該gai文wen提ti出chu將jiang虛xu擬ni樣yang機ji技ji術shu應ying用yong於yu工gong業ye機ji器qi人ren仿fang真zhen研yan究jiu過guo程cheng
，研yan究jiu與yu開kai發fa工gong業ye機ji器qi人ren虛xu擬ni樣yang機ji係xi統tong。首shou先xian說shuo明ming虛xu擬ni樣yang機ji技ji術shu並bing分fen析xi其qi關guan鍵jian技ji術shu
，然ran後hou說shuo明ming了le工gong業ye機ji器qi人ren虛xu擬ni樣yang機ji係xi統tong的de構gou成cheng與yu樣yang機ji係xi統tong在zai機ji器qi人ren仿fang真zhen研yan究jiu中zhong的de研yan究jiu內nei容rong。總結該項技術主要解決以下兩方麵的問題
，即機器人仿真研究中的係統集成及為以機器人為主體的生產線虛擬設計
、驗證環境提供底層的數字化環境。

　　1 前言

　　虛擬樣機（VimudPrototype
，簡稱VP）是當前設計製造領域的一門新興技術，該技術在計算機上通過CAD／CAM／CAE等技術將產品信息集成到計算機提供的可視化虛擬環境，在實際產品製造之前實現產品的仿真、分析與優化過程。機器人仿真是機器人研究中的重要環節，可應用於機器人運動學


、動dong力li學xue分fen析xi，軌gui跡ji和he路lu徑jing規gui劃hua，機ji器qi人ren與yu工gong作zuo環huan境jing的de相xiang互hu作zuo用yong，離li線xian編bian程cheng等deng方fang麵mian。隨sui著zhe目mu前qian虛xu擬ni製zhi造zao及ji數shu字zi化hua製zhi造zao等deng先xian進jin製zhi造zao技ji術shu的de發fa展zhan，機ji器qi人ren仿fang真zhen也ye成cheng為wei圍wei繞rao產chan品pin生sheng命ming周zhou期qi的de整zheng個ge數shu字zi化hua設she計ji、驗(yan)證(zheng)及(ji)製(zhi)造(zao)環(huan)境(jing)的(de)重(zhong)要(yao)組(zu)成(cheng)部(bu)分(fen)。研(yan)究(jiu)與(yu)開(kai)發(fa)機(ji)器(qi)人(ren)虛(xu)擬(ni)樣(yang)機(ji)係(xi)統(tong)
，可(ke)以(yi)在(zai)虛(xu)擬(ni)環(huan)境(jing)中(zhong)完(wan)成(cheng)以(yi)上(shang)方(fang)麵(mian)的(de)研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)
，為(wei)機(ji)器(qi)人(ren)研(yan)究(jiu)及(ji)先(xian)進(jin)製(zhi)造(zao)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)提(ti)供(gong)新(xin)的(de)手(shou)段(duan)。

　　2 虛擬樣機技術

　　虛擬樣機技術涉及多體係統運動學與動力學建模理論及其技術實現，是基於先進的建模技術
、多領域仿真技術

、信息管理技術
、交互式用戶界麵技術和虛擬現實技術的綜合應用技術。、1P技術在設計的初級階段——概(gai)念(nian)設(she)計(ji)階(jie)段(duan)就(jiu)可(ke)以(yi)對(dui)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)完(wan)整(zheng)的(de)分(fen)析(xi)
，觀(guan)察(cha)並(bing)實(shi)驗(yan)各(ge)組(zu)成(cheng)部(bu)分(fen)的(de)相(xiang)互(hu)運(yun)動(dong)情(qing)況(kuang)。通(tong)過(guo)係(xi)統(tong)仿(fang)真(zhen)軟(ruan)件(jian)在(zai)相(xiang)應(ying)虛(xu)擬(ni)環(huan)境(jing)中(zhong)真(zhen)實(shi)地(di)模(mo)擬(ni)係(xi)統(tong)的(de)運(yun)動(dong)，在(zai)計(ji)算(suan)機(ji)上(shang)可(ke)方(fang)便(bian)地(di)修(xiu)改(gai)設(she)計(ji)缺(que)陷(xian)
，仿(fang)真(zhen)不(bu)同(tong)的(de)設(she)計(ji)方(fang)案(an)，對(dui)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)不(bu)斷(duan)的(de)改(gai)進(jin)，直(zhi)至(zhi)獲(huo)得(de)最(zui)優(you)的(de)設(she)計(ji)方(fang)案(an)以(yi)後(hou)，再(zai)做(zuo)出(chu)物(wu)理(li)樣(yang)機(ji)。

