劉宇軒

基于Unity3D的工業(yè)機器人虛擬操作系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)?

劉宇軒

（廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院廣州510006）

針對當(dāng)前開設(shè)了機器人相關(guān)課程各類院校的學(xué)生，在進行實體機器人操作時存在誤操作帶來的危險性以及當(dāng)前教學(xué)軟件形式單一，缺少交互模塊，不夠形象等問題。提出了基于Unity3D平臺，應(yīng)用3Ds Max、PhotoShop軟件完成三維場景建模，采用C#語言，通過界面交互技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)機器人設(shè)備的虛擬操作教學(xué)，為使用者提供良好的人機交互環(huán)境，提前學(xué)習(xí)機器人相關(guān)知識，從而為提高工業(yè)機器人教學(xué)工作效率和教育培訓(xùn)質(zhì)量做出一定貢獻。

工業(yè)機器人；Unity3D；虛擬操作；交互設(shè)計

Class NumberTP391

1引言

近年來，隨著計算機的硬件和軟件的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育、軍事、建筑、娛樂、康復(fù)治療等各個不同行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛［1］。現(xiàn)如今，各大類型高校以及專門進行工業(yè)機器人操作培訓(xùn)的機構(gòu)培養(yǎng)機器人領(lǐng)域人才主要通過書本理論學(xué)習(xí)、視頻動畫等方式，考慮到真實的工業(yè)現(xiàn)場安全性以及資源短缺的問題，無法讓學(xué)生親臨工業(yè)現(xiàn)場進行實際的操作。但是相對于傳統(tǒng)的理論教學(xué)、視頻動畫并不具有實踐操作性、交互性等問題，無法很好地使學(xué)生進行工業(yè)機器人技術(shù)理論知識的學(xué)習(xí)和實際操作的學(xué)習(xí)。Unity3D引擎是由Unity Technologies開發(fā)的一個用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺綜合型游戲開發(fā)工具，是一個對編輯器、跨平臺發(fā)布、地形編輯、著色器、腳本、網(wǎng)絡(luò)、物理、版本控制等特性全面整合的專業(yè)游戲引擎［2］。除了應(yīng)用在游戲開發(fā)之外，也在軍事國防、工業(yè)仿真、Serious Games領(lǐng)域有所應(yīng)用。由于其高性價比、簡單的開發(fā)流程、跨平臺性及強兼容性等特點，越來越多的被作為開發(fā)平臺應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實項目中。本文基于Unity3D引擎，以3Ds Max、PhotoShop等軟件作為輔助工具，創(chuàng)建一個集真實性、專業(yè)性、交互性等特點的工業(yè)機器人虛擬操作系統(tǒng)。討論了系統(tǒng)的設(shè)計模式，實現(xiàn)了包括機器人運動學(xué)、碰撞檢測、字幕提示、高亮顯示、NGUI、三維場景瀏覽等關(guān)鍵技術(shù)。

2系統(tǒng)總體概述

2.1多模塊虛擬系統(tǒng)的設(shè)計

對于傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中只能實現(xiàn)一種功能。而在現(xiàn)實環(huán)境中，一種設(shè)備可能要實現(xiàn)多種功能，基于這種思想，提出多模塊的設(shè)計概念，即在一個特定的系統(tǒng)中可以實現(xiàn)多種不同的功能?；赨nity3D的多模塊虛擬系統(tǒng)具體操作的流程是：通過用戶的輸入操作Unity3D引擎軟件，在用戶界面中選擇想執(zhí)行的模塊，進行有序的操作，完成該模塊的操作后則選擇退出，否則繼續(xù)操作相應(yīng)的模塊。具體多模塊虛擬系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 多模塊系統(tǒng)總體框架

2.2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于軟件工程的設(shè)計思想，工業(yè)機器人虛擬操作系統(tǒng)的開發(fā)主要分為兩個階段：第一階段是系統(tǒng)前期的需求分析、用戶調(diào)研、收集素材；第二階段是通過Unity3D進行系統(tǒng)場景的搭建、用戶界面的設(shè)計與制作，各模塊交互功能的實現(xiàn)。流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

