王丹

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710000）

1 概述

基于2019 年國(guó)務(wù)院提出在職業(yè)院校、應(yīng)用型本科高校啟動(dòng)“學(xué)歷證書+若干職業(yè)技能等級(jí)證書”制度試點(diǎn)（以下稱1+X 證書制度試點(diǎn)）工作。鼓勵(lì)學(xué)生在獲得學(xué)歷證書的同時(shí)，取得多種職業(yè)技能等級(jí)證書，拓展就業(yè)創(chuàng)業(yè)本領(lǐng)。

當(dāng)前基于1+X 背景下機(jī)器人的教學(xué)和考核的實(shí)際操作工位少，而現(xiàn)在市場(chǎng)上的虛擬仿真系統(tǒng)都是機(jī)器人品牌公司為自有機(jī)器人開(kāi)發(fā)所做的針對(duì)性較強(qiáng)的系統(tǒng)，其功能和模塊并不能完全覆蓋1+X 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的編程等級(jí)考核和教學(xué)多樣化的要求。由此需要設(shè)計(jì)一種提升教學(xué)效率和機(jī)器人多樣性的仿真系統(tǒng)，在實(shí)操時(shí)提高工作效率，滿足教學(xué)和考核需求，同時(shí)增加教學(xué)的安全性。

本文針對(duì)這一要求設(shè)計(jì)了一種可用于輔助教學(xué)、技能考核的機(jī)器人仿真系統(tǒng)。

2 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人仿真系統(tǒng)的主要功能是培訓(xùn)學(xué)生熟悉機(jī)器人的工作內(nèi)容，從而掌握機(jī)器人的控制方法。并要求教師在進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人相關(guān)理論與實(shí)操課程的授課過(guò)程中，使用仿真系統(tǒng)演示機(jī)器人實(shí)操動(dòng)態(tài)過(guò)程，能夠全方位多角度展示實(shí)操技能要點(diǎn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有效提高教學(xué)效果。

當(dāng)前系統(tǒng)根據(jù)功能要求可以劃分為示教器平臺(tái)和離線仿真平臺(tái)。示教器平臺(tái)完成人工操作和硬件連接，離線仿真平臺(tái)顯示機(jī)器人在特定場(chǎng)景下的運(yùn)動(dòng)效果。其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 仿真平臺(tái)整體架構(gòu)

2.1 示教器平臺(tái)

示教器平臺(tái)部分也可看作人工操作部分，將操作控件通過(guò)硬件連接機(jī)器人到仿真平臺(tái)部分，硬件部分集成多種操作控件接口，以ARM Cortex-A3 為主控制器，以太網(wǎng)作為接口，采集人工操作信息。

2.2 離線仿真平臺(tái)

離線仿真平臺(tái)集成仿真平臺(tái)的可視化的仿真，接收人工操作信息，通過(guò)機(jī)器人建模和場(chǎng)景匹配將實(shí)際操作顯示到仿真系統(tǒng)界面上。使用三維建模軟件對(duì)模塊進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，在虛擬仿真軟件中加載使用模塊，針對(duì)不同任務(wù)進(jìn)行仿真程序的編寫和調(diào)試。

從功能方面，離線仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)需要滿足機(jī)器人模型的多樣性和多種場(chǎng)景的切換。場(chǎng)景渲染設(shè)計(jì)對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)的整體沉浸性、真實(shí)性非常重要。在渲染過(guò)程中，如果渲染的程度過(guò)小，虛擬環(huán)境的真實(shí)性將會(huì)降低,給操作者造成較差的虛擬仿真體驗(yàn)。但如果渲染的程度過(guò)大，會(huì)造成虛擬引擎的負(fù)擔(dān)過(guò)重，從而影響虛擬仿真系統(tǒng)的整體的流暢度[2]。

從實(shí)操效果方面，需要保證操作節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確性和場(chǎng)景的渲染效果，從而帶給實(shí)操者較好的虛擬仿真體驗(yàn)。

仿真系統(tǒng)與實(shí)際產(chǎn)品之間存在誤差，通過(guò)精確模型運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和場(chǎng)景比例可以縮小這一誤差。由于工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)僅用于學(xué)生學(xué)習(xí)操作工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)操作，因此設(shè)計(jì)時(shí)只需設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的外部結(jié)構(gòu)，無(wú)需設(shè)計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而極大的節(jié)能了開(kāi)發(fā)時(shí)間[2]。機(jī)器人建模采用Robot Studio 軟件自帶模型,場(chǎng)景及演示仿真采樣Soild Works 軟件完成搭建。

3 信息通信

通信模塊連接示教器和離線仿真平臺(tái)，通信協(xié)議采用以太網(wǎng)的UDP 協(xié)議，其控制選項(xiàng)較少，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中延遲小、數(shù)據(jù)傳輸效率高。

傳輸信息一方面?zhèn)鬏敳僮鲄?shù)，另一方面需要完成多種機(jī)器人及場(chǎng)景的切換。UDP 通信時(shí)，首先創(chuàng)建套接字，然后綁定到UDP 端口上，將數(shù)據(jù)和目的地址放入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，通過(guò)發(fā)送和接收函數(shù)完成通信。

以機(jī)械臂為例，說(shuō)明傳輸?shù)木唧w數(shù)據(jù)信息。六自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 六自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖

