IGRIP開放性實驗平臺設計與開發

張文倩, 熊佳瑋, 陳思雨, 樊樹海

(1. 南京工業大學 工業工程系, 江蘇 南京 210009； 2. 麻省理工學院 信息質量項目“數據質量與信息安全”實驗室, 美國 馬薩諸塞州 02139)

虛擬仿真技術探索與實踐

IGRIP開放性實驗平臺設計與開發

張文倩1,2, 熊佳瑋1, 陳思雨1, 樊樹海1,2

(1. 南京工業大學 工業工程系, 江蘇 南京 210009； 2. 麻省理工學院 信息質量項目“數據質量與信息安全”實驗室, 美國 馬薩諸塞州 02139)

為解決虛擬仿真實驗平臺不能在線仿真和遠程控制的問題,進行了IGRIP開放性實驗平臺的設計與開發。對IGRIP和外部模塊進行信息交換的3種接口方式進行了比較和分析,在工廠生產案例中進行了實際功能的應用實驗,有效提高了其應用范圍,簡化了操作流程,增強了應用過程的便利性和操作性,讓學生在仿真實驗設計和操作過程中深入理解專業知識,以提高研究效率與教學效果,激發學生的學習興趣和創新意識。

虛擬仿真； 實驗平臺； 軟件二次開發； IGRIP

虛擬仿真教學可以輔助傳統教學,將其應用到科研與教學中可以有效提高研究效率與教學效果,培養學生科學思維及創新能力。因此,虛擬仿真實驗教學是實驗教學改革的重要內容和必然趨勢[1-3]。

隨著科學技術的發展和工業自動化、機械化程度的提高,虛擬仿真實驗平臺已有許多成熟的人機工程仿真軟件,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程控制功能,需要利用其附帶的開放式編程接口和仿真環境定制接口,進行二次開發以拓展軟件的應用范圍、提高其仿真應用過程的便利性和操作性[4-6]。筆者針對IGRIP系統實驗平臺的開放性進行設計和二次開發。

1 IGRIP實驗平臺系統分析

IGRIP是一種大型商用數字制造軟件,利用內部模型庫快速建模、建立運動關系,并對動態過程進行運動學仿真和分析。IGRIP動態仿真過程包括離散和連續兩種類型,兩者同時進行。離散過程由GSL語言控制,通過設備執行GSL指令實現；而連續過程由設備結合模型的狀態參數,調用C語言編寫的動態鏈接庫中的函數來實現[7-8]。

圖形仿真語言GSL是圖形模擬的編程語言,內置于系統中,控制工作單元中某一或某群機器人設備行為,有自己的數據類型、結構和語法。

命令行解釋器CLI是仿真環境交互的命令語言,用來加載工作單元、設備、部件和路徑以及運行仿真等。

從整體上看,IGRIP系統發送的指令是由離散點組成的。但是在執行每一個離散點指令時,其執行過程是連續的。在執行某一個離散點指令進入連續控制過程時,依據模型的當前狀態設置初始參數,根據目標點進行逆運動求解得到規劃值進行仿真,返回調用點準備執行下一個離散點指令,開始新的連續控制過程。動態仿真流程如圖1所示:

圖1 仿真流程圖

2 IGRIP開放性方案設計

IGRIP系統的開放性總體設計分為3層模塊,如圖2所示。

圖2 IGRIP開放性系統結構圖

IGRIP系統開放性設計的重點在于中間層模塊,即IGRIP系統和外部之間的信息交流方式的設計。IGRIP系統與外部程序進行通信的方法和接口有3種方式[9-10],如表1所示。

表1 IGRIP訪問外部程序的實現方式

3 IGRIP的開放性開發

根據IGRIP軟件訪問外部程序的3種實現方式,以Windows系統為基礎,結合IGRIP系統進行開發。

3.1 離線交互系統開發

由于IGRIP的開放性將選用文件方式,直接通過打開文件進行仿真。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 在線交互系統的開發