具體開發(fā)時，首先要參考設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)資料，應(yīng)用3Ds Max完成三維建模，并轉(zhuǎn)換為Unity3D可以使用的FBX格式。之后將模型導(dǎo)進Unity3D工程中進行系統(tǒng)第二階段的開發(fā)，完成整個場景的構(gòu)建。第二階段主要分三個方面的內(nèi)容：1）系統(tǒng)場景的搭建；主要包括工業(yè)機器人場景的搭建、光照效果、陰影效果、場景烘焙、碰撞檢測等。2）用戶交互界面的制作；包括主頁導(dǎo)航欄和系統(tǒng)內(nèi)部不同功能模塊菜單。3）系統(tǒng)各個模塊的功能實現(xiàn)；主要是通過C#語言進行功能模塊程序開發(fā)，并最終發(fā)布成應(yīng)用于不同平臺下的可執(zhí)行文件，包括PC端，安卓端，IOS端等。

3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1模型導(dǎo)入Unity平臺

Unity3D支持從3Ds Max中導(dǎo)出FBX格式的文件［3］，導(dǎo)入FBX模型后，為提高場景亮度及真實感，在場景中選擇添加一個方向光以模擬太陽光源，通過調(diào)整光源的方向、顏色以及是否產(chǎn)生陰影等選項，提高場景的效果［4］。Unity3D軟件支持實時光照效果，在添加了光源之后，系統(tǒng)會根據(jù)光源及投影體的相對位置關(guān)系自動計算出陰影的位置及大小，并投影到正確的受影體上［5］。

3.2工業(yè)機器人模塊

本文采用RB08機器人為樣本進行開發(fā)，機器人模型是基于SolidWorks進行建模，圖3是導(dǎo)入到3Ds Max后用不同顏色以區(qū)分不同部件的模型。

RB08機器人是一款最大載荷為8kg的搬運型機器人，其體積較小，運動較靈活，是一款多功能工業(yè)機器人。其幾何參數(shù)如表1所示。

圖3 RB08機器人

圖3中的每個關(guān)節(jié)的坐標系對應(yīng)機器人剛體部件間連接的轉(zhuǎn)動副。根據(jù)坐標系之間進行連續(xù)變換，便可以求出每個剛體部件相對于底座的變換矩陣，從而求出各部件的具體位置。

表1 RB08機器人D-H參數(shù)表

通常六自由度的機器人沒有解析解，只有在某些特殊情況下才會有解。Pieper研究了當(dāng)3個相鄰的軸相交于一點時的六自由度機械臂，必會存在解析解。顯然，RB08機器人的連桿坐標系｛4｝，｛5｝，｛6｝原點均交于一點，因而可以求出解析解。

1）機器人正運動學(xué)

圖4 D-H相鄰坐標變換

RB08機器人具有六個自由度，六個關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，前三個關(guān)節(jié)決定手腕的位置，后三個關(guān)節(jié)決定手腕的姿態(tài)。因為工具坐標系跟手腕固連，所以前三個關(guān)節(jié)跟后三個關(guān)節(jié)分別決定了工具坐標系的位置和姿態(tài)。法速度慢，因此機器人逆運動學(xué)的求解通常采用解析法，但解析法解的存在性與機器人結(jié)構(gòu)相關(guān)。其充分條件為若一個六自由度機器人的3個相鄰的關(guān)節(jié)軸線始終交于一點，則機器人的逆運動學(xué)必然有解析解。本文所用到的RB08機器人也具有相似的結(jié)構(gòu)，因而具有確定的解析解。

3.3碰撞檢測技術(shù)

