基于數(shù)字孿生的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真*

崔亞飛，羅 輝，秦 龍

（永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 永州 425100）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人是智能制造領(lǐng)域中非常具有代表性的設(shè)備。研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)具有重要的意義。一方面，機(jī)器人的教學(xué)和軌跡規(guī)劃仿真系統(tǒng)[1-3]，完成和計(jì)劃運(yùn)行軌跡試驗(yàn)檢查軌跡的正確性和安全性，以避免碰撞在實(shí)際操作中，減少損失，節(jié)省人力、物力和成本。另一方面，為科研人員和教學(xué)人員提供了一個(gè)開放的平臺(tái)，可以促進(jìn)機(jī)器人控制方法的設(shè)計(jì)和日常的教學(xué)和培訓(xùn)。目前商用機(jī)器人仿真平臺(tái)存在開放性低、限制性強(qiáng)的問題。高昂的價(jià)格也限制了仿真平臺(tái)的使用和推廣。但也有一些仿真平臺(tái)存在可視化程度低、碰撞檢測精度低、可靠性低等問題。因此，有必要對(duì)機(jī)器人仿真技術(shù)進(jìn)行研究。

數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真提供了新的思路。數(shù)字孿生技術(shù)是一種集多物理、多尺度、多學(xué)科屬性于一體的技術(shù)，具有實(shí)時(shí)同步、映射忠實(shí)、高保真等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)物理空間與虛擬世界[4-6]的交互與集成。近年來，數(shù)字雙胞胎的概念已經(jīng)逐漸融入制造業(yè)[7-9]。通過構(gòu)建數(shù)字孿生，在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的忠實(shí)映射，從而實(shí)現(xiàn)物理世界的虛擬調(diào)試、運(yùn)行監(jiān)控和智能決策。

Schluse和Rossmann[10]提出了一種利用數(shù)字孿生進(jìn)行虛擬調(diào)試的仿真方法，該方法將不同的仿真系統(tǒng)集成到通用仿真數(shù)據(jù)庫（VSD）中進(jìn)行虛擬調(diào)試。這種方法被稱為可實(shí)驗(yàn)數(shù)字雙胞胎。Grinshpun等[11]提出了一種引導(dǎo)機(jī)器人將樁插入孔的算法，該算法可以以非常小的間隙將樁與孔匹配，并構(gòu)建了數(shù)字雙胞胎。在虛擬環(huán)境中的仿真驗(yàn)證了算法的有效性，并將算法應(yīng)用于物理庫卡LWR4機(jī)械手。Slavkovic等[12]利用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)機(jī)器人軌跡進(jìn)行補(bǔ)償，開發(fā)了虛擬機(jī)器人加工模型，并在虛擬模型中對(duì)軌跡補(bǔ)償算法進(jìn)行了仿真，以提高機(jī)器人在實(shí)際工作過程中的加工精度。數(shù)字雙胞胎也被應(yīng)用于人-機(jī)器人協(xié)作場景的仿真。Bilberg和Malik[13]構(gòu)建了柔性裝配單元數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)了人-機(jī)器人協(xié)同裝配過程的仿真，并根據(jù)任務(wù)難度分配任務(wù)和平衡工作量。Brem等[14]提出了一種人機(jī)協(xié)同生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型。在調(diào)試階段，可以通過虛擬調(diào)試或半實(shí)物仿真來檢測潛在的錯(cuò)誤，減少開發(fā)時(shí)間。

本文結(jié)合數(shù)字孿生，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)進(jìn)行了研究，旨在開發(fā)一個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)，并提出了一種改進(jìn)的混合層次包圍盒碰撞檢測算法，該算法具有開放性高、可視化效果好、碰撞檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文提出的數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)架構(gòu)包括物理實(shí)體、虛擬系統(tǒng)、連接和應(yīng)用服務(wù)4個(gè)部分。

（1）物理實(shí)體。物理實(shí)體是指生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境，包括各種設(shè)備，如工業(yè)機(jī)器人本體、控制柜和傳感器等，通過它們的合作來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)活動(dòng)。物理實(shí)體是數(shù)字孿生系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

（2）虛擬系統(tǒng)。虛擬系統(tǒng)是物理實(shí)體的忠實(shí)映射。虛擬系統(tǒng)分為雙數(shù)據(jù)和雙模型。孿生模型是實(shí)體特征的真實(shí)寫照，包括實(shí)體的位置、幾何尺寸、材質(zhì)、顏色等特征，以及實(shí)體的隸屬關(guān)系和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。孿生數(shù)據(jù)來源于物理實(shí)體，作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，驅(qū)動(dòng)孿生模型。

（3）連接。連接是物理實(shí)體與虛擬系統(tǒng)之間的橋梁，即通過傳輸網(wǎng)絡(luò)和定義的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬系統(tǒng)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，使數(shù)據(jù)在彼此之間流動(dòng)。