　　虛xu擬ni樣yang機ji的de設she計ji方fang法fa體ti現xian出chu並bing行xing工gong程cheng的de概gai念nian和he思si想xiang。是shi今jin後hou先xian進jin製zhi造zao技ji術shu的de發fa展zhan方fang向xiang。與yu傳chuan統tong方fang法fa相xiang比bi具ju有you諸zhu多duo優you勢shi，即ji在zai設she計ji時shi期qi可ke確que定ding關guan鍵jian參can數shu

，更geng新xin產chan品pin開kai發fa過guo程cheng，縮suo短duan開kai發fa周zhou期qi
、降低成本和提高產品質量。虛擬樣機的關鍵技術包括以下方麵：

　　1）係統集成性

　　虛擬樣機解決方案涉及到多方麵的技術
，虛擬樣機執行環境需要在不同的係統間進行轉換，其集成性包括以下方麵：

　　●在CAD環境中建立機械係統三維模型並進行簡單的運動性能分析
；

　　●由幾何模型轉換為CAD係統中的幾何模型
，並導入虛擬樣機分析係統，進行運動學與動力學分析
；

　　●虛擬樣機中的載荷傳遞給有限元分析軟件，並將後者的分析結果回傳給虛擬樣機；

　　●生產線模型及其控製係統的規範與虛擬樣機的集成。

　　2）係統參數化

　　jianlicanshuhuadexuniyangjixitong，kezaiduofangzhencanshuqiantixiaduixuniyangjixitongjinxingfanfuceshi，duiduozhongtiaojianxiadefangzhenshuchujieguojinxingfenxibijiao，weixitongjinyibuyouhuadiandingjichu。

　　3）係統優化

　　虛擬樣機解決方案在係統多參數及虛擬驗證前提下選擇設計者需要的方案，提供優化的係統參數與設計結果。

　　4）係統可視化與交互性

　　係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)良(liang)好(hao)的(de)模(mo)型(xing)顯(xian)示(shi)環(huan)境(jing)，使(shi)操(cao)作(zuo)者(zhe)有(you)高(gao)真(zhen)實(shi)性(xing)的(de)沉(chen)浸(jin)感(gan)。由(you)於(yu)具(ju)有(you)可(ke)視(shi)化(hua)方(fang)麵(mian)的(de)優(you)勢(shi)，在(zai)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)設(she)計(ji)者(zhe)可(ke)交(jiao)互(hu)式(shi)探(tan)索(suo)虛(xu)擬(ni)機(ji)械(xie)係(xi)統(tong)的(de)功(gong)能(neng)

，仿(fang)真(zhen)真(zhen)實(shi)環(huan)境(jing)對(dui)虛(xu)擬(ni)樣(yang)機(ji)進(jin)行(xing)反(fan)複(fu)調(tiao)試(shi)，充(chong)分(fen)將(jiang)自(zi)身(shen)的(de)經(jing)驗(yan)和(he)能(neng)力(li)結(jie)合(he)到(dao)計(ji)算(suan)機(ji)的(de)虛(xu)擬(ni)樣(yang)機(ji)的(de)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)。

