基于Unity3D的機器人仿真實驗系統

莊嚴 盧阿麗 楊慶

摘 要 針對日益增長的機器人技術教學培訓需求，研究并設計了一款機器人仿真實驗系統。系統軟件以FANUC M-iA系列工業機器人原型為依據，使用SolidWorks和3ds Max進行建模，并將模型導入Unity3D，編程實現對機器人的操控，軟件效果逼真，可實時交互，為同類虛擬現實實驗系統的開發設計提供了經驗和參考。

【關鍵詞】Unity3D 機器人 虛擬現實

實驗是機器人技術教學中的重要環節，目前的授課，大多數是以理論講解結合視頻動畫方式進行，缺少實際操作。而真實的工業機器人類型較多、價格昂貴，對實驗環境要求嚴格，批量采購和建設存在一定的困難。隨著虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術的不斷進步， 虛擬實驗室已得到了廣泛的認可和應用。其主要思路是通過VR技術，對實驗設備和環境的仿真模擬，讓實驗者具有親臨工作現場進行實際操作的感受。

1 系統總體分析與三維建模

根據實際教學情況，虛擬實驗系統的建立主要包括：實驗室、機器人的仿真和示教器模擬三個部分。實驗室仿真包含實驗室建模和場景漫游設計；機器人仿真包含零部件的建模組合以及運動虛擬化；示教器模擬包括操作界面的制作和控制實現等。系統的開發流程分為兩個階段：建模和運動仿真。建模階段：首先對教學單位進行調研，詳細分析用戶需求，收集實驗室和機器人的數據和素材，然后使用建模工具進行各部件建模及場景搭建；系統仿真階段：將制作完成的模型整體導入Unity3D開發環境，設計用戶界面，編寫腳本實現對機器人控制，最終進行封裝并發布。

VR系統要求對實體與環境的模擬實時逼真。早期的三維模型多數是對物體形態的簡化和抽象，隨著建模工具的不斷升級進步，用戶越來越注重視覺效果，實物精度和逼真程度也成為建模工作的重要指標。本實驗系統所需模型包括實驗室內部實景和機器人實體，經實踐和分析，選擇了3ds Max和SolidWorks作為建模工具。3ds Max功能強大，控制選項豐富，但對于機械零件建模存在不足。首先，對于形狀較規則的零件，繪制截面時，點的精準定位困難，過程相當繁瑣；其次，不規則零件建模時，分幾個部分利用不同的方法建模后再進行組合，不利于修改，并且表面圓滑處理會造成模型面數增多，文件體積增大。使用SolidWorks三維制圖軟件進行機械零件建模十分方便，模型尺寸都可用工具標注，在更改時只需改變尺寸，無需重建。對于標準部件，可先根據變量參數驅動三維結構直接得到模型，如需新建，只要更改變量重建即可，建模效率極高。雖然SolidWorks建模數據精度高，但對物體的表面渲染功能欠缺，逼真度不夠。

基于以上原因，實驗場景建模使用3ds Max完成，步驟包括：幾何體建模和編輯、設置材質及燈光效果、進行場景渲染及烘焙、最后導出.fbx格式模型文件和.tga格式的貼圖素材供Unity3D導入并使用。對于部件，先采用SolidWorks進行制作，模型保存為.STL格式文件然后再導入3ds Max進行渲染烘焙處理，同樣得到.fbx及.tga格式文件供Unity3D處理。

2 實驗環境場景設計

Unity3D是實現三維實時互動效果的綜合開發軟件，它支持多平臺發布，效果逼真，已成為開發VR項目的主流引擎。Unity3D開發效率高，但它并非建模、渲染的專門工具，一些材質效果無法直接表現。較好的處理方式就是導入3ds Max渲染和烘培過的模型即表面素材文件，通過“貼圖”方式為實體附上紋理，然后添加直射光對象呈現光照效果。本系統采用了C#語言進行腳本編寫，實現各種功能。

2.1 場景漫游的實現

虛擬實驗系統提供了漫游式的場景瀏覽界面，操作者使用鼠標控制位移和視角變化。該效果通過Unity3D引擎的內置攝像機（Camera）對象來實現。首先創建攝像機并設置其組件，然后編寫腳本使其可以呈現并控制整個場景。設計中，采用了鼠標左鍵控制視角、滾輪控制前進后退的操控方式，關鍵代碼如下：

//鼠標滾輪控制z軸視角前后方向的移動

if （Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"） ！= 0）{

Camera.main.transform.Translate （0， 0， Input.GetAxis （"Mouse ScrollWheel"））；

}

// 按下鼠標左鍵控制視角左右方向的偏移及歐拉角度旋轉偏移

if （Input.GetMouseButton （0）） {

Camera.main.transform.Rotate （-Input.GetAxis （"Mouse Y"），

Input.GetAxis （"Mouse X"）， 0）；

Camera.main.transform.eulerAngles = new Vector3（Camera.main.transform.eulerAngles.x，

