一种工业机器人生产线的虚拟仿真方法技术

一种工业机器人生产线的虚拟仿真方法，包括：1)根据工业机器人生产线的相关信息构建三维模型，并导入Unity3D中，构建工业设备模型；2)基于不同工业设备模型的功能和属性，利用UI工具包设计相应的模型属性面板，控制模型的运行状况；3)对仿真环境中的设备模型的位置和姿态进行本地持久化存储，并将构建的设备模型集成为一个多种类的设备模型库；4)设计模型碰撞检测功能，精确定位设备控制程序的错误，便于检查和维修；5)使用数据库来作为虚实信号的交互中心和存储用户信息与工业设备历史数据的存储中心，实现各类信号的通信交互，满足系统复杂数据的存储需求；6)根据实际情况来构建工业机器人生产线的仿真场景，完成相应的虚拟调试工作。试工作。试工作。

【技术实现步骤摘要】
一种工业机器人生产线的虚拟仿真方法


[0001]本专利技术设计一种工业机器人生产线的虚拟仿真方法。

技术介绍

[0002]21世纪以来，物联网、云计算、大数据、移动通信、人工智能、机器学习等新技术在制造业广泛应用，制造系统集成式创新不断发展，形成新一轮工业革命的重要驱动力。随着中国智能制造需求的不断提高，数字化、智能化、信息化已经成为工业发展的主流方向。对于中国传统制造业来说，实现智能制造的前提条件是要先实现数字
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物理双空间的精准信息映射，这必然离不开“数字孪生”的全面应用，而数字孪生的应用又离不开“虚拟调试”技术的支持。
[0003]数字孪生是指将物理世界的信息数字化表达，在赛博空间创建和物理实体等价的虚拟模型。虚拟模型能对物理实体的行为和特征进行仿真分析和测试，并将优化之后的信息反馈给物理世界，实现数字
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物理双空间的信息交互。数字孪生技术在制造业的应用拓展就是“虚拟调试”，虚拟调试是指在数字世界中调试物理设备程序，通过测试验证后再进行正式部署，可以加快企业研发速度和降低工厂运行风险。虚拟调试系统是根据虚拟调试技术设计的软件，将工业生产线中的机器人、机床、传输带等各种设备制作成模型库，工程师根据现场情况快速搭建生产线的仿真模型，采集真实设备的控制信号，观测模型运行状态并在线进行调试。
[0004]从国外研究现状来看，“虚拟调试”在国外的研究和应用都已经较为成熟。很多公司已经重视到“虚拟调试”的重要性，并开发出了一系列成熟的虚拟调试软件，提高了企业核心竞争力。国内虽然对于“虚拟调试”技术的研究起步相对较晚，成熟的虚拟调试软件也相对较少，但中国学者也将“虚拟调试”技术应用在许多制造业领域中。例如，刘峻豪基于Unity3D引擎开发了模块化生产线故障仿真系统，将现实设备运行情况和计算机仿真技术进行结合，以满足对自动化物流生产线人才快速培养需求(刘峻豪.基于Unity3D的模块化生产线故障仿真及虚拟调试系统研究[D].四川:西南科技大学,2020.)，但主要针对简单构造的烟草物流生产线进行虚拟仿真系统的设计，通用性不高。王刚和郭艳丽将虚拟调试技术应用在了白车身生产线当中，他们采用了西门子的虚拟调试解决方案，通过完全虚拟化的白车身生产线，缩短了白车身批量生产前的调试周期并减少了研发投入(王刚,郭艳丽.虚拟调试技术在白车身生产线中的应用[J].湖北汽车工业学院学报,2019,33(4):38
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41.)，但其系统可视化还不够逼真，不能够实现快速搭建生产线的要求。国内现有的虚拟调试软件其虚实信号的交互以及设备的控制需要通过编写脚本的方式实现，不具备简易的操作界面，对使用人员能力要求较高，交互性能和通用性能较差；仿真系统中没有建立较为完善的工业设备模型库，产线设备的更改需进行二次开发，不利于扩展。而本方法具备生产线仿真系统，使用人员可通过设备模型库和属性面板等快速构建所需仿真场景，并可通过采集的控制信号驱动仿真模型的运行，大大地提高了智能制造生产线调试的效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决现有技术存在的上述技术问题，提供一种快速构建工业机器人生产线的虚拟仿真的方法。
