物流机器人虚拟仿真系统设计

2021-03-22薛董睿张南

河南科技 2021年25期

薛董睿　张南

摘要：以智能搬运机器人为例介绍物流机器人，系统阐述物流机器人的工作方式，并以系统建模结合虚拟现实的技术，对智能机器人的工作原理、外部形状以及工作工序进行系统化仿真设计。采用虚拟现实技术对物流机器人进行仿真模拟，有助于相关人员了解物流机器人，推进物流工作高效进行。同时，通过物流机器人虚拟仿真系统设计可完善物流机器人技术，降低物流行业运营成本，使物流行业工作更加专业化，从而更好地服务于消费者。

关键词：虚拟现实（VR）技术;物流管理;物流机器人;虚拟仿真

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）25-0011-05

Design of Virtual Simulation System for Logistics Robot

XUE Dongrui ZHANG Nan

（Liaoning University of International Business and Economics， Dalian Liaoning 116052）

Abstract： Taking the intelligent handling robot as an example， this paper introduces the logistics robot， systematically expounds the working mode of the logistics robot， and systematically simulates and designs the working principle， external shape and working procedure of the intelligent robot with system modeling and virtual reality technology. Using virtual reality technology to simulate the logistics robot is helpful for relevant personnel to understand the logistics robot and promote the efficient logistics work. At the same time， the design of logistics robot virtual simulation system can improve logistics robot technology， reduce the operation cost of logistics industry， make the work of logistics industry more professional， and better serve consumers.

Keywords： Virtual Reality（VR） technology;logistics management;logistics robot;virtual reality

近年来，伴随着电子商务行业的快速发展，我国物流行业得到了迅速发展，物流行业的发展促进了物流行业设施设备的进步。在此背景下，物流机器人衍生出许多次生分支，如搬运机器人、装卸机器人及巡检机器人等。对物流机器人进行虚拟仿真模拟，可以让使用者更加了解物流机器人的工作原理，从而提升物流机器人在物流工作中的效率[1]。虚拟现实技术在近几年迅速升温，得到了越来越多的认可。用户在使用时可以在虚拟现实世界中体验无限接近于真实的感受。虚拟现实技术模拟的虚拟环境与现实世界环境大同小异，让体验者有种身临其境的感觉。不仅如此，在虚拟现实中，体验者还可以模拟一切人类所拥有的感知功能。使用者在操作过程中可以随意操作并且得到环境所带来的真实反馈。虚拟现实技术所特有的存在性、多感知性及交互性等特征使其受到了众多人的喜爱。将虚拟现实技术应用在物流机器人模拟方面，会让体验者以第一视角感受物流各流程，全面了解物流工作的过程，甚至发现现有物流机器人的不足，进而推动物流行业机器人的不断完善与发展。

1 虚拟现实技术

1980年，美国的杰伦·拉尼尔首次提出虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）。它是以计算机的功能为载体，为体验者提供模拟现实的一种新型传感仿真技术。以虚拟现实技术为基礎可衍生出各类控制设备，以在模拟的现实中进行交互[2]。

VR技术对于各项工业仿真模拟都有很高的适用性，而对于物流类机器人的应用主要体现在实景模拟和流程模拟两个方面。实景模拟体现在物流各环节的工作环境模拟与工作机械模拟上，如智能搬运机器人的模拟、仓库区域划分模拟等[3]。实景模拟很大程度上依赖于流程。仓库的划分与各类工作物流机器的位置都需要为流程服务，流程模拟贯穿整套模拟系统。随着信息类技术及计算机硬件与软件的发展，虚拟现实技术为实现各种目的而诞生的产品和虚拟现实的各种载体设备，已经广泛应用于人们的日常工作和生活中。虚拟现实技术产品的开发、利用虚拟现实技术及虚拟现实技术内在理论方面的研究，已成为社会各界热议的话题。通过佩戴虚拟现实的各种设备，体验者可以尽情沉浸在虚拟世界中[4]。

当前，常见的VR展示系统主要分为桌面VR系统、沉浸式VR系统和分布式VR系统3类[5]。在这3种系统中，桌面VR系统是比较初级的VR，沉浸感较差，但对硬件设备要求低、成本低，应用比较普遍，主要用于教学演示。沉浸式VR系统是一种理想的VR系统，对设备要求很高，价格较为昂贵，用户需要通过佩戴一些外部设备进入模拟虚拟现实的环境[6]。分布式VR系统需要结合网络技术，通过网络将不同地方的用户连接起来共享同一个虚拟环境，这种系统对网络有很高要求，特别是对中心服务器的需求程度极高。

