該文提出將虛擬樣機技術應用于工業(yè)機器人仿真研究過程，研究與開發(fā)工業(yè)機器人虛擬樣機系統(tǒng)。首先說明虛擬樣機技術并分析其關鍵技術，然后說明了工業(yè)機器人虛擬樣機系統(tǒng)的構成與樣機系統(tǒng)在機器人仿真研究中的研究內(nèi)容。總結該項技術主要解決以下兩方面的問題，即機器人仿真研究中的系統(tǒng)集成及為以機器人為主體的生產(chǎn)線虛擬設計、驗證環(huán)境提供底層的數(shù)字化環(huán)境。

　　1 前言

　　虛擬樣機（VimudPrototype，簡稱VP）是當前設計制造領域的一門新興技術，該技術在計算機上通過CAD／CAM／CAE等技術將產(chǎn)品信息集成到計算機提供的可視化虛擬環(huán)境，在實際產(chǎn)品制造之前實現(xiàn)產(chǎn)品的仿真、分析與優(yōu)化過程。機器人仿真是機器人研究中的重要環(huán)節(jié)，可應用于機器人運動學、動力學分析，軌跡和路徑規(guī)劃，機器人與工作環(huán)境的相互作用，離線編程等方面。隨著目前虛擬制造及數(shù)字化制造等先進制造技術的發(fā)展，機器人仿真也成為圍繞產(chǎn)品生命周期的整個數(shù)字化設計、驗證及制造環(huán)境的重要組成部分。研究與開發(fā)機器人虛擬樣機系統(tǒng)，可以在虛擬環(huán)境中完成以上方面的研究工作，為機器人研究及先進制造技術的發(fā)展提供新的手段。

　　2 虛擬樣機技術

　　虛擬樣機技術涉及多體系統(tǒng)運動學與動力學建模理論及其技術實現(xiàn)，是基于先進的建模技術、多領域仿真技術、信息管理技術、交互式用戶界面技術和虛擬現(xiàn)實技術的綜合應用技術。、1P技術在設計的初級階段——概念設計階段就可以對整個系統(tǒng)進行完整的分析，觀察并實驗各組成部分的相互運動情況。通過系統(tǒng)仿真軟件在相應虛擬環(huán)境中真實地模擬系統(tǒng)的運動，在計算機上可方便地修改設計缺陷，仿真不同的設計方案，對系統(tǒng)進行不斷的改進，直至獲得最優(yōu)的設計方案以后，再做出物理樣機。

　　虛擬樣機的設計方法體現(xiàn)出并行工程的概念和思想。是今后先進制造技術的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)方法相比具有諸多優(yōu)勢，即在設計時期可確定關鍵參數(shù)，更新產(chǎn)品開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期、降低成本和提高產(chǎn)品質量。虛擬樣機的關鍵技術包括以下方面：

　　1）系統(tǒng)集成性

　　虛擬樣機解決方案涉及到多方面的技術，虛擬樣機執(zhí)行環(huán)境需要在不同的系統(tǒng)間進行轉換，其集成性包括以下方面：

　　●在CAD環(huán)境中建立機械系統(tǒng)三維模型并進行簡單的運動性能分析；

　　●由幾何模型轉換為CAD系統(tǒng)中的幾何模型，并導入虛擬樣機分析系統(tǒng)，進行運動學與動力學分析；

　　●虛擬樣機中的載荷傳遞給有限元分析軟件，并將后者的分析結果回傳給虛擬樣機；

　　●生產(chǎn)線模型及其控制系統(tǒng)的規(guī)范與虛擬樣機的集成。

　　2）系統(tǒng)參數(shù)化

　　建立參數(shù)化的虛擬樣機系統(tǒng)，可在多仿真參數(shù)前提下對虛擬樣機系統(tǒng)進行反復測試，對多種條件下的仿真輸出結果進行分析比較，為系統(tǒng)進一步優(yōu)化奠定基礎。

