高國雪，高　輝，焦向東，周燦豐，王　龍

(北京石油化工學(xué)院 深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 能源工程先進(jìn)連接技術(shù)研究中心，北京　102617)

0　引言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了快速的發(fā)展與完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，包括航空航天、科學(xué)研究、醫(yī)療衛(wèi)生、教育培訓(xùn)、軍事仿真、工程制造等領(lǐng)域[1]。針對(duì)于復(fù)雜、惡劣環(huán)境下的焊接作業(yè)，如盾構(gòu)機(jī)的刀盤維修、核電設(shè)備的檢修和維護(hù)等，對(duì)作業(yè)人員而言，存在極大的危險(xiǎn)性。如果利用機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的焊接作業(yè)，那么就可以大幅度提高作業(yè)人員的安全保障水平。但是由于工作環(huán)境和任務(wù)的復(fù)雜性，完全自動(dòng)化的焊接機(jī)器人有時(shí)難以勝任相應(yīng)的工作[2]。因此，將遠(yuǎn)程操作機(jī)器人與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合起來，不但可以實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人的有效作業(yè)，還能降低操作人員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，故而得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注和研究。

國外對(duì)于遠(yuǎn)程操作機(jī)器人與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究起步較早。上世紀(jì)50年代，美國原子能委員會(huì)研究所研發(fā)了主、從機(jī)械手[3]；美國人R Goertz首次研發(fā)出帶有伺服技術(shù)的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人系統(tǒng)。90年代以后，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，美國的加南洲大學(xué)開發(fā)了基于Internet來控制機(jī)械手的Mercury項(xiàng)目，來完成文物挖掘的模擬；西澳大利亞大學(xué)的Ken Taylor和James Trevenlyen兩人通過Internet技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人手臂抓取和移動(dòng)物體的功能，并將機(jī)器人的位置與周圍環(huán)境通過四臺(tái)攝像機(jī)傳送給遠(yuǎn)程用戶[4]；美國宇航局NASA實(shí)驗(yàn)室利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行仿真，用于對(duì)操作人員的訓(xùn)練[5]。

國內(nèi)對(duì)這方面應(yīng)用的研究起步較晚。1993年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建立了主從式遙控機(jī)器人焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的焊接過程由操作人員通過主機(jī)器人進(jìn)行操控[6]；北京航空航天大學(xué)開發(fā)了分布式虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)與運(yùn)行支撐環(huán)境-DVENET，并基于該環(huán)境開發(fā)了一系列用于軍事演練系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)程序；沈陽自動(dòng)化研究所開發(fā)了基于人機(jī)交互的水下機(jī)器人遙操作系統(tǒng)[7]。

綜上所述，遠(yuǎn)程操作機(jī)器人與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究取得了一些具有重大意義的成果。由此可見，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)的研究，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程制造中較好的應(yīng)用。Unity 3D引擎是由Unity Technologies公司開發(fā)的能夠支持多平臺(tái)發(fā)布的專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，其功能強(qiáng)大，具有很強(qiáng)的交互性，且自帶物理引擎，使得開發(fā)周期大幅度縮短[8]。因此，本文選用Unity 3D平臺(tái)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究。

本文研究的技術(shù)路線如圖1所示。主要內(nèi)容是以一個(gè)6自由度的關(guān)節(jié)型焊接機(jī)器人為研究對(duì)象，在Solidworks和3ds Max環(huán)境下完成了機(jī)器人的三維建模及優(yōu)化處理，然后導(dǎo)入到Unity 3D軟件開發(fā)平臺(tái)，通過人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真功能，此外，還增加了虛擬機(jī)器人與實(shí)際機(jī)器人的同步及臨場(chǎng)感功能、防碰撞檢測(cè)功能。為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)制造方面的應(yīng)用提供了重要參考。

