基于Unity3D的草坪毯修補機器人半物理仿真系統

吳 昊，鄒 鯤，唐 龍，閔康堯

(東華大學 機械工程學院, 上海)

半物理仿真又稱硬件在環仿真,是將部分產品實物引入仿真回路的一種仿真技術[1],即有真實硬件、實物、信號的參與,集機械與電子、軟件與硬件一體的綜合仿真。早期的半物理仿真主要應用于武器裝備的研制和測試,隨著計算機控制技術發展及其在機電系統中的廣泛集成,其應用越來越廣泛。在熱能動力領域,湯鑫宇等[2]以燃氣輪機為研究對象,通過dSPACE系統與實際電廠控制邏輯相連,構建了半物理仿真平臺。在航空航天領域：沈景鳳等[3]應用增強現實技術,設計了一套多功能的航空發動機半物理仿真試車系統;李心瞳等[4]針對火箭發動機液體推進系統聯合仿真演示需求,利用Simulink和LabVIEW軟件開發了仿真控制模塊和視景仿真模型,搭建了全系統聯合仿真環境與平臺,并驗證了其可靠性。在機器人領域：劉茜等[5]基于硬件在環技術,搭建了空間機械臂操作任務驗證平臺系統,并通過試驗驗證了系統性能良好;馬來西亞國防大學的Amer等[6]針對無人裝甲車的轉向控制問題,利用Simulink平臺建模,通過半物理仿真技術對轉向激振器進行測試,取得了不錯的效果。2020年,德國夫瑯和費風能系統研究所的Basilios等[7]提出了一種用于大型風力渦輪機實時仿真和控制的半物理仿真系統,分析了軟硬件的選擇,將FAST仿真工具與實際控制硬件集成在一起,并給出了20 MW風力機的數值試驗結果。2021年,意大利PERCRO實驗室的Moretti等[8]提出了一種將振蕩水柱與介電彈性體發生器相結合的一類波浪能轉換器的半物理仿真框架,在實驗室環境中復制了工廠的實際操作條件,并與實際海上測試數據比較,證明了該系統能夠有效復制現實操作場景。此外,半物理仿真技術在汽車、電子等其他領域[9-18]也有廣泛運用。目前普遍應用的相關仿真技術,如基于Matlab的Simulink仿真系統,主要以理論數學模型的角度進行仿真,缺乏良好的三維展示效果;而廣泛應用于汽車行業的dSPACE系統,雖有較強的實時性,但也不具備較好的三維效果,且成本十分昂貴。

因此,本文提出利用虛擬現實引擎Unity3D連接硬件電子系統調試控制程序的方法,以草坪毯自動修補機器人為研究對象,設計了一套硬件在環的半物理仿真系統,包括以仿真電路板為載體的數據交互系統和基于Unity3D的上位機仿真平臺。針對草坪毯修補工藝,以運動控制卡信號為驅動,模擬真實修補情況,研究仿真系統的實時性和準確性。研究結果將對解決紡織機械開發調試、工藝設計驗證等問題具有指導意義。

1 仿真平臺開發

1.1 仿真系統總體方案

仿真系統整體方案設計如圖1所示,其分為下位機數據交互系統和上位機仿真平臺兩個子系統。

圖1 仿真系統整體方案設計Fig.1 Overall scheme design of the simulation system

上位機通過Unity3D搭建仿真平臺,利用通信口傳遞外部系統的控制信號,實時控制待仿真對象的三維模型運動。下位機數據交互系統以仿真電路板為載體,連接上位機仿真平臺與外部真實硬件系統以交互數據。外部硬件系統的控制信號通過仿真電路板向仿真平臺發送,仿真平臺中模型運動產生的虛擬傳感器信號通過仿真電路板向外部硬件系統反饋。

1.2 仿真平臺架構設計

仿真平臺由一個主場景構成,用于實現仿真系統的主要功能。仿真平臺通過模塊化設計分為模型導入和功能設計,如圖2所示。首先在SolidWorks軟件中建立三維模型,經過格式轉換將待仿真對象的三維模型導入Unity3D主場景用于展示仿真過程。

