基于Unity 3D的工业机器人虚拟仿真教学系统的研究与开发

作     者：张丛林 

作者单位：山东建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈清奎;王全景;金洁

授予年度：2023年

学科分类：0401[教育学-教育学] 04[教育学] 08[工学] 040102[教育学-课程与教学论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：工业机器人 Unity3D 轨迹规划 虚拟仿真教学 

摘      要：自2015年以来,随着“工业4.0“中国制造2025等概念的相继提出、自动化技术不断发展以及工业机器人技术不断创新,制造业市场对工业机器人的需求量逐年攀升。随着工业机器人数量的激增,企业对于拥有相关技能的人才需求迫切,许多高校纷纷推出实验课程以培养工业机器人领域的专业人才。由于工业机器人涉及多学科多领域,理论知识较为复杂和抽象等原因,导致学习门槛较高,学生入门难。另外,由于市面上工业机器人的种类繁多,一些主流机器人在操作与使用等方面也存在着许多差异,同时,整套的工业机器人价格昂贵,后期维护保养费用高,且学生在操作时很难保证自身安全,“一机多人的窘状,也难以保证让每一位实验者参与其中。随着虚拟现实Virtual Reality(VR)技术的发展,当下已经广泛应用于实验实训教学领域,充分利用虚拟现实技术的“3I特性可提高实验实训效率,降低实验实训的前期投入与后期维护成本。针对目前在工业机器人实验实训教学中存在的上述问题,本文基于Unity3D开发平台,借助SolidWorks建模、博图V16编程、PLCSIM Advanced虚拟联调等技术,研究与开发了基于Unity3D的工业机器人虚拟仿真教学系统。通过整合工业机器人工作原理与工作流程,开发工业机器人作业场景,将虚拟PLC、虚拟工业机器人运动控制过程融合起来,来达到对工业机器人虚拟仿真教学的目的。该系统以山东建筑大学智能制造生产线为背景,以KUKA公司生产的六轴工业机器人KR16 R1610(以下简称:工业机器人)为研究对象,将现实世界中智能制造生产线的布局与设备映射到虚拟场景中,实验者可以直观、方便地学习工业机器人结构组成与工作原理,相比传统工业机器人实验实训教学,可极大地减少前期投入与后期维修成本。研究的具体工作如下:(1)介绍工业机器人虚拟仿真教学系统的研究意义和背景,并对国内外相关研究现状进行了梳理,明确本课题的目标和研究内容。(2)对山东建筑大学智能制造生产线进行调研,通过SolidWorks与3ds Max建模软件对工业机器人及生产线其他设备进行构建及动画制作,利用Photoshop软件进行模型的贴图处理和UI界面的设计,使用博图V16软件完成机器人控制程序代码,利用C#语言实现PLC与Unity3D软件的通信与数据交换,最终在Unity3D平台整合开发制作虚拟仿真实验系统。(3)对系统开发过程中的关键技术进行研究,主要包括以下几个方面:碰撞检测、UI界面设计、场景漫游、场景渲染、动画关键帧制作、Unity3D与博图软件通信、PLCSIM Advanced(虚拟机)软件仿真PLC逻辑控制程序以及与外部的通信的实现等。(4)在Unity3D中开发工业机器人虚拟仿真教学系统,内容包括工业机器人结构认知;工作原理与工作过程演示,通过借助虚拟机在博图软件中自由编程实现对虚拟工业机器人运动的控制。(5)测试并发布虚拟仿真教学系统,发现系统运行中存在的Bug,最终完成整个基于Unity3D的工业机器人虚拟仿真教学系统。