毛芳芳，朱仁義

基于虛擬現(xiàn)實的工業(yè)機器人路徑跟蹤控制仿真

毛芳芳1，朱仁義2

（1.阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程科技學(xué)院，安徽 阜陽 236031；2.巢湖學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

在機器人路徑仿真跟蹤的仿真過程中，由于對機器人模型運動角度控制不當，時常出現(xiàn)路徑控制仿真結(jié)果與既定路徑不符的情況。為此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)機器人路徑跟蹤控制仿真中。根據(jù)工業(yè)機器人動力學(xué)與運動學(xué)分析結(jié)果，在選定的虛擬現(xiàn)實軟件中構(gòu)建機器人3D運動模型以及控制環(huán)境模型。采用虛擬運動軌跡計算公式，完成機器人路徑跟蹤模擬控制算法的設(shè)計。通過此公式計算結(jié)果，監(jiān)督機器人模型路徑跟蹤過程，實現(xiàn)對機器人運動角度的控制。至此，基于虛擬現(xiàn)實的工業(yè)機器人路徑跟蹤控制仿真方法設(shè)計完成。構(gòu)建仿真實驗環(huán)節(jié)，通過與其他兩種方法對比可知，此方法的路徑控制仿真結(jié)果與既定路徑一致。綜上所述，使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可有效彌補原有仿真方法的不足。

聯(lián)合仿真；路徑跟蹤；工業(yè)機器人；虛擬控制

近年來，工業(yè)機器人的使用范圍逐步擴大，工業(yè)機器人的需求量爆炸式增長。工業(yè)機器人是一種可進行仿真操作的可多次編程的在三維空間中完成多種高難作業(yè)的自動化生產(chǎn)設(shè)備，其主要使用范圍為批量化生產(chǎn)的廠房以及多品種產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境[1-2]。工業(yè)機器人是工業(yè)自動化的主要推動力之一。隨著其更深更廣方向的發(fā)展以及其智能化水平的提升，工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍不斷擴大。

目前，隨著機器人研究的不斷深入，工業(yè)機器人制造業(yè)也得到不斷發(fā)展，工業(yè)機器人路徑跟蹤技術(shù)作為機器人設(shè)計以及機器人安全性研究的重要組成部分之一[3]。就目前的研究水平，多采用對其進行仿真的形式，展開對路徑跟蹤控制研究。工業(yè)機器人路徑跟蹤控制仿真，在工業(yè)機器人的研制、設(shè)計、開發(fā)中發(fā)揮著重要的作用。傳統(tǒng)研究方法中涉及到機器人運動學(xué)、動力學(xué)、軌跡規(guī)劃以及控制算法部分[4-5]，通過這幾部分的有機結(jié)合，模擬機器人的控制狀態(tài)，但是傳統(tǒng)的工業(yè)機器人路徑跟蹤控制仿真方法對于機器人的運動角度控制能力較差，因此，在此次研究中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，增加對控制環(huán)境的仿真，并根據(jù)此設(shè)計結(jié)果實現(xiàn)對機器人運動角度的模擬。根據(jù)機器人的使用特征，選用合適的虛擬現(xiàn)實軟件完成此工作。在此次研究結(jié)束后，通過對比測試，得到研究中設(shè)計方法的使用效果，證實仿真方法設(shè)計的有效性。

1 基于虛擬現(xiàn)實的工業(yè)機器人路徑跟蹤控制仿真方法設(shè)計

1.1 工業(yè)機器人運動分析

根據(jù)工業(yè)機器人的設(shè)計結(jié)構(gòu)，在機器人運動分析的過程中，將其分為運動學(xué)與動力學(xué)兩部分[6-7]。通過對機器人驅(qū)動模式的研究，將機器人的運行結(jié)構(gòu)設(shè)定為如下。

圖1 工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)簡圖

通過上述機器的運動學(xué)模型，整理可得工業(yè)機器人的動力方程，具體如下所示：

通過式(5)對機器人動力學(xué)方程進行控制，并得到機器人動力學(xué)分析公式：

1.2 工業(yè)機器人及控制環(huán)境3D建模

在此次設(shè)計中，采用3DS MAX軟件[11-12]結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在Virtools虛擬現(xiàn)實軟件中構(gòu)建工業(yè)機器人以及其路徑跟蹤控制環(huán)境的3D模型，作為機器人路徑跟蹤控制的實現(xiàn)平臺。在運動場景構(gòu)建中需要設(shè)計的內(nèi)容較多，采用圖2中的設(shè)計內(nèi)容完成設(shè)計過程。

圖2 虛擬控制場景模型構(gòu)建結(jié)果

將上述設(shè)計的運動場景，作為工業(yè)機器人的運動環(huán)境，并構(gòu)建工業(yè)機器人虛擬模型。使用機器人運動分析結(jié)果，獲取模型構(gòu)建數(shù)據(jù)，通過SolidWorks模塊[13]構(gòu)建機器人幾何模型，調(diào)整場景坐標。調(diào)整機器人模型的紋理及著色，設(shè)定正確運動方式。根據(jù)機器人屬性，設(shè)定腳本代碼，完成機器人模型構(gòu)建。在模型構(gòu)建的過程中，對機器人的運動關(guān)節(jié)展開詳細的處理，為保證3D模型構(gòu)建的準確性，將機器人的關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫的形式存儲，具體數(shù)據(jù)包括機器人噴繪參數(shù)、機器人噴涂工件參數(shù)、機器人模型參數(shù)、機器人運動特征參數(shù)。機器人運動腳本編寫采用C++中的ADO技術(shù)訪問數(shù)據(jù)庫，此技術(shù)具有易于操作、速度快、內(nèi)存支出少的優(yōu)點，且此技術(shù)可用于數(shù)據(jù)庫訪問，提升數(shù)據(jù)獲取的有效性。