圖2 仿真平臺模塊劃分Fig.2 Simulation platform module division

當外部系統運行實際程序時,通過數據交互功能采集真實控制信號,控制模型進行實時運動。仿真過程中,通過數據庫模塊記錄仿真數據信息,幫助用戶驗證控制程序邏輯是否與設想一致。

為實現仿真系統輔助驗證控制程序的正確性,結合數據庫,在仿真平臺中設計了數據交互、運動控制、實時調試、運動節拍輸出和空間軌跡輸出等多個功能。

1)數據交互功能。在硬件設計基礎上編寫了數據采集和通信軟件協議。

2)運動控制功能。在Unity3D中,通過父子關系和組件、腳本編程、提取公共參數的方法模擬常見機械結構運動。

3)實時調試功能。為了驗證仿真系統的運行,設計了單步調試、多步調試兩種實時調試功能,作為驗證系統是否按照設定參數運行的方式。

4)運動節拍與空間軌跡輸出功能。為了幫助用戶驗證運動控制程序的正確性,設計了運動節拍與空間軌跡輸出功能,作為驗證控制程序邏輯是否正確的對照方式。

為了實現多種功能,基于SQL Server2008數據庫建立本地數據庫Simulation,并建立干涉記錄、負載運動節拍及空間軌跡表格。

2 仿真電路板開發

下位機數據交互系統是本文仿真系統與外界系統連接的樞紐,旨在采集可編程邏輯控制器(PLC)控制電機、氣缸等各種常見外部電器元件的電平信號,將其發送給上位機仿真平臺以控制模型實時運動,同時接收仿真平臺的虛擬傳感器輸出信號,向外界系統反饋。

2.1 整體方案設計

將數據交互系統劃分為采集模塊和通信模塊,對采集模塊和通信模塊進行軟硬件設計。采集模塊包括電機驅動信號采集和限位信號反饋、通用輸入輸出;通信模塊包括板內芯片通信、擴展電路板間通信和上下位機通信。數據交互系統的總體架構設計如圖3所示。

圖3 數據交互系統的架構Fig.3 The architecture of data interaction system

采集模塊以NXP公司生產的M0芯片LPC1114作為采集芯片,通過芯片GPIO引腳采集和輸出信號。針對不同電壓信號,采用光耦隔離可防止低壓控制電路與外部高壓電路之間的干擾。基于不同功能需求,設計電機驅動信號采集接口、限位信號輸出接口及通用輸入輸出接口。

通信模塊以LPC11C24作為通信主控芯片。

數據交互系統中各部分通信方式如下：

1)電路板內芯片間采用IIC總線通信。絕大部分芯片都自帶IIC接口,且移植性高,適合元器件間通信。

2)擴展電路板間采用CAN總線通信。CAN總線采用差分信號,實時性好,有較強的抗干擾能力,可用于遠距離通信。

3)上下位機間采用RS232通信。RS232通信連接簡便且易于編程及調試。

2.2 硬件架構設計

采集模塊含4塊LPC1114采集芯片,共計16路電機脈沖和方向信號采集、24路限位信號反饋、16路通用輸入輸出接口和20路TTL電平采集。4塊采集芯片電路完全相同,以其中一塊為例,其架構設計如圖4所示。

圖4 采集模塊的架構Fig.4 The architecture of acquisition module

通信模塊以LPC11C24為主控芯片,主控芯片與采集芯片間以IIC通信,擴展電路板間主控芯片以CAN總線通信,主控芯片與上位機通過串口通信。通信模塊硬件架構如圖5所示。

圖5 通信模塊硬件的架構Fig.5 The architecture of communication module hardware

2.3 軟件設計

1)電機驅動信號采集。本文針對脈沖和方向信號的電機驅動方式設計了電路板電機驅動信號采集模塊。運動控制器輸出的方向信號控制電機正反轉,輸出脈沖信號的數量決定電機旋轉的角度,脈沖信號的頻率決定電機旋轉的速度。在仿真過程中仿真電路板的脈沖、方向采集接口與運動控制器的脈沖、方向輸出引腳連接。方向信號以高低電平區分,與電機正反轉對應,對應方式在運動控制器內部定義,只需查詢對應引腳電平即可。脈沖分為兩種：第一種是當上電引腳為高電平時,下降沿跳變輸出脈沖;第二種是當上電引腳為低電平時,上升沿跳變輸出脈沖。本文通過GPIO引腳邊緣跳變中斷采集脈沖信號,根據運動控制器的設定配置引腳上升/下降沿跳變中斷,當脈沖輸出使引腳進入中斷,查詢當時方向信號的正負,若為正,則脈沖個數累加,否則脈沖個數遞減。