碰撞檢測是模擬現(xiàn)實環(huán)境中的人物以及物體在遇到障礙物時發(fā)生的本能反應(yīng)。例如，當(dāng)人物遇到墻壁，如果沒有設(shè)計碰撞檢測，則人物會穿過墻壁出現(xiàn)失真的現(xiàn)象［8］。碰撞檢測技術(shù)在實際應(yīng)用中，要判斷兩個凸面體是否發(fā)生相交，多面體相交檢測的碰撞檢測算法具有很高的檢測精度。因此，應(yīng)該對場景中的相應(yīng)物體添加碰撞器組件。碰撞檢測技術(shù)是工業(yè)機器人虛擬操作系統(tǒng)最為基礎(chǔ)也是必不可少的部分。在Unity3D中，共有六種形狀碰撞器，分別是Box Collider（盒體碰撞器）、Sphere Collider（球體碰撞器）、Capsule Collider（膠囊碰撞器）、Mesh Collider（網(wǎng)格碰撞器）、Whell Collider（車輪碰撞器）、Terrain Collider（地形碰撞器）。根據(jù)場景中不同模型的形狀添加與之對應(yīng)的碰撞器，例如，地面可以添加一個Terrain Collider，放置工件的桌子可以添加一個Box Collider。之后系統(tǒng)將會計算碰撞器相應(yīng)碰撞范圍以實現(xiàn)碰撞檢測。圖5是給放置工件的桌子添加了一個Box Collider碰撞器。

圖4表示坐標系Oi-1繞自身zi-1軸旋轉(zhuǎn)θi且沿zi-1軸平移si得到新的坐標系；新坐標系再沿著xi方向平移ai并繞xi軸旋轉(zhuǎn)αi得到Oi坐標系［6］，連桿坐標系{i}相對于{i-1}變換矩陣為

圖5 碰撞檢測

2）機器人逆運動學(xué)

機器人運動學(xué)逆解是根據(jù)機器人末端執(zhí)行器即工具坐標系的期望位姿，求出機器人各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角［7］。求機器人運動學(xué)逆解的方法分為解析法和數(shù)值法，由于數(shù)值法求解速度不穩(wěn)定并且較解析

3.4 NGUI交互界面的設(shè)計

在工業(yè)機器人虛擬操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)的交互界面采用NGUI提供的工具。NGUI［9］是嚴格遵循“KISS原則”（所謂的“KISS”原則，是英語Keep It Simple，Stupid的縮寫，是指在設(shè)計當(dāng)中應(yīng)當(dāng)注重簡約，也有人稱之為“懶人原則”），是用C#編寫的Unity插件。NGUI提供了強大的UI系統(tǒng)和事件通知的框架。NGNI插件代碼簡潔，多數(shù)類都少于200行代碼，方便調(diào)節(jié)或擴展NGUI的功能［10］。

本系統(tǒng)中，利用NGUI插件制作系統(tǒng)導(dǎo)航欄，系統(tǒng)菜單欄、信息欄、界面交互按鈕、虛擬控制盒操作面板、演示按鈕等。

系統(tǒng)的主界面由菜單欄，信息欄，狀態(tài)欄，仿真區(qū)域，操作盒構(gòu)成。整個主界面的搭建基于Uni?ty3D提供的NGUI插件，實現(xiàn)了相機始終對著界面并且只能看到界面范圍。以機器人運動過程中顯示運動軌跡和隱藏運動軌跡為例，主要代碼如下：

void OnGUI（）｛

GUI.skin=gui.skin；

if（show）｛

if（GUI.Button（new Rect（startPoint+3*

width，0，width，height），“顯示軌跡”））

｛

show=false；

ShowLine.flag_drawline=true；

｝

//點擊按鈕，顯示軌跡，并觸發(fā)if（！show）｛

if（GUI.Button（new Rect（startPoint+3*

width，0，width，height），“隱藏軌跡”））

｛

show=true；

ShowLine.flag_drawline=false；

｝

//點擊按鈕，隱藏軌跡，并觸發(fā)

3.5字幕提示、高亮顯示輔助技術(shù)