　　3 工業機器人虛擬樣機

　　3．1機器人數字化虛擬樣機係統

　　機器人虛擬樣機係統將機器人研究與虛擬樣機技術相結合，針對於機器人設計與製造過程中的運動學、動力學分析

，軌跡和路徑規劃，機器人與工作環境的相互作用等技術內容進行研究與係統開發
，在虛擬環境中完成機器人的設計、分析及虛擬生產過程的實現。係統的具體構成如圖1。

圖1 機器人虛擬樣機係統

　　3．2機器人虛擬樣機係統的功能及技術特點

　　機器人虛擬樣機係統的核心功能是提供用於在計算機上進行機器人設計與開發的虛擬環境，其主要功能有以下方麵：

　　1）機器人虛擬樣機係統可視化

　　建立可視化環境是虛擬樣機係統的基礎工作，而CAD幾何建模是核心。機器人虛擬樣機可視化環境具有以下特征：

　　●在計算機上實現機器人操作機的可視化環境，操作者可直觀、高效地在此基礎上進行機器人的設計與開發
，良好的環境可使操作者方便地將自身經驗和知識隨時溶人係統；

　　●從CAD模型中提取幾何數據，在虛擬樣機係統進一步的工作過程

，如運動分析、動力學仿真中加以利用
；

　　●在虛擬樣機開發的不同階段，機器人CAD模型在結構上有所不同。在樣機初期的概念性設計階段，機器人CAD幾何模型可能較為粗略，隻為滿足當前設計需要，某些詳細的幾何結構可不必建模；zaixiangxishejijieduan，yangjijingguofanfuyanzhengyuwanshan
，xitongdedaoyouhuahoudejiheshuju，keduiyangjijinxingxiangxidejihejianmo，xingchengzhenggexuniyangjidejiqirenfangzhenjieguo。

　　2）機器人工作過程預先演示

　　根據機器人操作機本體構成
，包括各部分的幾何結構與參數
、關節數量、類(lei)型(xing)等(deng)因(yin)素(su)，通(tong)過(guo)對(dui)運(yun)動(dong)方(fang)程(cheng)的(de)正(zheng)向(xiang)和(he)逆(ni)向(xiang)求(qiu)解(jie)，仿(fang)真(zhen)實(shi)現(xian)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)運(yun)動(dong)分(fen)析(xi)。同(tong)時(shi)在(zai)運(yun)動(dong)分(fen)析(xi)過(guo)程(cheng)中(zhong)還(hai)可(ke)實(shi)現(xian)對(dui)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)運(yun)動(dong)空(kong)間(jian)分(fen)析(xi)，工(gong)作(zuo)軌(gui)跡(ji)規(gui)劃(hua)，碰(peng)撞(zhuang)、幹涉校驗等進行仿真研究。

　　3）機器人虛擬樣機動力學分析

　　通過在虛擬樣機係統中加人物理信息，如操作機材料種類、質量、轉動慣量、關(guan)節(jie)摩(mo)擦(ca)等(deng)物(wu)理(li)因(yin)素(su)，進(jin)行(xing)動(dong)力(li)學(xue)分(fen)析(xi)。在(zai)動(dong)力(li)學(xue)分(fen)析(xi)過(guo)程(cheng)中(zhong)，可(ke)仿(fang)真(zhen)機(ji)器(qi)人(ren)操(cao)作(zuo)機(ji)實(shi)際(ji)工(gong)作(zuo)情(qing)況(kuang)對(dui)虛(xu)擬(ni)樣(yang)機(ji)預(yu)加(jia)載(zai)荷(he)，或(huo)施(shi)加(jia)重(zhong)力(li)作(zuo)用(yong)，從(cong)而(er)分(fen)析(xi)樣(yang)機(ji)在(zai)各(ge)種(zhong)工(gong)況(kuang)下(xia)各(ge)部(bu)分(fen)的(de)受(shou)力(li)情(qing)況(kuang)，研(yan)究(jiu)重(zhong)點(dian)環(huan)節(jie)
，優(you)化(hua)係(xi)統(tong)結(jie)構(gou)。

　　4）機器人控製係統仿真

　　jiqirenxuniyangjiketigongkongzhixitongfangzhenhuanjing
，duikongzhixitongjinxingceshi，zaizheyifangmianxuniyangjibiwuliyangjijuyoumingxianyoushi。gezhongkongzhifangfakezhijiezuoyongyuwuliyangji，gaoxiaoshengshi，wuxudanxincuowudekongzhifangfazaochengyangjidesunhuai。

　　機器人虛擬樣機係統具有如下技術特點：

　　1）提供機器人仿真研究的集成係統和數字化機器人設計、驗證環境機器人虛擬樣機係統提供包含數字化建模、可視化的運動過程實現、運動學分析、控製係統仿真在內的統一數據平台，使各部分之間的仿真及分析結果及時
、高效率地互相加以利用，提供數字化的研究環境。