Camera.main.transform.eulerAngles.y，0）；

}

//按下鼠標中鍵或滾輪微調視角左右方向的偏移

if （Input.GetMouseButton （2）） {

Camera.main.transform.parent.Translate （-Input.GetAxis （"Mouse X"）/50，

-Input.GetAxis （"Mouse Y"）/50， 0）；

}

2.2 設計物理阻擋

場景設計中，物理阻擋和碰撞的處理是不可缺少的部分。否則，在漫游操作時會穿過墻壁，物體在運動時也會穿透其它障礙物，產生場景的失真。

在Unity3D中，處理碰撞和阻擋的常用方法是為實體對象添加碰撞體（Collider）和剛體（Rigidbody）組件，然后通過編寫碰撞體狀態函數來體現阻擋或碰撞的效果。場景中的各種物體都可以添加不同形狀的碰撞體，如：給桌子添加盒型碰撞體（Box Collider）、為地面添加地形碰撞體（Terrain Collider）等。

3 機器人及示教器仿真

實驗系統以FANUC M-iA 系列機器人為參照依據。該系列機器人具有6 自由度關節動作， 每個關節都由一個電機驅動控制。機器人可以根據末端裝置的不同， 從事噴涂、搬運或弧焊等不同工作。該系列機器人的外型結構基本一樣，差別在于不同型號機器人關節轉角范圍、最大轉速以及末端載重參數不同。因此，在進行運動仿真設計時，要結合不同型號的性能進行模擬。

3.1 機器人運動仿真

Unity3D 可將多個模型組合到一個預制體（Prefabs）中，組合后的預制體即為一個整體。邏輯上可以把預制體當作一個父對象來處理，當父對象運動時，它包含的每個子對象都會做同樣的運動，虛擬機器人的運動正是通過這樣的方式來實現的。機器人的手臂及手腕的運動取決于6個關節的旋轉，一方面需將部件合理地組合成預制體，并確定它們相互間的層級關系；另一方面正確設置各預制體的旋轉軸，編寫腳本使其以及以指定的方向和速度旋轉。即操作指令發出后，聯動的預設體及其子部件一起沿指定中心軸旋轉，從而呈現機器人的各種動作。

實際機器人具有6個旋轉關節。在創建預制體時，關節J1～J6分別對應預制體j1～j2。 J1的旋轉軸為Y 軸，J2、J3、J5 的旋轉軸皆為 Z軸，J4、J6的旋轉軸為X 軸。機器人外形、關節旋轉方向、各預制體及部件的層級關系如圖1所示。

機器人手臂運動的J2關節部分腳本代碼如下（其它關節運動的處理方式相同）：

switch （button_name） {

case"j2_0"：//鼠標點擊了示教器“+Y”按鈕，J2手臂抬起

static_go.j_2.Rotate （0， 0， -rotate_speed（2））；

break； //鼠標點擊了示教器“-Y”按鈕，J2手臂抬起

case"j2_1"：//鼠標點擊了 按鈕

static_go.j_2.Rotate （0， 0，rotate_speed（2））；

break；

}

3.2 示教器模擬

示教器是應用軟件與機器人之間的接口裝置，通過電纜與控制柜連接，可以直接手動控制機器人的運動，也可以通過創建程序并測試校正的方式對機器人示教，以完成姿態確認和特定的作業任務。本實驗系統使用UGUI圖形用戶界面方法，參照 FANUC示教器的控制面板，模擬了虛擬機器人的操作界面，主要實現步驟如下：

（1）創建Canvas（畫布）對象，并在右下角嵌入示教器鍵盤圖像資源；

（2）在畫布左下角添加圖像（Image）對象，并為圖像對象添加6組文本（Text）及輸入欄（Input Field）子對象用于接收數據，分別用于控制相對應關節的旋轉速度。

（3）編寫腳本通過在文本輸入欄接收轉速數據，將輸入的字符轉換成數值傳遞給運動控制函數，從而調節6個關節旋轉速度，部分關鍵代碼如下：

float rotate_speed（int i）{

try{ return float.Parse（static_go.cav.GetChild（1）.GetChild（0）.GetChild（i）.GetComponent（）.text）/5；

}catch{

return 1.0f/5；

}

}

完成后的交互界面效果如圖2所示。

4 結束語

虛擬實驗室具有廣闊的應用前景，本文設計的實驗系統，效果清晰逼真，操作簡單，

最后以Web Player形式發布，支持基于Web頁面的遠程訪問，滿足了不同條件的學習需求，在工業機器人教學及培訓方面具有一定的實用價值和拓展空間，同時也為類似產品的開發提供了參考依據。

參考文獻

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作者簡介

莊嚴（1969-），男，江蘇省南京市人。碩士學位。講師。主要研究方向為圖形圖像處理，虛擬仿真技術。

作者單位

南京工程學院計算機工程學院 江蘇省南京市 211167