毛芳芳，朱仁义

基于虚拟现实的工业机器人路径跟踪控制仿真

毛芳芳1，朱仁义2

（1.阜阳职业技术学院 工程科技学院，安徽 阜阳 236031；2.巢湖学院 电子工程学院，安徽 巢湖 238000）

在机器人路径仿真跟踪的仿真过程中，由于对机器人模型运动角度控制不当，时常出现路径控制仿真结果与既定路径不符的情况。为此，将虚拟现实技术应用到工业机器人路径跟踪控制仿真中。根据工业机器人动力学与运动学分析结果，在选定的虚拟现实软件中构建机器人3D运动模型以及控制环境模型。采用虚拟运动轨迹计算公式，完成机器人路径跟踪模拟控制算法的设计。通过此公式计算结果，监督机器人模型路径跟踪过程，实现对机器人运动角度的控制。至此，基于虚拟现实的工业机器人路径跟踪控制仿真方法设计完成。构建仿真实验环节，通过与其他两种方法对比可知，此方法的路径控制仿真结果与既定路径一致。综上所述，使用虚拟现实技术可有效弥补原有仿真方法的不足。

联合仿真；路径跟踪；工业机器人；虚拟控制

近年来，工业机器人的使用范围逐步扩大，工业机器人的需求量爆炸式增长。工业机器人是一种可进行仿真操作的可多次编程的在三维空间中完成多种高难作业的自动化生产设备，其主要使用范围为批量化生产的厂房以及多品种产品的生产环境[1-2]。工业机器人是工业自动化的主要推动力之一。随着其更深更广方向的发展以及其智能化水平的提升，工业机器人的应用范围不断扩大。

目前，随着机器人研究的不断深入，工业机器人制造业也得到不断发展，工业机器人路径跟踪技术作为机器人设计以及机器人安全性研究的重要组成部分之一[3]。就目前的研究水平，多采用对其进行仿真的形式，展开对路径跟踪控制研究。工业机器人路径跟踪控制仿真，在工业机器人的研制、设计、开发中发挥着重要的作用。传统研究方法中涉及到机器人运动学、动力学、轨迹规划以及控制算法部分[4-5]，通过这几部分的有机结合，模拟机器人的控制状态，但是传统的工业机器人路径跟踪控制仿真方法对于机器人的运动角度控制能力较差，因此，在此次研究中采用虚拟现实技术，增加对控制环境的仿真，并根据此设计结果实现对机器人运动角度的模拟。根据机器人的使用特征，选用合适的虚拟现实软件完成此工作。在此次研究结束后，通过对比测试，得到研究中设计方法的使用效果，证实仿真方法设计的有效性。

1 基于虚拟现实的工业机器人路径跟踪控制仿真方法设计

1.1 工业机器人运动分析

根据工业机器人的设计结构，在机器人运动分析的过程中，将其分为运动学与动力学两部分[6-7]。通过对机器人驱动模式的研究，将机器人的运行结构设定为如下。

图1 工业机器人结构简图

通过上述机器的运动学模型，整理可得工业机器人的动力方程，具体如下所示：

通过式(5)对机器人动力学方程进行控制，并得到机器人动力学分析公式：

1.2 工业机器人及控制环境3D建模

在此次设计中，采用3DS MAX软件[11-12]结合虚拟现实技术，在Virtools虚拟现实软件中构建工业机器人以及其路径跟踪控制环境的3D模型，作为机器人路径跟踪控制的实现平台。在运动场景构建中需要设计的内容较多，采用图2中的设计内容完成设计过程。

图2 虚拟控制场景模型构建结果

将上述设计的运动场景，作为工业机器人的运动环境，并构建工业机器人虚拟模型。使用机器人运动分析结果，获取模型构建数据，通过SolidWorks模块[13]构建机器人几何模型，调整场景坐标。调整机器人模型的纹理及着色，设定正确运动方式。根据机器人属性，设定脚本代码，完成机器人模型构建。在模型构建的过程中，对机器人的运动关节展开详细的处理，为保证3D模型构建的准确性，将机器人的关键数据通过数据库的形式存储，具体数据包括机器人喷绘参数、机器人喷涂工件参数、机器人模型参数、机器人运动特征参数。机器人运动脚本编写采用C++中的ADO技术访问数据库，此技术具有易于操作、速度快、内存支出少的优点，且此技术可用于数据库访问，提升数据获取的有效性。