　　3）系統(tǒng)優(yōu)化

　　虛擬樣機解決方案在系統(tǒng)多參數(shù)及虛擬驗證前提下選擇設計者需要的方案，提供優(yōu)化的系統(tǒng)參數(shù)與設計結果。

　　4）系統(tǒng)可視化與交互性

　　系統(tǒng)提供良好的模型顯示環(huán)境，使操作者有高真實性的沉浸感。由于具有可視化方面的優(yōu)勢，在設計過程中設計者可交互式探索虛擬機械系統(tǒng)的功能，仿真真實環(huán)境對虛擬樣機進行反復調試，充分將自身的經(jīng)驗和能力結合到計算機的虛擬樣機的設計過程中。

　　3 工業(yè)機器人虛擬樣機

　　3．1機器人數(shù)字化虛擬樣機系統(tǒng)

　　機器人虛擬樣機系統(tǒng)將機器人研究與虛擬樣機技術相結合，針對于機器人設計與制造過程中的運動學、動力學分析，軌跡和路徑規(guī)劃，機器人與工作環(huán)境的相互作用等技術內(nèi)容進行研究與系統(tǒng)開發(fā)，在虛擬環(huán)境中完成機器人的設計、分析及虛擬生產(chǎn)過程的實現(xiàn)。系統(tǒng)的具體構成如圖1。

圖1 機器人虛擬樣機系統(tǒng)

　　3．2機器人虛擬樣機系統(tǒng)的功能及技術特點

　　機器人虛擬樣機系統(tǒng)的核心功能是提供用于在計算機上進行機器人設計與開發(fā)的虛擬環(huán)境，其主要功能有以下方面：

　　1）機器人虛擬樣機系統(tǒng)可視化

　　建立可視化環(huán)境是虛擬樣機系統(tǒng)的基礎工作，而CAD幾何建模是核心。機器人虛擬樣機可視化環(huán)境具有以下特征：

　　●在計算機上實現(xiàn)機器人操作機的可視化環(huán)境，操作者可直觀、高效地在此基礎上進行機器人的設計與開發(fā)，良好的環(huán)境可使操作者方便地將自身經(jīng)驗和知識隨時溶人系統(tǒng)；

　　●從CAD模型中提取幾何數(shù)據(jù)，在虛擬樣機系統(tǒng)進一步的工作過程，如運動分析、動力學仿真中加以利用；

　　●在虛擬樣機開發(fā)的不同階段，機器人CAD模型在結構上有所不同。在樣機初期的概念性設計階段，機器人CAD幾何模型可能較為粗略，只為滿足當前設計需要，某些詳細的幾何結構可不必建模；在詳細設計階段，樣機經(jīng)過反復驗證與完善，系統(tǒng)得到優(yōu)化后的幾何數(shù)據(jù)，可對樣機進行詳細的幾何建模，形成整個虛擬樣機的機器人仿真結果。

　　2）機器人工作過程預先演示

　　根據(jù)機器人操作機本體構成，包括各部分的幾何結構與參數(shù)、關節(jié)數(shù)量、類型等因素，通過對運動方程的正向和逆向求解，仿真實現(xiàn)機器人的運動分析。同時在運動分析過程中還可實現(xiàn)對機器人的運動空間分析，工作軌跡規(guī)劃，碰撞、干涉校驗等進行仿真研究。

　　3）機器人虛擬樣機動力學分析

　　通過在虛擬樣機系統(tǒng)中加人物理信息，如操作機材料種類、質量、轉動慣量、關節(jié)摩擦等物理因素，進行動力學分析。在動力學分析過程中，可仿真機器人操作機實際工作情況對虛擬樣機預加載荷，或施加重力作用，從而分析樣機在各種工況下各部分的受力情況，研究重點環(huán)節(jié)，優(yōu)化系統(tǒng)結構。

