基于數字孿生的機器人搬運工作站仿真系統設計與實現

摘要：針對當前工業機器人在實際搬運的生產環境中存在的精度不穩定、編程時間長、工作效率低的問題，提出了一種基于數字孿生的搬運機器人工作站。以搬運機器人為研究對象，通過SolidWorks三維軟件建立工業機器人搬運平臺的三維模型，利用Unity開發構建搬運機器人工作站的基本架構，并從架構的各個組成出發，對該仿真系統進行設計，最后，以搬運機器人搬運物料為對象，驗證該工作站的性能和作用。研究實驗表明，基于數字孿生的機器人搬運工作站的仿真系統設計具有正確性和可行性，能夠模擬物料從不同位置的搬運全過程，能夠有效提高搬運物料的效率，可以為真實的機器人搬運工作站設計和路徑設計提供理論依據，從而提高搬運機器人實際搬運的節拍，為工業機器人的應用奠定良好的基礎。

關鍵詞：數字孿生；搬運機器人；系統設計

中圖分類號：TP24 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.09.010

文章編號：1006-0316 （2024） 09-0068-06

Abstract：Aiming at solving the current problems of unstable accuracy， long programming time and low efficiency of industrial robots in the production environment of actual handling， a digital twin-based robotic handling workstation is proposed. Taking the handling robot as the research object， the three-dimensional model of the industrial robot handling platform is established by using SolidWorks. The basic architecture of the robotic handling workstation is constructed by using Unity Development Build， and the simulation system is designed from the various components of the architecture. Finally， performance and role of the workstation is verified by taking the handling materials as the object. Experiments show that the simulation system design of the robotic handling workstation based on digital twin has validity and feasibility， which can simulate the whole process of material handling from different positions and effectively improve the efficiency of handling materials. The research provides theoretical basis for the design of the real robotic handling workstation and the design of the path， so as to improve the actual handling rhythm of the robot and lay a good foundation for the application of industrial robots.

Key words：digital twin；handling robot；system design

隨著工業自動化的不斷深入發展，搬運機器人作為工業自動化的重要組成部分之一，需求量也在與日俱增，并已廣泛應用于工業的生產和制造中[1-3]。而工業機器人的數字化具有縮短生產工期、避免返工、節省成本等優點。

有學者利用三維軟件SolidWorks建立搬運機器人的模型，搬運過程中的相關設備，進而構成虛擬仿真平臺的三維模型，以最大程度地反映真實機器人搬運工作站的運行情況[4-5]。張德勝[6]針對機器人焊接作業場景，提出一種融合三維可視化、遺傳算法優化和專家系統的數字孿生系統，旨在為機器人焊接作業的智能化發展提供了新的思路。張旭堂等[7]基于數字孿生技術搭建了協作機器人系統，準確實時監測協作機器人狀態信息，實現了虛擬模型與協作機器人實體保持一致運動，保障人機共融場景下的安全。

由于工業機器人在實際應用中，主要采用以示教的方式進行現場編程，存在以下問題：在線示教編程過程繁瑣且效率低；目測對機器人的示教操作難以在復雜路徑獲得準確位置；也無法應對外界信息干擾作出正確的決策。基于上述問題，提出了基于數字孿生的機器人搬運工作站仿真系統，該系統以搬運機器人為研究對象，通過SolidWorks三維軟件建立工業機器人搬運平臺的三維模型，利用Unity開發構建搬運機器人工作站的基本架構，并從架構的各個組成出發，提出數字孿生的機器人搬運工作站的仿真系統。

1 機器人搬運工作站數字孿生系統架構設計

機器人搬運工作站是融合了多個學科的有機整體，通過對數字孿生模型的結構進行分析，可將整個孿生系統架構分為孿生模型層、物理實體層、孿生數據層、功能服務層和數據傳輸交換層等五部分[8]。數字孿生的具體架構如圖1所示。