[0006]本专利技术基于Unity3D引擎来创建模型的属性控制面板、设计模型碰撞检测和构建工业设备模型库等，并通过数据库来实现物理世界和虚拟世界的信号交互。本专利技术的一种工业机器人生产线的虚拟仿真方法，基于Unity3D引擎构建，模拟真实制造的现场环境，提供可视化三维模型和用户交互界面，主要分为工业设备模型建立、模型私有面板属性设计、设备模型库构建、模型碰撞检测设计和数据库使用这五个部分。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种工业机器人生产线的虚拟仿真的方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一，根据实际工业机器人生产线的相关信息构建所需的三维模型，进行贴图渲染和文件格式转换等操作，并导入Unity3D中，从而构建逼真的工业设备模型；
[0009]步骤二，针对不同工业设备模型的属性和功能，利用UI工具包设计相应的模型属性面板，通过操作属性面板来控制模型的运行状况；
[0010]步骤三，采用JSON文件对仿真环境中设备模型的位置和姿态进行本地持久化存储，并将构建好的设备模型集成为一个多种类的设备模型库；
[0011]步骤四，设计模型碰撞检测功能，精确定位设备控制程序的错误，便于检查和维修；
[0012]步骤五，使用数据库作为虚实信号的交互中心和存储用户信息与工业设备历史数据的存储中心，实现各类信号的通信交互，满足系统复杂数据的存储需求；
[0013]步骤六，基于上述步骤，根据生产线的实际情况，快速地构建出工业机器人生产线仿真场景，完成相应的虚拟调试工作。
[0014]其中，所述步骤一具体包括：
[0015]先在SoildWorks软件中对工业设备进行等比例建模，再将建好的模型文件导入3DMax软件中进行贴图、渲染的处理，然后将处理好的模型转换成Unity3D引擎可支持导入的FBX文件格式。
[0016]机器人生产线中常用的工业设备按照功能种类分类，可分为机器人、输送带、传感器、车床以及工具手等。机器人模型需按照实际机器人的物理参数进行运动学建模，并能按照关节角数据进行位姿改变；输送带模型需能控制输送速度和方向，传感器模型被触发时需能释放触发信号，车床模型需能控制门的开启与关闭，工具手模型需具备抓取、焊接、打磨等功能。
[0017]其中，所述步骤二具体包括：
[0018]属性面板通过Unity3D引擎中的UGUI进行开发，UGUI在事件机制、运行效率、自适应系统等方面都有着显著的优点，其提供的基础元素包括画布、文本、图片、按钮、开关、下拉选单、遮罩、滑动条和滚动条，还提供了强大的EventSystem事件系统来管理UI元素；
[0019]仿真系统中的属性面板都是通过基础元素的相互组合实现的，根据设备的种类和功能搭配排列出简洁、易操作的界面。从设备模型库中拖拽模型图标时，系统会自动解析图标对应的配置文件，获取拖拽模型的类型、ID和路径信息，从而加载模型和克隆该模型UI面板，并将面板与模型ID保存为键值对数据。当鼠标点击场景中的模型时，被点击模型ID与保
存的ID进行匹配，若匹配结果一致就显示ID对应的属性面板，否则就将该面板隐藏；
[0020]模型仓库中的每个模型均配有各自的属性面板，属性面板需根据物理设备的特性使用不同的UI控件并控制模型不同的功能。
[0021]其中，所述步骤三具体包括：