2 物流搬运机器人虚拟仿真

近几年，世界范围内，人工智能行业在高速发展，许多发达国家的发展重点都在机器人行业。如今，物流机器人迎来了良好的发展机遇，我国接连出台了众多以扶持机器人产业发展为目的的政策[7]。同时，物流行业的需求也在快速增加。物流机器人产业正处在时代发展的风口浪尖，各种各样的物流机器人在各大物流领域普及应用。随着各项科学技术不断取得进步，工业生产能力不断提升，企业的生产规模持续扩大，工业生产的机械自动化水平不断提高，在搬运机器人的生产效率、作业速度、故障诊断与处理能力、安全稳定性等不断完善的同时，开发新型机器人的难度与成本也在不断降低。这得益于国家不断完善的相关政策與持续加大的科研投入，以及机器人产业及相关企业的努力探索，包括搬运机器人在内的多种机器人技术取得了长足发展。在该背景下，搬运机器人被广泛应用于生产生活，并在应用与推广中进一步促进了各类工业尤其是物流业搬运机器人的完善与成熟。如今搬运机器人以智能搬运机器人为原型，仿真设计较为智能化的搬运机器人，并结合VR技术进行研究设计[8]。

智能搬运机器人为社会生产力的提升提供了契机[9]，不仅提高了各类生产行业及物流行业的工作效率，还极大地减少了人工作业量，缩短了工作时间。此外，智能化工作是社会生产力突破和人类文明发展的一个基本过程。本研究中的智能搬运机器人特指应用于物流的智能化搬运机器人。在物流行业，一般对智能搬运机器人识别货物和货物存放能力要求较高。基于此，新型智能搬运机器人在普通搬运机器人的基础上增加了识别货物功能，并通过大数据计算得到适合货物的存放点位，在保证高速工作的同时实现完全自动化，从而节省人力成本[10]。

设计以智能搬运机器人为研究对象。由于智能搬运机器人可以应用于仓库工作中的入库和出库环节，又具有智能化的识别系统，因此它具有很强的自动化工作能力。智能搬运机器人应用于入库时可以在搬运货物的同时登记处理货物，同时完成信息处理与实际搬运;在出库工作中，智能搬运机器人可以在将货物搬运到出库口的同时进行货物出库报告，对仓库的智能化现代化管理具有一定的意义[11]。将智能搬运机器人与VR技术相融合的初衷是因为现代物流发展的趋势就是智能化与高效化，在VR视角下，智能机器人可以表现出高效且稳定的工作状态，将抓取、识别、分堆一气呵成，将搬运工作生动形象地展现给体验者[12]。

3 物流智能机器人仿真系统设计

3.1 设计思路

根据图1的设备参数，仿真智能搬运机器人尽可能给用户提供真实设备的视觉感受和实际物流设备操作体验，使用户达到身临其境的体验效果。通过VR设备与计算机系统的配合，将现实中真实的运输、包装、仓储、配送、装卸搬运、流通加工及信息处理等物流场景，运用VR技术进行仿真。用户可以360°自由查看该设备构造的细节，通过互动画面掌握设备的性能、使用环境及操作方法等[13]。

智能搬运机器人仿真系统的整体设计基于B/S模式，采用富客户端策略，浏览器端实现核心功能，服务器端实现数据存储，同时避免浏览器端与服务器端频繁进行数据通信，降低了系统对网络的要求。因此，本仿真系统具有无平台限制、无须安装等优点，降低了使用和维护成本。

服务器端、浏览器端与虚拟现实端共同组成了仿真系统的整体架构，如图2所示。其中，数据存储由服务器端完成，浏览器端与服务器端进行数据交互，3D绘图协议（Web Graphics Library，WebGL）可在浏览器端实现渲染三维模型的功能。通过网络虚拟现实（Web Virtual Reality，WebVR）实现浏览器与虚拟现实设备HTC Vive的连接，同时使用头戴式显示器实现虚拟现实环境中三维模型的显示，并通过配套的手柄控制器完成交互操作[14]。

3.2 设计过程

智能机器人仿真系统设计过程，如图3所示。

3.2.1 机器人及辊道模型建模。本设计采用SolidWorks三维设计软件进行机器人、辊道、货物等设备模型的造型，设备模型的尺寸与真实设备尺寸尽量保持一致。SolidWorks设备设计如图4所示。SolidWorks的最大优点是容易上手，功能比较全面，适合进行机械结构设计[15]。

3.2.2 模型数据转换。采用CrossManager软件对SolidWorks的设备模型进行转换，转换成JT格式。JT文件格式设计为一个开放、高效率、紧凑以及持久性存储的产品数据格式，用于产品可视化、协作和CAD数据共享。JT文件格式包括多方面的数据，如对曲面边界的精准表示、产品和制造业的相关信息以及元数据信息等。CrossManager软件的主要功能是将大多数的CAD格式文件进行灵活转换，是一款实用的CAD文件格式转换工具[16]。