2"機器人搬運工作數字孿生系統的實現

2.1 孿生模型層

在搬運工作站的數字孿生系統架構中，數字孿生模型層主要是在三維模型與物理實體之間建立實時的映射關系，并通過虛擬模型的動作來完成對物理實體的控制，進而實現搬運機器人運動的可視化，整個系統架構可以分為以下六個部分[9-10]：

（1）搬運機器人工作站三維模型的建立與導入。搬運機器人工作站的控制系統是基于Unity3D開發的，通過三維建模軟件建立零件，并組合成裝配模型，再將最后的模型轉換成中性格式，如：Step。最后再將中間格式導入Unity中，進行模型的優化、網格的劃分和點云模型的建立，達到實現工作站模型實時運動的可視化。

（2）建立搬運機器人工作站的外圍場景。工作站可以根據搬運過程中實際環境，在虛擬工作站的模型中，賦予比較接近的場景，讓用戶可以身臨其境地操作搬運機器人，并完成相應的功能。

（3）編輯搬運機器人的運動軌跡程序。搬運時，機器人所走的路線和軌跡，以及搬運物體的大小以及物體擺放的方式，都需要設定清晰。

（4）工作站實時動態渲染。利用Unity軟件對搬運機器人工作站的實時動態畫面進行模擬，有效實現了三維模型的可視化。在搬運過程中，對不同的場景的界面進行模擬，達到三維模型的動態可視化。尤其是在模型的方位、姿態等發生變化時，通過改變動態界面的顏色、透明度等，從而達到方面用戶的使用和操作的效果。

（5）機器人的實時碰撞檢測。搬運過程，所走路徑的仿真，更好的模擬出運動軌跡中出現的碰撞。

（6）搬運過程中運動路徑的繪制。繪制運動路徑的目的有兩個：第一，將搬運機器人的運動軌跡和動作進行模擬的仿真，達到驗證的目的；第二，在機器人實際搬運作業時，通過路徑的繪制，可以得到實際機器人在實際過程中的運動數據。

工業機器人建模過程中，需注意以下四點[11]：

（1）需要調研和搜集工業機器人的應用范圍和功能，確定工業機器人的相關參數，從而確定整體具體模型。

（2）制定具體建模的方案，并分解模型。由于真實的工業機器人是由成百上千個零件組成，而在三維建模過程中，為了進一步簡化模型，降低繪圖工作量，不需要把每個零件都畫出來，只要繪制機器人的關節組件即可，再將所有零部件進行組裝，形成完整的設備模型。

（3）針對前期產品性能指標的要求，有必要對機械結構、電氣和軟件等方面做全面的技術評估。若評估不存在問題，方可搭建工業機器人的三維模型。

（4）通過對每個零件的繪制，并按照父子的層遞關系建立組件模型，最后將組件組裝起來構建一個三維模型的裝配體。整個過程需要保證每個關鍵之間具有唯一的運動模式，不能出現干涉或者碰撞，避免裝配體模型在虛擬空間上出現不滿足實際運動的情況出現。

2.2 物理實體層

物理實體層主要由搬運機器人工作站和搬運對象構成。在物理實體層的建立過程中，所搭建的數字孿生物理實體層需要與現實的工作站保持一致。其中，二者之間往往會涉及到系統的標定，該過程就是計算物理實體層與實際設備之間的相互關系，繼而將參數輸送至孿生數字模型，最后得到一模一樣的模型。

2.3"功能服務層

數字孿生功能服務層主要是面向用戶。通過孿生模型和孿生數據，滿足不同階段的用戶的各種需求，比如搬運物體的大小和重量、搬運的節拍、碼垛的方式等。搬運生產階段可以把物流數據可視化，且結合歷史數據進行實時監控和效率優化。