為讓使用者在使用系統(tǒng)中自由操作模塊功能時方便對機器人理論知識有清晰的理解，于是在系統(tǒng)中加入字幕和高亮顯示輔助技術(shù)，用C#語言編寫功能腳本，從而提高學(xué)習(xí)效率。本文中字幕提示要求物體要有Collider類組件，具體代碼如下：

void Start（）｛

isShowTip=false；

｝

void OnMouseEnter（）｛

isShowTip=true；

｝

//鼠標靠近時顯示

void OnMouseExit（）｛

isShowTip=false；

｝//鼠標移動開時不顯示

void OnGUI（）｛

if（isShowTip）｛

GUI.Label

（new Rect（Input.mousePosition.x，

Screen.height-Input.mousePosition.y，

100，50），“關(guān)節(jié)1，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，決定機器人手腕位置”）；

//鼠標靠近時所顯示的文字

在三維場景中機器人設(shè)備的部件能夠通過鼠標單擊觸發(fā)高亮顯示的功能，更好地體現(xiàn)了場景的交互控制。部件的高亮顯示通過鼠標單擊部件，部件輪廓顏色改變，部件輪廓高亮顯示。高亮顯示功能的實現(xiàn)主要是通過Unity外部HighlightingSystem插件來實現(xiàn)，插件主要是由C#語言編寫，以鼠標左鍵點擊觸發(fā)部件高亮為例，主要代碼如下：

new void Update（）

｛

Base.Update（）；

intval=（int）counter；

Color col=

new Clolor（GetColorValue（1020，val），

GetColorValue（0，val），GetColorValue（510，val），1f）；

//定義新的顏色值

h.ConstantOnImmediate（col）；

counter+=Time.deltaTime*speed；

counter%=period；

｝//顏色按照一定速度和周期進行變化

通過鼠標字幕提示以及部件輪廓高亮顯示功能的實現(xiàn)，使用者可以更好地對機器人設(shè)備各零部件有清晰的認識，提高認知效率，具體的效果如圖6所示。

圖6 觸發(fā)字幕提示和高亮顯示效果圖

3.6三維場景瀏覽

在系統(tǒng)中進行場景交互能夠在三維場景中對設(shè)備進行瀏覽。該系統(tǒng)對設(shè)備的瀏覽通過鼠標的操作來實現(xiàn)，鼠標的左鍵實現(xiàn)三維場景的旋轉(zhuǎn)，鼠標滾輪設(shè)置為放大和縮小。通過用C#編寫相應(yīng)的腳本，能夠設(shè)計沿著不同的軸轉(zhuǎn)動的增量速度，以及相機拉近拉遠的速度和最大最小速度的限制，滿足不同使用者的操作需求。

以左鍵旋轉(zhuǎn)為例子，部分代碼如下：

if（Input.GetMouseButton（0））

｛//點擊鼠標左鍵控制旋轉(zhuǎn)屏幕

｛floatrotationX=

transform.localEulerAngles.y+

Input.GetAxis（“MouseX”）*

sensitivityX；

//設(shè)置X軸的轉(zhuǎn)動后新的歐拉角值，輸入量×增量速度；

rotation+=Input.GetAxis（“Mouse Y”）*

sensitivity；

//設(shè)置Y軸的轉(zhuǎn)動后新的角度值，輸入量×增量速度；

rotationY=

Mathf.Clamp（rotation，minimum，maximum）

//Y軸的角度通過Mathf類計算，并限定最小值和最大值的范圍；

transform.localEulerAngles=

new Vector3（-rotationY，rotationX，0）；｝

｝//用Vector 3，設(shè)置新的旋轉(zhuǎn)角度；

4系統(tǒng)效果展示

基于Unity3D的工業(yè)機器人虛擬教學(xué)系統(tǒng)包括了基礎(chǔ)知識、仿真演示、自定義程序、坐標系設(shè)置、構(gòu)件認知、虛擬操作六個模塊。系統(tǒng)的效果及部分功能模塊如圖7和圖8所示。