[0022]采用JSON文件对仿真环境中模型的数据信息进行存储，具备存档和读档的功能。存档时，遍历场景中存在的模型对象，对模型的ID、名称、类别、介绍等配置信息以及位置坐标、旋转坐标进行序列化处理，序列化后的JSON字符串文件可以在任何装有仿真系统的PC机上被再次打开与编辑。读档时，遍历JSON字符串文件，对文件中的数据进行反序列化操作，根据解析的配置信息加载相应的设备本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工业机器人生产线的虚拟仿真方法，包括如下步骤：步骤一，根据实际的工业机器人生产线的相关信息构建所需的三维模型，进行贴图渲染和文件格式转换等操作，并导入Unity3D中，从而构建逼真的工业设备模型；步骤二，针对不同工业设备模型的属性和功能，利用UI工具包设计相应的模型属性面板，通过操作属性面板来控制模型的运行状况；步骤三，采用JSON文件对仿真环境中设备模型的位置和姿态进行本地持久化存储，并将构建好的设备模型集成为一个多种类的设备模型库；步骤四，设计模型碰撞检测功能，精确定位设备控制程序的错误，便于检查和维修；步骤五，使用数据库作为虚实信号的交互中心和存储用户信息与工业设备历史数据的存储中心，实现各类信号的通信交互，满足系统复杂数据的存储需求；步骤六，基于上述步骤，根据生产线的实际情况，快速地构建出工业机器人生产线仿真场景，完成相应的虚拟调试工作。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：先在SoildWorks软件中对工业设备进行等比例建模，再将建好的模型文件导入3DMax软件中进行贴图、渲染的处理，然后将处理好的模型转换成Unity3D引擎可支持导入的FBX文件格式；机器人生产线中常用的工业设备按照功能种类分类，包括机器人、输送带、传感器、车床以及工具手；机器人模型需按照机器人的物理参数进行运动学建模，并能按照关节角数据进行位姿改变；输送带模型需能控制输送速度和方向，传感器模型被触发时需能释放触发信号，车床模型需能控制门的开启与关闭，工具手模型需具备抓取、焊接、打磨的功能。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：属性面板通过Unity3D引擎中的UGUI进行开发；仿真系统中的属性面板通过基础元素的相互组合实现，根据设备的种类和功能搭配排列出简洁、易操作的界面；从设备模型库中拖拽模型图标时，系统会自动解析图标对应的配置文件，获取拖拽模型的类型、ID和路径信息，从而加载模型和克隆该模型UI面板，并将面板与模型ID保存为键值对数据；当鼠标点击场景中的模型时，被点击模型ID与保存的ID进行匹配，若匹配结果一致就显示ID对应的属性面板，否则就将该面板隐藏；模型仓库中的每个模型均配有各自的属性面板，属性面板需根据物理设备的特性使用不同的UI控件并控制模型不同的功能。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：采用JSON文件对仿真环境中模型的数据信息进行存储，具备存档和读档的功能；存档时，遍历场景中存在的模型对象，对模型的ID、名称、类别、介绍等配置信息以及位置坐标、旋转坐标进行序列化处理，序列化后的JSON字符串文件可以在任何装有仿真系统的PC机上被再次打开与编辑；读档时，遍历JSON字符串文件，对文件中的数据进行反序列化操作，根据解析的配置信息加载相应的设备模型和属性面板，并按照位置坐标和旋转坐标确定其姿态，最终重现保存时的仿真场景；若场景中的模型被删除，JSON文件将对应删除该模型数据信息；若在场景中添加新的模型，新添加模型的配置信息和坐标信息将被添加进JSON文件中；若场景中模型的位置和姿态发生改变，JSON文件中该模型的坐标数据将被对应修改；
最后，将所有附带属性面板和数据信息的设备模型添加进模型仓库中，构成一个完善的工业设备模型库。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：采用包围盒法的方式对模型进行碰撞检测的设计。采用Unity引擎提供的球体、立方体、胶囊体等包围盒结合机械臂各轴的工作空间与预警区...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧林林，孙肖瑶，王犇，禹鑫燚，周利波，魏岩，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：