2.3.1 "VR布局方案設計

在工業機器人的應用中，搬運機器人主要由示教器、控制器、操作機組成，實現了不同形狀物料的搬運任務。搬運機器人的外圍設備主要由工件維修臺、設備總控臺、上位機、警示三色燈和安全防護欄等組成。為了確保工業機器人在真實環境中的準確運行，有必要對工業機器人的各個組成部分進行設計和合理化布局，通過利用三維建模軟件SolidWorks建立機器人搬運虛擬仿真平臺以及外圍設備的三維模型，并根據實際環境的需要對三維模型的材料和外觀進行處理，使其最大程度地反映真實設備的實際運行情況，從而達到工業機器人搬運全過程虛擬仿真的目的。

由于工作站是基于Unity開發，能夠實現搬運全過程的VR場景，可以通過直觀的觀察場景來修改相應設計，有助于不同用戶對搬運產線的方案設計。

2.3.2 可視化搬運作業仿真

為了使機器人搬運工作站的控制系統具有逼真的效果，可以通過將搬運過程在孿生數字模型上進行可視化的搬運仿真，能夠將搬運機器人的運動軌跡進行準確顯示出來，還可以將搬運的節拍、碼垛的方式等都能夠計算出來，以此可以達到調整和優化的目的。將整個運動過程進行可視化的仿真，可以很清晰找到運動時是否會出現碰撞和干涉。機器人搬運工作站布局圖如圖2所示。

3 機器人搬運平臺的實現

3.1"機器人搬運虛擬模型的建立

在整個三維模型的建立過程中，利用三維軟件SolidWorks建立搬運機器人的三維模型，按照1：1的尺寸，將三維模型進行建模。建模過程中，可以從三個方面進行優化：

（1）模擬輕量化的處理。在搬運機器人虛擬模型的建立中，為了使虛擬數字模型與工業機器人實際運動狀況的動態效果相同，往往需要對三維模型進行輕量化和簡化的處理，能夠有效降低三維模型運行時間和計算量，能夠進一步改善虛擬模型的動態實時效果。

（2）虛擬環境中模型對象加載。在Unity中，一個虛擬裝配模型由多個零件或者多個組件構成，而這些零件和組件會包含很多的變量。想要到達對整個虛擬模型的運動控制，往往需要處理和驅動相應的變量，以此使虛擬的三維模型發生改變。

（3）數據展示。為了體現模型的運動狀態和當前模型的運動數據，有必要利用GUI界面系統對數字孿生虛擬模型進行監測。通過Unity軟件提供了大量的圖形界面的尺寸組件變量，通過尺寸組件變量的改變進而完成對整個圖形界面的優化，從而實現工業機器人實時數據狀況的監測功能。

3.2"工作流程

在搬運機器人在虛擬仿真過程中，工業機器人從工作初始位置出發，帶著真空吸盤運動到物料的正上方，控制真空吸盤吸取物料；再將物料放置在指定位置的正上方，然后在控制真空吸盤釋放物料；接著，工業機器人以此完成不同形狀物料的搬運，直到物料全部搬完為止；最后，工業機器人回到最初位置，等待再次搬運的指令。機器人搬運虛擬仿真平臺的工作流程如圖3所示。

3.3 "Smart組件的設計

機器人在實際搬運中，主要是將工業機器人工作臺上的物料盤1中四種不同形狀的物料運輸到物料盤2中指定的位置。在搬運過程中，工業機器人通過控制真空吸盤將物料吸起，搬運、松開等過程。為了達到與真實平臺相同的動態效果，利用RobotStudio軟件中的Smart組件設計一個動態物料的搬運過程。通過Smart組件的創建，來實現物料的智能化搬運。工業機器人物料搬運的I/O如表1所示。

3.4"機器人I/O信號的創建

工業機器人搬運控制系統在運行過程中，需明確真空反饋將信號反饋給吸盤以及吸盤吸附放置的控制，可在虛擬示教器中配置I/O信號、設計工作站邏輯運行等。在示教器的控制面板Device Net中創建DSQC652標準I/O板，地址為13，再配置機器人的I/O信號，如表2所示。