2)傳感器反饋信號輸出。仿真電路板傳感器輸出接口與運動控制器限位傳感器輸入引腳相連,將接口引腳配置成輸出模式,根據運動控制器內部設定,輸出高電平或低電平即可模擬傳感器信號的改變。

3 仿真系統驗證

3.1 草坪毯修補系統簡介

草坪毯修補系統總體結構如圖6所示,該系統分為漏紗檢測和自動修補兩個部分。圖6中：1區域為簇絨機,漏紗檢測部分在此區域;4、5區域為自動修補區,4為鉤剪機器人,5為刺針機器人,刺針機器人攜帶紗線穿過草坪毯,鉤剪機器人將紗線剪斷完成修補。

1—草坪毯生產簇絨機;2—相機及支架;3—草坪毯;4—鉤剪機器人;5—刺針機器人。圖6 草坪毯修補系統總體結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of the overall architecture structure of the lawn carpet repair system

3.2 修補仿真系統構建

草坪毯修補機器人仿真系統整體架構如圖7所示。其中載入機器人控制程序的上位機連接外部GALIL運動控制卡,上位機控制系統將控制程序下載到運動控制卡中,再通過信號采集電路板與仿真平臺的上位機連接,以實際修補程序控制Unity3D中修補機器人的運動,分析仿真結果,驗證修補程序。

圖7 仿真系統架構示意圖Fig.7 Schematic diagram of the simulation system

根據仿真系統架構圖,以草坪毯自動修補機器人為例,構建的半物理仿真平臺實物如圖8所示,該仿真平臺主要分為上位機控制系統、GALIL運動控制卡、仿真電路板以及Unity3D仿真上位機。其中：刺針機器人GALIL運動控制卡輸出刺槍側水平天軌電機、垂直升降電機和織針往復電機的控制信號;鉤剪機器人GALIL運動控制卡輸出鉤剪側底板水平移動電機、垂直升降電機、電剪刀旋轉電機的控制信號和電剪刀通斷信號。GALIL運動控制卡通過上位機下載電機控制程序。

1—1.5V/24V穩壓電源;2—上位機控制系統;3—Unity3D仿真上位機;4—鉤剪機器人GALIL運動控制卡;5—仿真電路板;6—刺針機器人GALIL運動控制卡。圖8 草坪毯自動修補機器人的半物理仿真平臺Fig.8 Semi-physical simulation platform of the robot for lawn carpet automatic repair

3.3 仿真系統實時性能指標

仿真系統整體搭建完成后,對該系統的顯示實時性等指標進行研究。實時性能主要由外部信號的采樣頻率、IIC通信和串口通信頻率、仿真平臺刷新幀數等來決定。通過GALIL運動控制器的試驗可知,仿真系統的采集脈沖頻率最高可達1 MHz,IIC通信頻率可達12 500 Hz,串口通信的最高頻率為115 200 Hz,仿真平臺幀刷新頻率上限為2 000幀/s。

3.4 仿真結果分析

上位機控制系統通過真實驅動程序控制仿真平臺Unity3D模型的運動,對草坪毯修補機器人進行機電聯合仿真,仿真過程中實時記錄模型運動節拍和位置,生成運動軌跡圖和時序圖。

修補機器人的控制程序完整流程如圖9所示,修補開始后,首先控制各軸電機回零,然后根據漏紗位置換算各個電機應發送的脈沖個數,從而設置電機運動參數,啟動電機,控制刺針機器人和鉤剪機器人進行修補。

圖9 修補程序完整流程簡圖Fig.9 Sketch of the complete repair process

通過分析修補工藝流程可知,織針和電剪刀的配合是修補流程中最為重要的部分。選取固定織針和電剪刀的刀片中心,以其初始位置為原點,輸出織針、電剪刀空間運動軌跡如圖10所示,其中x軸平行于天軌方向,y軸垂直于毯面方向,z軸垂直升降方向。