圖1　本文研究的技術(shù)路線圖

1　三維建模及優(yōu)化處理

本文研究的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是基于Unity 3D平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)的，而Unity 3D本身具有非常簡(jiǎn)單的建模功能，該功能只能創(chuàng)建立方體、球體、膠囊體、圓柱體等簡(jiǎn)單基本幾何體，無法構(gòu)造精確的幾何和裝配模型，也無法精確表達(dá)真實(shí)機(jī)器人的位姿。在工程領(lǐng)域內(nèi)，常用的三維建模軟件有Autodesk Inventor、SolidWorks、UG 等。本文采用SolidWorks作為三維建模的平臺(tái)，但由于其光照、渲染等功能較差，真實(shí)性模擬相對(duì)較弱，且能夠輸出的模型文件格式不能被Unity 3D直接使用，故需要采用3ds Max軟件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化，并將模型轉(zhuǎn)化為.FBX文件格式，以供Unity 3D環(huán)境使用[9]。如圖2所示，是在Unity 3D中可以使用的機(jī)器人三維模型創(chuàng)建流程圖。

圖2　機(jī)器人三維模型創(chuàng)建流程圖

由于本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要在Unity 3D環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，因此，不能對(duì)機(jī)器人進(jìn)行整體建模，應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的自由度及運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行局部建模。針對(duì)該6自由度焊接機(jī)器人而言，將其拆分為7部分，包括基座、腰部、大臂、小臂、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、手腕、工裝法蘭與焊槍。在SolidWorks中分別對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行建模，并經(jīng)3ds MAX進(jìn)行優(yōu)化處理，最后導(dǎo)入至Unity 3D中，對(duì)相應(yīng)的關(guān)節(jié)進(jìn)行材質(zhì)添加及調(diào)整。需要注意的是，為了保證模型在三個(gè)軟件平臺(tái)中的尺寸以及比例的一致性，需將SolidWorks以及3ds MAX中的系統(tǒng)單位均設(shè)置為厘米，這樣導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D的模型才會(huì)與SolidWorks中原始創(chuàng)建的模型一致，從而方便對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

2　模型及場(chǎng)景加載

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括虛擬機(jī)器人和虛擬環(huán)境兩部分，虛擬環(huán)境又包括光照、工作平臺(tái)和待焊工件。如圖3所示，將.FBX模型文件加載至Unity 3D，在Project目錄下可以看到模型文件。這些模型文件可以被加載至場(chǎng)景中，然后，通過Unity 3D所支持的語言腳本來控制它們的運(yùn)動(dòng)。

圖3　Project目錄下的模型文件

為了使場(chǎng)景更具有真實(shí)感，需要添加光源，添加完光源的物體會(huì)出現(xiàn)陰影、反射等真實(shí)世界中的現(xiàn)象[10-11]。本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)使用平行光源照亮場(chǎng)景中的機(jī)器人，如圖4所示，是6自由度焊接機(jī)器人在場(chǎng)景預(yù)覽下的模型文件，可以明顯看到產(chǎn)生的陰影和反射現(xiàn)象，此外，還添加Plane作為地面，并賦予其材質(zhì)屬性。

圖4　Unity 3D場(chǎng)景預(yù)覽下的機(jī)器人

在實(shí)際機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)具有層級(jí)關(guān)系。當(dāng)機(jī)器人基座運(yùn)動(dòng)時(shí)，基座以上的腰部、大臂、小臂、手腕等關(guān)節(jié)都會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)；當(dāng)機(jī)器人腰部運(yùn)動(dòng)時(shí)，腰部以上的大臂、小臂、手腕等關(guān)節(jié)都隨之運(yùn)動(dòng)，而基座靜止。同理，虛擬機(jī)器人也具備這個(gè)特點(diǎn)，其在Unity 3D環(huán)境下的層級(jí)關(guān)系如圖5所示。上一層對(duì)象是下一層對(duì)象的父物體，下一層對(duì)象是上一層對(duì)象的子物體[12]。子物體跟隨父物體運(yùn)動(dòng)，即子物體繼承父物體，但子物體自己的運(yùn)動(dòng)不會(huì)影響父物體，即父物體不會(huì)繼承子物體。父物體的子物體的子物體，也是該父物體的子物體，如機(jī)器人的腰部是手臂的父物體，手臂又是手腕的父物體，那么腰部也是手腕的父物體。