圖7 主界面效果

圖8 虛擬運動仿真過程

其中，基礎(chǔ)知識是對六軸工業(yè)機器人的簡單三維展示，并可以通過滾動鼠標滾輪實現(xiàn)放大和縮小，并配有文字說明。仿真演示是模擬工業(yè)機器人夾持工件從起始位置放置到目標位置的過程，可以選擇顯示運動軌跡或者隱藏運動軌跡，讓使用者了解工業(yè)機器人作業(yè)的運動過程。自定義程序可以讓使用者通過機器人編程語言學(xué)習(xí)編寫簡單程序并載入，對機器人編程語言有初步的了解。坐標系設(shè)置讓使用者可以設(shè)置不同坐標系的位置，在不同的坐標系下通過觀察機器人的運動并理解不同坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，包括關(guān)節(jié)坐標系，用戶坐標系，工具坐標系。構(gòu)件認知是當(dāng)使用時將鼠標放到機器人不同關(guān)節(jié)部件時通過字幕提示和輪廓高亮顯示讓使用者對每個關(guān)節(jié)部件有更好的認知和理解。虛擬操作是使用者通過ControlBox虛擬操作面板控制機器人各個關(guān)節(jié)的運動，通過選擇連續(xù)操作或者單段操作按鈕以及調(diào)整每個關(guān)節(jié)的運動速度來實現(xiàn)對機器人運動過程和運動原理有更加清晰掌握的目的，運動過程中會實時顯示機器人的空間位姿值、各個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度值、不同坐標系的位置值。系統(tǒng)菜單欄后面還包括對已選擇操作狀態(tài)的顯示，具體有：選擇的坐標系、運動速度的大小、用戶的登錄、單端操作還是連續(xù)操作、恢復(fù)初始位姿。

5結(jié)語

本文對基于Unity3D的工業(yè)機器人虛擬操作系統(tǒng)做了細致的研究。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)機器人設(shè)備的教學(xué)操作中，借助Unity3D強大的引擎功能，建立用戶與系統(tǒng)之間的聯(lián)系，突破了傳統(tǒng)的理論教學(xué)，視頻培訓(xùn)等方式。通過對交互界面設(shè)計，字幕協(xié)同技術(shù)，三維場景交互操作等進行研究，開發(fā)出界面簡潔、上手簡單、操作友好的操作教學(xué)系統(tǒng)。通過對不同模塊的學(xué)習(xí)，達到了理論學(xué)習(xí)與實踐操作的并用，實現(xiàn)對設(shè)備的全面認知和學(xué)習(xí)。因Unity3D的可跨平臺性強，使用者可以在移動手機端，計算機平臺端，任何時間和地點進行理論學(xué)習(xí)和虛擬操作練習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)效率。本系統(tǒng)的研究不僅為工業(yè)機器人設(shè)備教學(xué)開辟了新的方向也為其他虛擬現(xiàn)實項目的開發(fā)提供了一定的參考價值，具備應(yīng)用價值。

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Research and Implementation of IndustrialRobot Virtual Operating System Based on Unity3D

LIU Yuxuan
（Schoolof Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006）

Because of the currentrobot-related courses opened in various types of institutions for students，there is a danger ofmisoperation when the solid robotis operated and the single form ofteaching software withoutinteractive module and no image.In this paper，Unity3D is the developmentplatform，using the 3Ds Max and PhotoShop software to complete 3D scene modeling，realiz?ing the virtual operation teaching of industrial robot equipmentby interface interaction technology with C#language.For the user to provide a good environmentofhuman-computer interaction and learn robotknowledge in advance.So as to improve the teaching effi?ciency ofindustrialrobotand the quality ofeducation and training to make certain contributions.

industrialrobot，Unity3D，virtualoperating，interactive design

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.08.033

2017年2月3日，

2017年3月21日

劉宇軒，男，碩士研究生，研究方向：虛擬現(xiàn)實，工業(yè)機器人。