圖10 織針、電剪刀配合修補的運動軌跡Fig.10 Trajectory of knitting needle and electric scissors in conjunction with repair

織針首先從A點沿天軌方向運動至B點,然后上升至C點,到達修補位置;待電剪刀到達修補位置后織針從C點沿垂直于毯面的方向刺出,移動50 mm至D點后開始縮回,返回至C點后完成一針修補,等待電剪刀完成配合運動后織針上升至下一針修補位置處并重復修補過程。

電剪刀運動過程與織針相似。從A′點開始出發,至C′點為鉤剪側第一針修補位置,等待織針刺出;當織針到達D點后開始回縮,紗線被毯面摩擦力帶起形成弧圈,電剪刀延遲0.3 s開始旋轉,至D′點鉤住紗線并剪斷,隨后回轉至C′點,完成一針修補;第一針修補完成后織針與電剪刀垂直上升8 mm至下一針修補位置并重復修補過程。

通過觀察分析仿真系統輸出的運動軌跡圖,可以驗證系統控制程序編寫無誤,運動軌跡符合修補流程。

仿真系統運行后,刺針機器人沿天軌水平位移及其垂直升降位移、織針往復位移,鉤剪機器人沿天軌水平位移及其垂直升降位移、電剪刀旋轉角度、電源通斷情況隨時間的變化如圖11所示,圖中N0～N20為修補工藝的關鍵動作位置點,每一個坐標系原點均為該零件自身坐標系原點。通過仿真系統輸出的時序圖,可以清晰直觀地看到草坪毯修補工藝的關鍵動作時序,進一步證明了仿真結果與設置的控制流程相符,驗證了仿真系統功能的可行性和準確性。

修補過程主要依靠織針和電剪刀的頻繁移動,若適當提高它們的運行速度,就能提高機器人修補效率。以控制織針的電機轉速間接表示織針穿刺速度,當電機轉速提升了54(°)/s后進行機電聯合仿真,截取提速前后織針和電剪刀旋轉時序并進行對比,結果如圖12所示。

圖12 提速前后織針和電剪刀運動時序對比Fig.12 Comparison of the movement timing of knitting needles and electric scissors before and after speed-up

由圖12可以清楚看到,提升織針穿刺速度后,織針和電剪刀配合完成修補時間明顯減少。在數據庫中可以讀取針鉤配合的精確運動信息記錄,計算得到織針穿刺提速后單針修補完成時間減少了0.14 s,修補效率提升約23%,該結果可為后續工藝優化提供理論依據和參考。

上述仿真結果表明：

1)GALIL運動控制程序設計合理,各部件無干涉碰撞;

2)改變控制程序參數,模型運動隨之實時改變,系統精確記錄運動節拍,可由數據庫記錄的數據計算物體運動受影響程度;

3)相比傳統機械仿真,本文設計的半物理仿真系統具備良好的三維可視性,可連接外部硬件系統,采集外部真實信號,控制模型實時運動并記錄運動信息。

4 結 論

本文針對目前紡織行業開發機電一體化設備中存在的現場調試困難、工作量大、開發周期長等難點,為解決目前主流仿真軟件存在的問題,以草坪毯自動修補機器人為對象,研究設計了一套同時滿足較好三維展示效果、實時性、通用性,以及可連接真實硬件控制系統進行調試的半物理仿真系統。通過GALIL運動控制卡搭建聯合仿真平臺,驗證了系統實時性和功能準確性,得到如下主要結論：

1)以草坪毯自動修補機器人為仿真對象,進行機電軟三位一體的聯合仿真,并通過分析修補工藝關鍵動作運動軌跡圖、時序圖驗證了仿真系統的功能。

2)本文開發的半物理仿真系統通過虛擬上位機與硬件電路板數據交互來連接部分真實機械硬件,具備良好的三維展示效果,可替代大部分現場調試工作,減少工作量、縮短開發周期且節約成本,大大提高設備研發效率。半物理仿真技術的應用對紡織機械研發調試、程序邏輯優化、系統設計和工藝開發均有重要意義。