六自由度機(jī)械臂是有多個(gè)連桿通過(guò)6 個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)連接而成。機(jī)械臂的連桿是一節(jié)一節(jié)的，基于6 個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)分別建立坐標(biāo)，當(dāng)基座與第一個(gè)連桿之間的關(guān)系T=T1表示，T1表示基座與第一個(gè)連桿之間的齊次變換矩陣，第二個(gè)連桿與基座之間T=T1T2，T2表示第一個(gè)連桿與第二個(gè)連桿之間的齊次變換矩陣，以此類推，最末端用于抓取的機(jī)械手的位姿T 為：

T 表示最后一個(gè)連桿對(duì)于地面的位姿，即機(jī)械臂的抓取位置。

六自由度機(jī)器人要準(zhǔn)確的抓取物體，不僅需要對(duì)其六個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，完成機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，還需要控制機(jī)器臂的工作狀態(tài)進(jìn)行抓取操作，最后完成機(jī)械臂的最終位置信息校驗(yàn)，才能準(zhǔn)確操作機(jī)械臂。如何在移動(dòng)機(jī)械臂的同時(shí)配合物體抓取和物體釋放，從而快速完成動(dòng)作也是機(jī)器人控制的一個(gè)主要目的，需要對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行精確控制。

在仿真過(guò)程中需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行精確體現(xiàn)，才能達(dá)到較好的模型運(yùn)動(dòng)仿真效果。

首先在模型建立上對(duì)機(jī)械臂的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合，并可以單獨(dú)移動(dòng)，其次就是機(jī)械臂的控制參數(shù)的精確傳輸。傳輸協(xié)議有效數(shù)據(jù)說(shuō)明如表1 所示。

表1 應(yīng)用層協(xié)議有效數(shù)據(jù)字段說(shuō)明

協(xié)議采用一發(fā)一收的形式，通過(guò)對(duì)比收發(fā)的各姿態(tài)信息完成機(jī)器人的指令與實(shí)際動(dòng)作的反饋結(jié)果。

操作者需要控制6 個(gè)節(jié)點(diǎn)位姿，系統(tǒng)根據(jù)位姿信息自動(dòng)計(jì)算出抓取端的位置信息，發(fā)送到離線仿真平臺(tái)，離線仿真平臺(tái)接收后，對(duì)比當(dāng)前抓取端的位置信息，在利用仿真系統(tǒng)中坐標(biāo)計(jì)算出當(dāng)前與實(shí)際參數(shù)之間的誤差，對(duì)模型運(yùn)動(dòng)幅度進(jìn)行必要的調(diào)整。

4 仿真模擬

仿真系統(tǒng)還可以針對(duì)不同任務(wù)進(jìn)行仿真設(shè)定及模擬。為了進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)器人教學(xué)研究，根據(jù)不同操作任務(wù)設(shè)置仿真參數(shù)，使機(jī)器人模型按照指定的動(dòng)作進(jìn)行工作，從而完成任務(wù)的自動(dòng)模擬演示。其工作流程圖如圖3 所示。

圖3 基于參數(shù)設(shè)定的仿真模擬工作流程

以機(jī)械臂為例，首先選擇機(jī)器人為機(jī)械臂，設(shè)定特定抓取場(chǎng)景，系統(tǒng)此時(shí)會(huì)根據(jù)機(jī)械臂的特性計(jì)算出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)范圍，為用戶提供相關(guān)運(yùn)動(dòng)安全點(diǎn)，當(dāng)超出安全點(diǎn)要求范圍時(shí)，提示用戶無(wú)法運(yùn)動(dòng)到該位置。

接著設(shè)置機(jī)器人的初始位置，根據(jù)安全點(diǎn)范圍，在參數(shù)界面上顯示出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)范圍，為用戶提供一定的參考。

然后用戶根據(jù)任務(wù)要求設(shè)定相關(guān)節(jié)點(diǎn)位姿，以達(dá)到較優(yōu)的抓取路徑和抓取角度，若物體的抓取或放下不是理想的位置與角度，系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行軌跡不斷調(diào)整參數(shù)，并顯示相應(yīng)較優(yōu)化抓取軌跡。

最后系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡和抓取動(dòng)作完成任務(wù)仿真。

任務(wù)仿真模擬可以較為直觀的顯示出機(jī)器人的工作情況，在教師進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人相關(guān)理論與實(shí)操課程的授課過(guò)程中，使用仿真系統(tǒng)演示機(jī)器人實(shí)操動(dòng)態(tài)過(guò)程，能夠全方位多角度展示實(shí)操技能要點(diǎn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有效提高教學(xué)效果。

5 結(jié)論

當(dāng)前仿真系統(tǒng)采集人工操作信息，通過(guò)UDP 協(xié)議傳輸?shù)侥M仿真部分，數(shù)據(jù)進(jìn)行編程后一方面顯示實(shí)時(shí)操作的仿真結(jié)果，提升實(shí)操技能；另一方面根據(jù)任務(wù)要求設(shè)定任務(wù)參數(shù)，完成任務(wù)的自動(dòng)仿真演示，提高了教學(xué)效果。在1+X 背景下，該仿真系統(tǒng)不僅解決了機(jī)器人的教學(xué)和考核的實(shí)際操作工位較少的問(wèn)題，還能提高教學(xué)效率，有助于學(xué)生證書等級(jí)的提升。