實驗者和IGRIP系統通過套接字方式創建雙向通信線路,在客戶端和服務器之間傳遞命令、進行在線交互,使操作者了解仿真過程中各種情況[10-13]。在裝有TCP/IP協議的客戶端,以網頁形式作為客戶端輸入界面,通過登錄機器人仿真主頁,輸入CLI命令并將其傳到IGRIP所在計算機上,確保仿真機器人的實時性和交互性,達到了在線進行快速、準確傳輸數據信息的目的。

(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IGRIP仿真環境,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器人模型。

4 IGRIP的開放性仿真實驗

結合上節的方式,對一家汽車制造企業生產過程中員工在焊接時上下料的搬運作業,在IGRIP實驗平臺上進行仿真,仿真圖如圖4所示。

圖4 實驗仿真圖

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

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%。在仿真結果的基礎上針對消耗較大階段,學生可以進行專業角度的改善來優化整體生產流程。

表2 能耗分析結果整合表

5 結語

本文基于IGRIP仿真軟件實驗平臺,對其與外部系統進行信息交換的3種接口支持方式進行了比較,從離線和在線兩種方式進行了開放性設計和開發,使之能高效進行信息交流,并在汽車制造公司的生產流程進行具體案例實驗,最終使IGRIP在虛擬仿真中充分發揮優勢,提高了其應用范圍、簡化了仿真操作流程、增強了應用過程的便利性和操作性。

虛擬仿真實驗平臺可以讓學生在進行仿真實驗設計和操作過程中,獲得直接感性認識,深入理解專業知識,更好地鞏固課堂上所學的知識,充分運用所學內容來解決實際問題,提高了研究效率與教學效果。

References)

[1] 黃銀娣,卞榮花,張駿.國內外物流系統仿真軟件的應用研究[J].工業工程與管理,2010,15(3):124-128.

[2] 吳寧,胡欣,吳遵秋,等.基于虛擬仿真平臺引入綜合性設計性實驗項目[J].實驗技術與管理,2017,34(4):6-8.

[3] 孫彥景,陳巖,王艷芬,等.基于WARP的無線通信實驗研究平臺設計[J].實驗技術與管理,2017,34(4):74-77.

[4] 王紅偉.基于IGRIP仿真的弧焊機器人實時控制研究[D].上海:上海交通大學,2005.

[5] 樊樹海,肖田元,喬桂秀.基于DENEB-QUEST質量仿真系統設計與實現[J].系統仿真學報,2002(5):607-608,616.

[6] 黃婷華,樊樹海,段賽賽,等.采用Flexsim/Minitab的大規模定制質量仿真系統的設計與開發[J].現代制造工程,2014(2):6-9.

[7] Shikdar A, Al-Araimi S, Omurtag B. Development of a software package for ergonomic assessment of manufacturing industry[J].Computers & Industrial Engineering,2002,43(3):485-493.

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[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.實驗課創新激勵平臺開放式成績評分系統研究與開發[J].實驗技術與管理,2011,28(5):23-26.

[11] 陳文杰,陳善本.弧焊機器人工作單元Internet遠程控制系統[J].上海交通大學學報,2005,39(7):1042-1045.

[12] 蔣敏,單家芳,孔軍.基于Socket的多平臺通訊研究[J].計算機工程與應用,2005,41(36):135-137.

[13] 樊樹海,Amanda Elizabeth,倪衛紅,等.工業工程實驗室經濟型VR/3D改造方案探究[J].實驗室研究與探索,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

國家自然科學基金項目(71671089,71171110,71371097)；江蘇省研究生實踐創新計劃項目(SJCX17-0300)

張文倩(1994—),女,河南開封,碩士研究生,主要研究方向為工業工程

樊樹海(1975—),男,江蘇南京,博士,教授,主要研究方向為質量控制、仿真與虛擬制造.

TP391.9；G642.423

A

1002-4956(2017)12-0114-03