3.2.3 机器人视觉识别及动作设置。将JT格式的三维模型文件导入到过程设计器过程模拟（Process Designer & Process Simulate，PDPS）仿真软件中，并在PDPS仿真软件中设计机器人的视觉识别系统、机械臂的动作。PDPS仿真软件能够解决工艺规划中的工艺设计、工艺规划、工艺仿真、工艺验证及供应商协作等核心问题。机器人的动作仿真设计如图5所示。

3.2.4 模型渲染。采用JavaScript编写的WebGL第三方库（Three Java Script，ThreeJS）技术渲染三维模型，使三维模型能够显示出来。

在VR模式中，渲染流程如下。

①接入Web浏览器的VR设备获取信息，完成准备工作。

②设置渲染循环。因为三维场景中每一帧显示的画面都需要根据用户的行为动态绘制，所以需要设置循环函数，不断递归调用，以实现动态更新。接入VR设备后会优先使用VR设备原生的刷新率，以达到合适的渲染帧频，实现更佳的显示效果[14]。

③动画渲染。在每一帧中，浏览器可以通过WebVR得到渲染所需的帧数据，其中包括当前帧的左右视口的投影矩阵和视图矩阵。分别设置左右相机和左右视口，并将视图、投影矩阵赋值给左右相机，然后传入着色器。着色器分两次在左右视口中进行绘制，得到左右眼的渲染图像，再通过WebVR将图像发送至HTC Vive（由HTC与Valve联合开发的一款虚拟现实头戴式显示器）中显示出来。

3.3 系统运行

考虑到系统要适用于所有的用户（接入VR设备的用户以及不接入VR设备的用户），因此仿真系统采用桌面VR系统和沉浸式VR系统两种方式共同显示。

3.3.1 桌面VR系统模式。Web端利用WebGL渲染仿真模型，渲染的结果显示在二维屏幕上;随后检测其是否接入VR设备，如果没有设备接入，则使用普通模型显示。普通显示的效果如圖6、图7和图8所示。

3.3.2 沉浸式VR系统模式。沉浸式VR模式中物体的显示与普通模式有很大区别。双屏渲染WebVR场景中的三维模型，根据瞳距等信息分别设置左右两个相机，再根据左右相机的视图矩阵和投影矩阵绘制图像。根据用户的头戴式显示设备的状态信息确定WebVR场景相机的方向、位置等参数。因此，WebVR场景的相机随着用户的现实视角发生变化[14]，如图9所示。

4 物流智能机器人仿真系统应用

4.1 多行业应用

物流智能机器人的仿真系统可应用于工业生产、教学活动或者日常生活等领域。在工业生产中应用物流智能机器人的仿真系统，可以提高生产效率，同时可以减少工业生产中出现意外事件的概率，保证工业生产高效进行。在教学活动中应用物流智能机器人的仿真系统，主要体现在课程教学、课外拓展或创新活动等方面，其应用有助于开展教学活动，提高学生的学习积极性，增强学生对专业知识的理解和应用，让学生能够在学习过程中做到学以致用[17]。在日常生活中物流机器人也可大展拳脚，在一些大城市的日常生活中已经可以看到各式各样的机器人，其中物流机器人也不在少数。快递机器人可以将快递送到购买者的手中，餐厅中的送饭机器人可将后厨做好的饭菜送到指定桌位。在仿真系统中，体验者可以切身体验这些服务型智能机器人带来的便捷，同时通过仿真模拟机器人的行动发现机器人的可优化点。

4.2 多场景应用

无论是在工业生产、教学活动还是日常生活中，物流智能机器人的工作离不开物流行业的全面智能化。物流智能机器人的运行需要依托于仓库的数据进行实时传递，而仓库开展物流工作需要物流智能机器人进行操作。因此，物流智能机器人仿真系统需要以数据信息为依托，呈现物流智能机器人的全面功能[18]。

物流智能机器人的工作可借助立体仓库仿真数据可视化和生产看板数据可视化，整体了解到当前的取料送料任务、库存信息数据、库存使用率、物料存放时长以及立体仓库3D实时运行等信息[19]。库存信息可视化通过数字孪生模型选择某一个库位后，能够看到当前库位物料的具体信息，包括物料号、物料信息、入库时间以及订单号等。配送设备信息可视化，点击相应的配送设备，即可看到当前配送设备的信息，包括设备信息、订单信息以及物料信息等[20]。

5 结语

本设计实现了虚拟现实环境中智能搬运机器人的仿真，提供了沉浸式的可视化交互体验，有利于了解物流相关设备的知识。同时，仿真系统运行于Web端，无须下载安装软件及其他可视化插件，可以跨平台运行，方便对物流机器人工作原理与工序的探究与创新。在当前物流相关工作中，智能机器人已成为一股新兴的力量，相较于人工具有许多优点，如可因地制宜进行改造的适应性、可长时间进行高强度工作的机械性以及降低随机事件发生概率的稳定性等。通过使用多种建模与渲染工具对智能机器人仿真系统进行设计，可以尽量完整地呈现出最真实的物流机器人工作状态。

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