1.3 实现机器人路径跟踪控制模拟

以上述设计完成的工业机器人及运动环境3D模型作为路径跟踪仿真控制的基础。设计机器人路径跟踪控制算法，实现在虚拟现实软件中的机器人路径跟踪控制。

在虚拟现实软件Virtools中，以机器人的3D模型中心坐标为原始运动端点，通过输入设备将机器人控制命令和观察者在空间中的位置信号输入给模拟器，并对其进行处理，生成实际机器人控制器，执行相应命令和动作，计算机器人在虚拟空间中的运动轨迹，形成连续的运动曲线。将此曲线与额定的运动曲线方向角差值进行对比，可达到工业机器人的运动方向异常数据，并通过此数据跟踪机器人的移动变化角度，完成以虚拟现实技术为基础的机器人模型的路径跟踪控制。

将此变量输入到数字控制算法中，则模拟控制算法的控制规律可表示为

2 仿真实验

通过上述部分，完成基于虚拟现实的工业机器人路径跟踪控制仿真方法设计，为验证此方法的有效性，采用与原有方法对比的形式，完成验证过程。

2.1 实验环境设定

在此次实验中，使用虚拟现实VR-Platform仿真平台对机器人以及其活动环境进行仿真，设定额定的工业机器人运动路径，并使用文中设计方法以及原有的仿真方法对路径控制过程进行仿真，对比仿真后的路径与额定路径之间的差异。机器人额定路径如图3所示。

为提升实验结果的可靠性，除上述设定的路径对比外，增加机器人运动角度仿真效果，提升实验结果的可靠性。在额定的机器人运动路线中，共经过4个障碍物，其运动的角度如图4所示。

在此次实验中，通过仿真结果与上述设定结果对比形式，完成实验过程，并对比文中设计方法与原有仿真方法的使用差异。

图3 额定工业机器人运动路径

图4 机器人运动角度设定结果

2.2 路线仿真实验结果分析

通过上述实验结果可以看出，文中设计方法的仿真能力好，对机器人的运动角度控制能力较强，使用此方法获取到的路线控制结果与预设的运行路径一致（图5）。传统方法1的仿真结果与预设路线差异较小，传统方法2的仿真效果最差，并未经过预设的障碍物。与上述两种方法对比可知，文中设计方法的使用后得到的效果最佳。

图5 运动路径模拟结果

2.3 机器人运动角度实验结果分析

通过上述结果可知，对机器人运动角度进行仿真时，本文方法的仿真效果最佳，其与预设结果角度相同（图6）。传统方法1与传统方法2的仿真结果与预设运动角度出入较大，将其部分实验结果与上文中的路线仿真实验结果相结合可知，文中设计方法是3种方法对于机器人运动具有最佳仿真能力的方法。因而，在日后的工业机器人控制中，应增加此方法的使用范围。

图6 机器人运动角度模拟结果

3 结束语

本文根据机器人运动学相关理论，对机器人的运动控制进行仿真。使用虚拟现实技术，提升了对机器人控制环境的处理能力。通过研究可知，在传统的仿真方法中增加虚拟现实技术，可有效完善原有方法在使用中的不足。在日后的研究中，应将此方法广泛的使用于机器人的研究之中。

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Simulation of path tracking control of industrial robot based on virtual reality

MAO Fang-fang1，ZHU Ren-yi2

(1.Fuyang Institute of Technology, Institute of Technology, Anhui Fuyang 236031, China;2.School of Electronic Engineering, Chaohu University, Anhui Chaohu 238000, China)

In the simulation process of robot path simulation and tracking, due to improper control of robot model motion angle, path control simulation results often do not conform to the given path. Aiming at the problem, virtual reality technology is applied to the simulation of path tracking control of industrial robot. According to the analysis results of dynamics and kinematics of industrial robot, the 3D motion model and control environment model of robot are built in the selected virtual reality software. The simulation control algorithm of robot path tracking is designed by using the calculation formula of virtual motion path. Through the calculation results of this formula, the robot model path tracking process is supervised, and the robot motion angle is controlled. So far, the simulation method of industrial robot path tracking control based on virtual reality has been designed. By comparing with the other two methods, the simulation results of path control of this method are consistent with the established path. To sum up, using virtual reality technology can effectively make up for the shortcomings of the original simulation methods.

joint simulation；path tracking；industrial robot；virtual control

2020-09-05

毛芳芳（1986-），女，安徽宿州人，讲师，硕士，主要从事控制理论与控制工程应用研究，maofangfang2009@163.com。

TP273;TP242.2

A

1007-984X(2021)01-0011-05