（4）應(yīng)用服務(wù)。應(yīng)用服務(wù)是指數(shù)字孿生系統(tǒng)所提供的功能，包括運(yùn)動(dòng)仿真、運(yùn)行監(jiān)控等。運(yùn)動(dòng)仿真功能允許用戶在虛擬環(huán)境中完成教學(xué)和路徑規(guī)劃，模擬路徑，使用碰撞檢測算法提前發(fā)現(xiàn)路徑中的碰撞點(diǎn)。將規(guī)劃結(jié)果輸出到機(jī)器人控制器，然后控制機(jī)器人實(shí)體按照規(guī)劃的路徑運(yùn)動(dòng)。運(yùn)行監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的全方位、多數(shù)據(jù)監(jiān)控。物理實(shí)體是數(shù)字孿生系統(tǒng)的重要組成部分，是虛擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

1.2 物理實(shí)體

本文的物理實(shí)體包括機(jī)械系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)。

（1）機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)是指機(jī)械體。本文使用的機(jī)器人是EFORT ER20CC10機(jī)器人，包括6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

（2）電子控制系統(tǒng)。電子控制系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動(dòng)器、控制系統(tǒng)、通信電纜和傳感器。

（3）人機(jī)交互系統(tǒng)。在現(xiàn)代和未來的社會(huì)里，只要有人利用通信、計(jì)算機(jī)等信息處理技術(shù)，為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和資源進(jìn)行活動(dòng)時(shí)，人機(jī)交互都是永恒的主題，人機(jī)交互系統(tǒng)包括教學(xué)裝置和上位機(jī)界面。

1.3 虛擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

虛擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循以下3個(gè)原則。

（1）層次一致性。物理實(shí)體是復(fù)雜的，具有一定的層次性，所以要注意各組成部分之間的從屬關(guān)系。它作為物理實(shí)體的一個(gè)特征，需要在虛擬環(huán)境中進(jìn)行描述，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的忠實(shí)映射。

（2）行為的一致性。工業(yè)機(jī)器人模型的運(yùn)動(dòng)應(yīng)與機(jī)器人實(shí)體的運(yùn)動(dòng)一致，如旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度等，并遵循運(yùn)動(dòng)規(guī)律。行為一致性是實(shí)現(xiàn)忠誠度映射的重要組成部分。

（3）性能的平衡。模型渲染會(huì)占用大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間，可能會(huì)影響系統(tǒng)的順利運(yùn)行。因此，需要平衡地考慮系統(tǒng)性能，模型應(yīng)該是輕量級(jí)的，以保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，而不影響用戶的視覺體驗(yàn)。

根據(jù)以上3個(gè)設(shè)計(jì)原則，選擇Unity3D作為虛擬系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建虛擬環(huán)境，三維環(huán)境如圖1所示。

圖1 三維仿真環(huán)境

2 仿真功能實(shí)現(xiàn)

利用數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬環(huán)境研究工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真功能，并設(shè)計(jì)了一種碰撞檢測算法來檢測仿真過程中的碰撞。

2.1 路徑規(guī)劃

機(jī)器人的軌跡規(guī)劃過程包括求解正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)。首先，建立機(jī)器人的D-H模型，獲取D-H參數(shù)。機(jī)器人關(guān)節(jié)i相對(duì)于關(guān)節(jié)i-1的齊次變換矩陣為:

根據(jù)式（1）和D-H參數(shù)，可依次得到相鄰連桿的齊次變換矩陣。則機(jī)器人終端相對(duì)于基礎(chǔ)坐標(biāo)系的變換矩陣為:

根據(jù)式（2）求解機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)。本文中機(jī)器人的最后3個(gè)軸是相交的。根據(jù)Piper判據(jù)，可以求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。基于正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，完成了軌跡規(guī)劃算法。本文提出的仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃、直線規(guī)劃和圓形規(guī)劃。

2.2 虛擬碰撞檢測

Unity3D有一些基于包圍盒的碰撞檢測功能，可以檢測模型之間的碰撞。然而，內(nèi)置的碰撞器都是用單一的邊界盒實(shí)現(xiàn)的，它沒有層次樹的結(jié)構(gòu)，不能更準(zhǔn)確地檢測三角形原語級(jí)別的對(duì)象。

因此，本文基于Unity3D自帶的碰撞器，結(jié)合Unity3D自帶的碰撞器和自帶的層次包圍盒，提出了一種改進(jìn)的混合層次包圍盒碰撞檢測算法。算法流程如圖2所示。

圖2 算法流程

首先使用Unity3D內(nèi)置的Box Collider進(jìn)行初步檢測。對(duì)于帶有碰撞檢測的模型，建立層次包圍盒樹進(jìn)行進(jìn)一步檢測。遍歷樹結(jié)構(gòu)，確定根節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)是否相交。如果相交，則進(jìn)入精確檢測階段，檢測葉節(jié)點(diǎn)在三角形水平上的交集。本文算法彌補(bǔ)了Unity3D內(nèi)置碰撞器缺乏層次樹結(jié)構(gòu)的不足，實(shí)現(xiàn)了三角形級(jí)碰撞檢測，在一定程度上提高了精度。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 虛擬仿真環(huán)境搭建