圖5　Unity 3D中機(jī)器人的層級(jí)關(guān)系圖

3　人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

人機(jī)界面的設(shè)計(jì)以及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真，需要對(duì)其進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。Unity 3D支持C#、Java和Boo這3種語言的編程，均是基于.NET平臺(tái)開發(fā)運(yùn)行。本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用C#語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)[13]，IDE(集成開發(fā)環(huán)境)選用Microsoft Visual Studio 2013，也可以使用Unity自帶的MonoDevelop[14]，如圖6所示。程序中的人機(jī)界面采用Unity 3D自帶的插件NGUI進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，可以提高人機(jī)界面的開發(fā)效率。

圖6　IDE選擇界面

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，虛擬機(jī)器人模型可以給操作人員反饋機(jī)器人的位置與姿態(tài)，而人機(jī)交互界面負(fù)責(zé)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息的反饋以及機(jī)器人的控制。如圖7所示，人機(jī)交互界面的功能包括通信狀態(tài)，工作信息，關(guān)節(jié)速度顯示，攝像機(jī)視角和機(jī)器人控制。通信狀態(tài)是用來判斷與實(shí)際機(jī)器人的通訊是否成功；工作信息分為任務(wù)名稱和工作模式；關(guān)節(jié)速度顯示是將機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的瞬時(shí)速度顯示出來；攝像機(jī)視角用來觀察虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的機(jī)器人及周圍環(huán)境，包括自由移動(dòng)的虛擬攝像機(jī)和附著在機(jī)器人焊槍工裝上的虛擬攝像機(jī)；機(jī)器人控制設(shè)置了急停與恢復(fù)功能，程序中采用兩個(gè)Button進(jìn)行控制。通過編寫簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制代碼并掛載于場(chǎng)景中的物體上，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

圖7　人機(jī)交互界面的功能

如圖8所示，將實(shí)際機(jī)器人的控制程序按照TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，然后把與機(jī)器人通信的客戶端代碼編譯為DLL文件，再由Unity 3D的虛擬現(xiàn)實(shí)程序進(jìn)行調(diào)用，可以得到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息。利用所得的機(jī)器人的數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制以及對(duì)人機(jī)交互界面內(nèi)容的管理，操作人員可以通過人機(jī)界面給機(jī)器人發(fā)送指令，并實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息。如圖9所示，是某一瞬時(shí)狀態(tài)下該焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真圖，從GUI界面可以看到實(shí)時(shí)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息。

圖8　Unity 3D中獲得機(jī)器人數(shù)據(jù)的方案

圖9　焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真圖

GUI界面及運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)表明，通過程序設(shè)計(jì)和通信功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，并能夠在GUI界面實(shí)時(shí)反饋機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息，滿足了對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的要求，為降低焊接過程中操作人員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)提供了依據(jù)。

4　同步功能與臨場(chǎng)感的實(shí)現(xiàn)

虛擬機(jī)器人想要與實(shí)際機(jī)器人實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，需要程序始終與實(shí)際機(jī)器人的控制程序進(jìn)行通信，通過通信獲得的所需數(shù)據(jù)，對(duì)虛擬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行每一幀更新。

在Unity的生命周期中不斷更新的函數(shù)包括Update()、FixedUpdate() 和LateUpdate()。Update函數(shù)的調(diào)用頻率與設(shè)備的性能和渲染的復(fù)雜程度有關(guān)，在不同的設(shè)備上其執(zhí)行間隔也不同，當(dāng)設(shè)備性能較高、渲染較為簡(jiǎn)單時(shí)，Update函數(shù)的執(zhí)行間隔較小，反之較高；FixedUpdate函數(shù)是在固定的時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)行，不會(huì)受到計(jì)算機(jī)性能的影響，且其運(yùn)行時(shí)間間隔是可更改的；LateUpdate函數(shù)與Update函數(shù)相似，不同的是LateUpdate函數(shù)會(huì)在Update函數(shù)執(zhí)行完畢后再運(yùn)行。因此，綜合考慮，本程序?qū)⒏绿摂M機(jī)器人的相關(guān)方法都放在FixedUpdate函數(shù)中。