1.3 實現(xiàn)機器人路徑跟蹤控制模擬

以上述設(shè)計完成的工業(yè)機器人及運動環(huán)境3D模型作為路徑跟蹤仿真控制的基礎(chǔ)。設(shè)計機器人路徑跟蹤控制算法，實現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實軟件中的機器人路徑跟蹤控制。

在虛擬現(xiàn)實軟件Virtools中，以機器人的3D模型中心坐標為原始運動端點，通過輸入設(shè)備將機器人控制命令和觀察者在空間中的位置信號輸入給模擬器，并對其進行處理，生成實際機器人控制器，執(zhí)行相應(yīng)命令和動作，計算機器人在虛擬空間中的運動軌跡，形成連續(xù)的運動曲線。將此曲線與額定的運動曲線方向角差值進行對比，可達到工業(yè)機器人的運動方向異常數(shù)據(jù)，并通過此數(shù)據(jù)跟蹤機器人的移動變化角度，完成以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)的機器人模型的路徑跟蹤控制。

將此變量輸入到數(shù)字控制算法中，則模擬控制算法的控制規(guī)律可表示為

2 仿真實驗

通過上述部分，完成基于虛擬現(xiàn)實的工業(yè)機器人路徑跟蹤控制仿真方法設(shè)計，為驗證此方法的有效性，采用與原有方法對比的形式，完成驗證過程。

2.1 實驗環(huán)境設(shè)定

在此次實驗中，使用虛擬現(xiàn)實VR-Platform仿真平臺對機器人以及其活動環(huán)境進行仿真，設(shè)定額定的工業(yè)機器人運動路徑，并使用文中設(shè)計方法以及原有的仿真方法對路徑控制過程進行仿真，對比仿真后的路徑與額定路徑之間的差異。機器人額定路徑如圖3所示。

為提升實驗結(jié)果的可靠性，除上述設(shè)定的路徑對比外，增加機器人運動角度仿真效果，提升實驗結(jié)果的可靠性。在額定的機器人運動路線中，共經(jīng)過4個障礙物，其運動的角度如圖4所示。

在此次實驗中，通過仿真結(jié)果與上述設(shè)定結(jié)果對比形式，完成實驗過程，并對比文中設(shè)計方法與原有仿真方法的使用差異。

圖3 額定工業(yè)機器人運動路徑

圖4 機器人運動角度設(shè)定結(jié)果

2.2 路線仿真實驗結(jié)果分析

通過上述實驗結(jié)果可以看出，文中設(shè)計方法的仿真能力好，對機器人的運動角度控制能力較強，使用此方法獲取到的路線控制結(jié)果與預(yù)設(shè)的運行路徑一致（圖5）。傳統(tǒng)方法1的仿真結(jié)果與預(yù)設(shè)路線差異較小，傳統(tǒng)方法2的仿真效果最差，并未經(jīng)過預(yù)設(shè)的障礙物。與上述兩種方法對比可知，文中設(shè)計方法的使用后得到的效果最佳。

圖5 運動路徑模擬結(jié)果

2.3 機器人運動角度實驗結(jié)果分析

通過上述結(jié)果可知，對機器人運動角度進行仿真時，本文方法的仿真效果最佳，其與預(yù)設(shè)結(jié)果角度相同（圖6）。傳統(tǒng)方法1與傳統(tǒng)方法2的仿真結(jié)果與預(yù)設(shè)運動角度出入較大，將其部分實驗結(jié)果與上文中的路線仿真實驗結(jié)果相結(jié)合可知，文中設(shè)計方法是3種方法對于機器人運動具有最佳仿真能力的方法。因而，在日后的工業(yè)機器人控制中，應(yīng)增加此方法的使用范圍。

圖6 機器人運動角度模擬結(jié)果

3 結(jié)束語

本文根據(jù)機器人運動學(xué)相關(guān)理論，對機器人的運動控制進行仿真。使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，提升了對機器人控制環(huán)境的處理能力。通過研究可知，在傳統(tǒng)的仿真方法中增加虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可有效完善原有方法在使用中的不足。在日后的研究中，應(yīng)將此方法廣泛的使用于機器人的研究之中。

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Simulation of path tracking control of industrial robot based on virtual reality

MAO Fang-fang1，ZHU Ren-yi2

(1.Fuyang Institute of Technology, Institute of Technology, Anhui Fuyang 236031, China;2.School of Electronic Engineering, Chaohu University, Anhui Chaohu 238000, China)

In the simulation process of robot path simulation and tracking, due to improper control of robot model motion angle, path control simulation results often do not conform to the given path. Aiming at the problem, virtual reality technology is applied to the simulation of path tracking control of industrial robot. According to the analysis results of dynamics and kinematics of industrial robot, the 3D motion model and control environment model of robot are built in the selected virtual reality software. The simulation control algorithm of robot path tracking is designed by using the calculation formula of virtual motion path. Through the calculation results of this formula, the robot model path tracking process is supervised, and the robot motion angle is controlled. So far, the simulation method of industrial robot path tracking control based on virtual reality has been designed. By comparing with the other two methods, the simulation results of path control of this method are consistent with the established path. To sum up, using virtual reality technology can effectively make up for the shortcomings of the original simulation methods.

joint simulation；path tracking；industrial robot；virtual control

2020-09-05

毛芳芳（1986-），女，安徽宿州人，講師，碩士，主要從事控制理論與控制工程應(yīng)用研究，maofangfang2009@163.com。

TP273;TP242.2

A

1007-984X(2021)01-0011-05