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真功能，本文構(gòu)建了機(jī)器人的虛擬模型和虛擬環(huán)境。在虛擬模型的基礎(chǔ)上，將機(jī)器人的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M模型中，對(duì)機(jī)器人實(shí)體進(jìn)行三維可視化監(jiān)控。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)框圖

（1）感知層用于數(shù)據(jù)的采集和傳輸。感知層主要通過控制器采集工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)，同時(shí)這些數(shù)據(jù)也可以通過控制器發(fā)給工業(yè)機(jī)器人。

（2）數(shù)據(jù)層對(duì)感知層的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理。數(shù)據(jù)層接收感知層控制發(fā)來的反饋數(shù)據(jù)，并以規(guī)定的格式解讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行簡單的處理，同時(shí)數(shù)據(jù)層也可以把相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳給感知層的控制器。

（3）邏輯層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層與應(yīng)用層之間的交互。這一層的數(shù)據(jù)抽象稱為邏輯數(shù)據(jù)模型（簡稱數(shù)據(jù)模型）。它是用戶通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)看到的現(xiàn)實(shí)世界，是數(shù)據(jù)的系統(tǒng)表示。因此它既要考慮用戶容易理解，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型有層次、網(wǎng)狀、關(guān)系模型，非傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型有面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型。

（4）應(yīng)用層是用戶看到的監(jiān)控界面。應(yīng)用層位于物聯(lián)網(wǎng)4層結(jié)構(gòu)中的最頂層，其功能為“處理”，即通過云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行信息處理。應(yīng)用層與最低端的感知層一起，是物聯(lián)網(wǎng)的顯著特征和核心所在，應(yīng)用層可以對(duì)感知層采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策。

對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真功能和碰撞檢測功能進(jìn)行了測試。軌跡規(guī)劃方法包括關(guān)節(jié)空間規(guī)劃、直線規(guī)劃、循環(huán)規(guī)劃和組合規(guī)劃。軌跡規(guī)劃效果如圖4所示。可以看出，系統(tǒng)能夠正確調(diào)用軌跡規(guī)劃算法，直觀地顯示運(yùn)動(dòng)軌跡。結(jié)果表明，與Unity3D內(nèi)置的Box Collider相比，改進(jìn)的混合層次包圍盒碰撞檢測算法能夠更準(zhǔn)確地檢測出碰撞。利用數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛擬模型來模擬機(jī)器人實(shí)體的運(yùn)動(dòng)。仿真結(jié)果用于提前驗(yàn)證路徑的正確性和安全性。仿真結(jié)果可用于機(jī)器人的實(shí)際操作。

圖4 軌跡規(guī)劃結(jié)果圖

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真功能和碰撞檢測功能進(jìn)行了測試。軌跡規(guī)劃方法包括關(guān)節(jié)空間規(guī)劃、直線規(guī)劃、循環(huán)規(guī)劃和組合規(guī)劃。對(duì)虛擬環(huán)境中的碰撞檢測功能進(jìn)行了測試，檢測結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，與Unity3D內(nèi)置的Box Collider相比，改進(jìn)的混合層次包圍盒碰撞檢測算法能夠更準(zhǔn)確地檢測出碰撞。利用數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛擬模型來模擬機(jī)器人實(shí)體的運(yùn)動(dòng)。仿真結(jié)果用于提前驗(yàn)證路徑的正確性和安全性。仿真結(jié)果可用于機(jī)器人的實(shí)際操作。

圖5 碰撞檢測

4 結(jié)束語

對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真功能和碰撞檢測功能進(jìn)行了測試。軌跡規(guī)劃方法包括關(guān)節(jié)空間規(guī)劃、直線規(guī)劃、循環(huán)規(guī)劃和組合規(guī)劃。軌跡規(guī)劃效果如圖5所示。可以看出，系統(tǒng)能夠正確調(diào)用軌跡規(guī)劃算法，直觀地顯示運(yùn)動(dòng)軌跡。本文的主要工作如下。

（1）提出了數(shù)字孿生系統(tǒng)的四維體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了數(shù)字孿生系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的物理實(shí)體，對(duì)實(shí)體單元的結(jié)構(gòu)、行為和屬性進(jìn)行抽象，利用Unity3D軟件建立數(shù)字雙胞胎。

（2）對(duì)EFORT工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和軌跡規(guī)劃分析。運(yùn)動(dòng)學(xué)算法獨(dú)立于虛擬系統(tǒng)開發(fā)，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。針對(duì)Unity3D內(nèi)置碰撞器缺乏層次樹結(jié)構(gòu)的局限性，提出了一種改進(jìn)的混合層次包圍盒碰撞檢測算法，提高碰撞檢測的準(zhǔn)確性，減少錯(cuò)誤檢測。

在此基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步研究物理實(shí)體與虛擬系統(tǒng)的深度融合技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和挖掘，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在線優(yōu)化、故障預(yù)測等更智能的功能。