3.5"機器人搬運的運動軌跡和程序調試

在工業機器人搬運虛擬仿真過程中，在工業機器人的操作臺上放置有兩個物料盤，將四種不同形狀的工件從右邊的物料盤中的四種不同形狀規格的物體搬運到左邊物料盤中對用的位置中。為了實現工業機器人搬運的虛擬仿真，有必要對工業機器人的運動軌跡進行規劃，驗證當前運動路徑是否會產生干涉，檢驗路徑規劃的合理性。搬運機器人的運動軌跡示意圖如圖4所示。

根據工業機器人搬運虛擬仿真平臺的工作流程，設計1個主程序和2個子程序。2個子程序分別為抓取程序、放置程序。

通過主程序調用抓取程序、放置程序，完成整個工作流程。主程序、抓取程序、放置程序如下所示。

（1）主程序格式

PROC main（） """""""""""http://主程序；

InitALL; """""""""""http://初始化程序；

WHILE TRUE DO """http://循環指令；

zhuaqu; """"""""http://調用搬運程序；

fangzhi; """"""""http://調用放置程序；

Incr r1; """""""""http://移動下一個物體；

ENDWHILE

MoveAbsJ jpos10＼NoEOffs， v1000， z50， Tool_xipan＼WObj：=Workobject_1;

ENDPROC

（2）“抓取”程序格式

PROC zhuaqu（）

IF r1 lt; 4 AND r2 lt; 5 THEN

MoveJOffs（p10，70 * r1，40 * （1 - r2），50）， v1000， z0， Tool_xipan＼WObj：=Workobject_1;

MoveLOffs（p10，70 * r1，40 * （1 - r2），0）， v1000， z0， Tool_xipan＼WObj：=Workobject_1;

WaitTime 1; """""""http://延時1s；

Set do_xipan;

WaitTime 1; """""""http://延時1s；

MoveLOffs（p10，70 * r1，40 * （1 - r2），50）， v1000， z0， Tool_xipan＼WObj：=Workobject_1;ENDIF

ENDPROC

（3）“放置”程序格式

PROC fangzhi（）

IF r1 lt; 4 AND r2 lt; 5 THEN

MoveJOffs（p20，70 * r1，40 * （r2 - 1），50）， v1000， z0， Tool_xipan＼WObj：=Workobject_1;

MoveLOffs（p20，70 * r1，40 * （r2 - 1），0）， v1000， z0， Tool_xipan＼WObj：=Workobject_1;

WaitTime 1; """""""""http://延時1s；

Reset do_xipan;

WaitTime 1; """""""""http://延時1s；

MoveLOffs（p20，70 * r1，40 * （r2 - 1），50）， v1000， z0， Tool_xipan＼WObj：=Workobject_1;

ENDIF

ENDMODULE

4"結論

為了進一步提高機器人搬運機器人的效率和可靠性，將數字孿生技術與機器人相結合，提出了基于數字孿生機器人搬運工作站。該工作站以數字孿生技術為基礎，完成對數字孿生機器人搬運工作站的搭建，并進一步利用Unity軟件輔助數字孿生三維模型的動態界面，實現了數字孿生搬運機器人搬運工作站的設計和功能。

以搬運機器人搬運四種不同形狀的物料為對象，利用數字孿生模型得到的數據取求解最優路徑參數和最大工作節拍，能夠進一步優化實際工作的設計和優化，有效提高了搬運物料的效率和路徑進行優化，簡化了體力勞動和實際環境的不斷驗證流程，驗證了基于數字孿生的機器人搬運工作站的仿真系統設計具有正確性和可行性，能夠模擬物料從不同位置的搬運全過程，能夠有效提高搬運物料的效率，可以為真實的機器人搬運工作站設計和路徑設計提供理論依據，從而提高搬運機器人實際搬運的節拍，為工業機器人的應用奠定良好的基礎。

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