　　2）構gou成cheng數shu字zi化hua虛xu擬ni製zhi造zao環huan境jing的de有you機ji組zu成cheng部bu分fen工gong業ye機ji器qi人ren是shi製zhi造zao係xi統tong中zhong的de基ji本ben工gong作zuo單dan元yuan
，機ji器qi人ren虛xu擬ni樣yang機ji係xi統tong能neng夠gou有you效xiao溶rong人ren上shang一yi層ceng次ci的de數shu字zi化hua加jia工gong製zhi造zao環huan境jing，滿man足zu虛xu擬ni製zhi造zao環huan境jing中zhong機ji器qi人ren工gong作zuo單dan元yuan上shang層ceng的de生sheng產chan線xian仿fang真zhen
、數字化工廠要求，構成數字化機器人生產線的基礎與有機組成部分。

　　3．3 機器人虛擬樣機係統實現的技術手段

　　3．3．1采用高水平的幾何建模工具

　　隨著軟件技術的發展，商業化的三維造型軟件如Pro／E、UG及SolidWod～等已可以順利在微機平台上正常運行，而無需專業的圖形工作站。這些軟件都可以建立高逼真度的機器虛擬樣機幾何模型，同時又具有IGES、STEP、Parasolid等多種幾何數據轉換格式來提供機器人虛擬樣機設計與測試過程中需要的幾何數據，是適宜的機器人虛擬樣機幾何建模開發工具。

　　3．3．2機器人虛擬樣機係統的開發工具

　　jiqirenxuniyangjixitongdekaifagongjuzhuyaofenlianglei，yizhongshicaiyongtongyongderuanjiankaifagongju，lingyizhongshizhuanyedexuniyangjihuojiqirenkaifaruanjian。qianzhemuqianjiaochangyongdeshiC++
，較早有Fortran

、Pas．cal等。采用通用軟件開發的機器人虛擬樣機係統的特點是軟件針對性強，解決設計者具體問題。但要建立樣機的運動學、動力學研究等必需的詳盡而正確的模型，需耗費大量時間和精力，且開發出的係統靈活性差，不易調整。

　　Adams、Envision等是商業虛擬樣機開發工具…1，軟件可建立簡單的幾何模型或從外部CAD軟件導人已建立完畢的機器人幾何模型，係統提供運動學、donglixuedengfangmiandefangzhengongneng，jianlijiqirenxuniyangjishejiyuyouhuahuanjing，bingjuyouwanshandefangzhenjieguoshujuchulinengli。ruanjiankeshishejizhecongfansuodejiqirendongtaijianmoguochengzhongjietuochulai，jianggengduojingliyongyuyangjidexunishejiyuyanzhengguocheng。

　　4 結束語

　　將(jiang)虛(xu)擬(ni)樣(yang)機(ji)技(ji)術(shu)應(ying)用(yong)於(yu)機(ji)器(qi)人(ren)仿(fang)真(zhen)研(yan)究(jiu)領(ling)域(yu)，進(jin)行(xing)機(ji)器(qi)人(ren)虛(xu)擬(ni)樣(yang)機(ji)的(de)研(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)，一(yi)方(fang)麵(mian)拓(tuo)展(zhan)虛(xu)擬(ni)樣(yang)機(ji)技(ji)術(shu)的(de)研(yan)究(jiu)與(yu)應(ying)用(yong)範(fan)圍(wei)，同(tong)時(shi)在(zai)虛(xu)擬(ni)環(huan)境(jing)下(xia)對(dui)機(ji)器(qi)人(ren)產(chan)品(pin)的(de)設(she)計(ji)與(yu)分(fen)析(xi)也(ye)是(shi)今(jin)後(hou)數(shu)字(zi)化(hua)設(she)計(ji)、製zhi造zao的de發fa展zhan方fang向xiang。在zai機ji器qi人ren仿fang真zhen研yan究jiu中zhong通tong過guo應ying用yong虛xu擬ni樣yang機ji技ji術shu，可ke使shi設she計ji人ren員yuan從cong繁fan重zhong的de計ji算suan過guo程cheng中zhong解jie脫tuo出chu來lai，將jiang精jing力li投tou人ren到dao虛xu擬ni樣yang機ji係xi統tong的de分fen析xi與yu優you化hua過guo程cheng，有you效xiao地di進jin行xing係xi統tong評ping估gu
，在zai實shi際ji生sheng產chan之zhi前qian提ti供gong優you化hua的de設she計ji產chan品pin。