:DenebSyslibPROGRAMSworkerModel.gsl′FOR TEXT INPUT AS 1

反饋窗口反饋“The model will work”提示。其GSL程序如下:

PROGRAM Model

VAR path1,path2:PATH

------- Main Declaration Section

#INCLUDE anthro

BEGIN MAIN

open window ′model_window′ @ 0.5, 0.5:8 as 1

write @1,( ′the model will work′, cr )

UNITS =INCH

$SPEED_MODE = PERCENT

$SPEED =1

MOVE ALONG ′path1′

WRITE(′It took′,$cycle_time,′seconds to move along path1′,cr)

$CYCLE_TIME=0

MOVE ALONG ′path2′

------- END MAIN-------

END Model

仿真的能耗結(jié)果如表2所示,其中第三階段抬舉物品的平均能耗最大,為17.290 8 kJ·min-1,第四階段物品送至工作臺(tái)次之,為15.452 4 kJ·min-1,但它所占總能量消耗最大為41%。在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上針對(duì)消耗較大階段,學(xué)生可以進(jìn)行專業(yè)角度的改善來優(yōu)化整體生產(chǎn)流程。

表2 能耗分析結(jié)果整合表

5 結(jié)語

本文基于IGRIP仿真軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)其與外部系統(tǒng)進(jìn)行信息交換的3種接口支持方式進(jìn)行了比較,從離線和在線兩種方式進(jìn)行了開放性設(shè)計(jì)和開發(fā),使之能高效進(jìn)行信息交流,并在汽車制造公司的生產(chǎn)流程進(jìn)行具體案例實(shí)驗(yàn),最終使IGRIP在虛擬仿真中充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì),提高了其應(yīng)用范圍、簡(jiǎn)化了仿真操作流程、增強(qiáng)了應(yīng)用過程的便利性和操作性。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以讓學(xué)生在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作過程中,獲得直接感性認(rèn)識(shí),深入理解專業(yè)知識(shí),更好地鞏固課堂上所學(xué)的知識(shí),充分運(yùn)用所學(xué)內(nèi)容來解決實(shí)際問題,提高了研究效率與教學(xué)效果。

References)

[1] 黃銀娣,卞榮花,張駿.國(guó)內(nèi)外物流系統(tǒng)仿真軟件的應(yīng)用研究[J].工業(yè)工程與管理,2010,15(3):124-128.

[2] 吳寧,胡欣,吳遵秋,等.基于虛擬仿真平臺(tái)引入綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2017,34(4):6-8.

[3] 孫彥景,陳巖,王艷芬,等.基于WARP的無線通信實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2017,34(4):74-77.

[4] 王紅偉.基于IGRIP仿真的弧焊機(jī)器人實(shí)時(shí)控制研究[D].上海:上海交通大學(xué),2005.

[5] 樊樹海,肖田元,喬桂秀.基于DENEB-QUEST質(zhì)量仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2002(5):607-608,616.

[6] 黃婷華,樊樹海,段賽賽,等.采用Flexsim/Minitab的大規(guī)模定制質(zhì)量仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].現(xiàn)代制造工程,2014(2):6-9.

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[8] Hunter S L. Ergonomic evaluation of manufacturing system designs[J].Journal of Manufacturing Systems,2001,20(6):429-444.

[9] Garg A,Chaffin D B,Herrin G D.Prediction of metabolic rates for manual materials handling jobs[J].American Industrial Hygiene Association Quarterly,1978,39(8):661-674.

[10] 樊樹海,Amanda Elizabeth,蔣南云,等.實(shí)驗(yàn)課創(chuàng)新激勵(lì)平臺(tái)開放式成績(jī)?cè)u(píng)分系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(5):23-26.

[11] 陳文杰,陳善本.弧焊機(jī)器人工作單元Internet遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,39(7):1042-1045.

[12] 蔣敏,單家芳,孔軍.基于Socket的多平臺(tái)通訊研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2005,41(36):135-137.

[13] 樊樹海,Amanda Elizabeth,倪衛(wèi)紅,等.工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室經(jīng)濟(jì)型VR/3D改造方案探究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(8):210-212,235.

Design and development of IGRIP open experimental platform

Zhang Wenqian1,2, Xiong Jiawei1, Chen Siyu1, Fan Shuhai1,2

(1. Department of Industrial Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China; 2. Information Quality Program”Data Quality and Information Security”Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Massachusetts 02139, USA)

In order to solve the problem that the online simulation and remote control for the virtual simulation experimental platform can’t be carried out, the IGRIP open experimental platform is designed and developed. The three interface modes of the information exchange between IGRIP and the external module are compared and analyzed. In the case of the actual factory production, the application experiment on the specific functions is carried out, which effectively increases its application scope, simplifies the operation process, and improves the convenience and operability of the application process. In the process of designing and operating the simulation experiment, students can get a deep understanding of professional knowledge so as to improve the research efficiency and teaching effect, and stimulate students’ interest in learning and their innovative awareness.

virtual simulation; experimental platform; software secondary development; IGRIP

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.027

2017-05-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71671089,71171110,71371097)；江蘇省研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(SJCX17-0300)

張文倩(1994—),女,河南開封,碩士研究生,主要研究方向?yàn)楣I(yè)工程

樊樹海(1975—),男,江蘇南京,博士,教授,主要研究方向?yàn)橘|(zhì)量控制、仿真與虛擬制造.

TP391.9；G642.423

A

1002-4956(2017)12-0114-03