在三維空間中，描述一個(gè)物體的位置與姿態(tài)需要x，y，z三個(gè)坐標(biāo)軸的位移量以及圍繞三個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)量。根據(jù)該焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，每個(gè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)都是圍繞一個(gè)固定的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。因此，只要在保證虛擬機(jī)器人關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系正確的情況下，同步圍繞該固定軸的旋轉(zhuǎn)量，就可以實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)器人關(guān)節(jié)與實(shí)際機(jī)器人關(guān)節(jié)的同步。本程序使用Transform類自帶的旋轉(zhuǎn)成員方法Rotate函數(shù)來實(shí)現(xiàn)模型旋轉(zhuǎn)[15]。

如圖10所示，是虛擬機(jī)器人與實(shí)際機(jī)器人在某一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的位姿對(duì)比圖。從圖中可以看出，虛擬場(chǎng)景中的機(jī)器人、焊槍與實(shí)際環(huán)境中的位姿完全相同，即虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)視程序可以將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)如實(shí)重現(xiàn)，表明本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具備同步功能。

圖10　虛擬機(jī)器人與真實(shí)機(jī)器人位姿對(duì)比圖

此外，機(jī)器人、變位機(jī)、焊接工件等三維模型與實(shí)際對(duì)象均是1:1的真實(shí)尺寸，而且可以通過移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作功能從不同視角對(duì)虛擬機(jī)器人進(jìn)行觀察，使操作人員能夠直接觀察到焊接機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[16]，表明本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具備較好的臨場(chǎng)感。

5　碰撞檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)

碰撞檢測(cè)功能在本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中是非常重要的技術(shù)。在本系統(tǒng)中，機(jī)器人與障礙物和待焊工件之間的碰撞檢測(cè)功能，是操作人員能夠遠(yuǎn)程避免碰撞，順利完成焊接任務(wù)的基礎(chǔ)。

本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的碰撞檢測(cè)算法采用層次包圍盒算法[17]。其功能實(shí)現(xiàn)主要有兩個(gè)要點(diǎn)：其一，當(dāng)機(jī)器人與環(huán)境物體之間的距離小于一定值時(shí)改變機(jī)器人模型的顏色為黃色，將該距離作為最小檢測(cè)距離，設(shè)置最小距離包圍盒；其二，當(dāng)機(jī)器人與環(huán)境物體之間發(fā)生碰撞時(shí)，停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)并改變機(jī)器人模型的顏色為紅色，此時(shí)設(shè)置的是緊貼物體的碰撞包圍盒。

在Unity 3D中，當(dāng)包圍盒發(fā)生相交、處于相交狀態(tài)和相交狀態(tài)取消時(shí)，會(huì)分別調(diào)用OnTriggerEnter()、OnTriggerStay()、OnTriggerExit()三個(gè)函數(shù)[18]，將碰撞時(shí)所要執(zhí)行的邏輯分別加入到這三個(gè)函數(shù)中，從而實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)功能。如圖11所示，由于焊槍與待焊工件的位置很近，程序中的碰撞檢測(cè)功能檢測(cè)到這個(gè)現(xiàn)象，將虛擬場(chǎng)景中的焊槍顏色變?yōu)辄S色，從而對(duì)操作人進(jìn)行提醒，避免事故的發(fā)生，這表明本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具備防碰撞功能。

圖11　虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的防碰撞功能

6　結(jié)束語

本文主要對(duì)一個(gè)六自由度關(guān)節(jié)型焊接機(jī)器人進(jìn)行了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，通過對(duì)其進(jìn)行SolidWorks三維建模以及3ds MAX優(yōu)化處理，實(shí)現(xiàn)了基于Unity 3D引擎、使用C#語言開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，實(shí)時(shí)的虛擬仿真與監(jiān)控技術(shù)將成為主要的發(fā)展趨勢(shì)。一般而言，焊接作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境較為復(fù)雜，且操作人員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大，因此，焊接機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，對(duì)焊接機(jī)器人作業(yè)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控具有重要的參考價(jià)值。

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(編輯李秀敏)