　　4）機器人控制系統(tǒng)仿真

　　機器人虛擬樣機可提供控制系統(tǒng)仿真環(huán)境，對控制系統(tǒng)進行測試，在這一方面虛擬樣機比物理樣機具有明顯優(yōu)勢。各種控制方法可直接作用于物理樣機，高效省時，無需擔心錯誤的控制方法造成樣機的損壞。

　　機器人虛擬樣機系統(tǒng)具有如下技術特點：

　　1）提供機器人仿真研究的集成系統(tǒng)和數(shù)字化機器人設計、驗證環(huán)境機器人虛擬樣機系統(tǒng)提供包含數(shù)字化建模、可視化的運動過程實現(xiàn)、運動學分析、控制系統(tǒng)仿真在內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺，使各部分之間的仿真及分析結果及時、高效率地互相加以利用，提供數(shù)字化的研究環(huán)境。

　　2）構成數(shù)字化虛擬制造環(huán)境的有機組成部分工業(yè)機器人是制造系統(tǒng)中的基本工作單元，機器人虛擬樣機系統(tǒng)能夠有效溶人上一層次的數(shù)字化加工制造環(huán)境，滿足虛擬制造環(huán)境中機器人工作單元上層的生產(chǎn)線仿真、數(shù)字化工廠要求，構成數(shù)字化機器人生產(chǎn)線的基礎與有機組成部分。

　　3．3 機器人虛擬樣機系統(tǒng)實現(xiàn)的技術手段

　　3．3．1采用高水平的幾何建模工具

　　隨著軟件技術的發(fā)展，商業(yè)化的三維造型軟件如Pro／E、UG及SolidWod～等已可以順利在微機平臺上正常運行，而無需專業(yè)的圖形工作站。這些軟件都可以建立高逼真度的機器虛擬樣機幾何模型，同時又具有IGES、STEP、Parasolid等多種幾何數(shù)據(jù)轉換格式來提供機器人虛擬樣機設計與測試過程中需要的幾何數(shù)據(jù)，是適宜的機器人虛擬樣機幾何建模開發(fā)工具。

　　3．3．2機器人虛擬樣機系統(tǒng)的開發(fā)工具

　　機器人虛擬樣機系統(tǒng)的開發(fā)工具主要分兩類，一種是采用通用的軟件開發(fā)工具，另一種是專業(yè)的虛擬樣機或機器人開發(fā)軟件。前者目前較常用的是C++，較早有Fortran、Pas．cal等。采用通用軟件開發(fā)的機器人虛擬樣機系統(tǒng)的特點是軟件針對性強，解決設計者具體問題。但要建立樣機的運動學、動力學研究等必需的詳盡而正確的模型，需耗費大量時間和精力，且開發(fā)出的系統(tǒng)靈活性差，不易調整。

　　Adams、Envision等是商業(yè)虛擬樣機開發(fā)工具…1，軟件可建立簡單的幾何模型或從外部CAD軟件導人已建立完畢的機器人幾何模型，系統(tǒng)提供運動學、動力學等方面的仿真功能，建立機器人虛擬樣機設計與優(yōu)化環(huán)境，并具有完善的仿真結果數(shù)據(jù)處理能力。軟件可使設計者從繁瑣的機器人動態(tài)建模過程中解脫出來，將更多精力用于樣機的虛擬設計與驗證過程。

　　4 結束語

　　將虛擬樣機技術應用于機器人仿真研究領域，進行機器人虛擬樣機的研究開發(fā)，一方面拓展虛擬樣機技術的研究與應用范圍，同時在虛擬環(huán)境下對機器人產(chǎn)品的設計與分析也是今后數(shù)字化設計、制造的發(fā)展方向。在機器人仿真研究中通過應用虛擬樣機技術，可使設計人員從繁重的計算過程中解脫出來，將精力投人到虛擬樣機系統(tǒng)的分析與優(yōu)化過程，有效地進行系統(tǒng)評估，在實際生產(chǎn)之前提供優(yōu)化的設計產(chǎn)品。