基于Unity3D的机器人仿真实验系统

庄严 卢阿丽 杨庆

摘 要 针对日益增长的机器人技术教学培训需求，研究并设计了一款机器人仿真实验系统。系统软件以FANUC M-iA系列工业机器人原型为依据，使用SolidWorks和3ds Max进行建模，并将模型导入Unity3D，编程实现对机器人的操控，软件效果逼真，可实时交互，为同类虚拟现实实验系统的开发设计提供了经验和参考。

【关键词】Unity3D 机器人 虚拟现实

实验是机器人技术教学中的重要环节，目前的授课，大多数是以理论讲解结合视频动画方式进行，缺少实际操作。而真实的工业机器人类型较多、价格昂贵，对实验环境要求严格，批量采购和建设存在一定的困难。随着虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术的不断进步， 虚拟实验室已得到了广泛的认可和应用。其主要思路是通过VR技术，对实验设备和环境的仿真模拟，让实验者具有亲临工作现场进行实际操作的感受。

1 系统总体分析与三维建模

根据实际教学情况，虚拟实验系统的建立主要包括：实验室、机器人的仿真和示教器模拟三个部分。实验室仿真包含实验室建模和场景漫游设计；机器人仿真包含零部件的建模组合以及运动虚拟化；示教器模拟包括操作界面的制作和控制实现等。系统的开发流程分为两个阶段：建模和运动仿真。建模阶段：首先对教学单位进行调研，详细分析用户需求，收集实验室和机器人的数据和素材，然后使用建模工具进行各部件建模及场景搭建；系统仿真阶段：将制作完成的模型整体导入Unity3D开发环境，设计用户界面，编写脚本实现对机器人控制，最终进行封装并发布。

VR系统要求对实体与环境的模拟实时逼真。早期的三维模型多数是对物体形态的简化和抽象，随着建模工具的不断升级进步，用户越来越注重视觉效果，实物精度和逼真程度也成为建模工作的重要指标。本实验系统所需模型包括实验室内部实景和机器人实体，经实践和分析，选择了3ds Max和SolidWorks作为建模工具。3ds Max功能强大，控制选项丰富，但对于机械零件建模存在不足。首先，对于形状较规则的零件，绘制截面时，点的精准定位困难，过程相当繁琐；其次，不规则零件建模时，分几个部分利用不同的方法建模后再进行组合，不利于修改，并且表面圆滑处理会造成模型面数增多，文件体积增大。使用SolidWorks三维制图软件进行机械零件建模十分方便，模型尺寸都可用工具标注，在更改时只需改变尺寸，无需重建。对于标准部件，可先根据变量参数驱动三维结构直接得到模型，如需新建，只要更改变量重建即可，建模效率极高。虽然SolidWorks建模数据精度高，但对物体的表面渲染功能欠缺，逼真度不够。

基于以上原因，實验场景建模使用3ds Max完成，步骤包括：几何体建模和编辑、设置材质及灯光效果、进行场景渲染及烘焙、最后导出.fbx格式模型文件和.tga格式的贴图素材供Unity3D导入并使用。对于部件，先采用SolidWorks进行制作，模型保存为.STL格式文件然后再导入3ds Max进行渲染烘焙处理，同样得到.fbx及.tga格式文件供Unity3D处理。

2 实验环境场景设计

Unity3D是实现三维实时互动效果的综合开发软件，它支持多平台发布，效果逼真，已成为开发VR项目的主流引擎。Unity3D开发效率高，但它并非建模、渲染的专门工具，一些材质效果无法直接表现。较好的处理方式就是导入3ds Max渲染和烘培过的模型即表面素材文件，通过“贴图”方式为实体附上纹理，然后添加直射光对象呈现光照效果。本系统采用了C#语言进行脚本编写，实现各种功能。

2.1 场景漫游的实现

虚拟实验系统提供了漫游式的场景浏览界面，操作者使用鼠标控制位移和视角变化。该效果通过Unity3D引擎的内置摄像机（Camera）对象来实现。首先创建摄像机并设置其组件，然后编写脚本使其可以呈现并控制整个场景。设计中，采用了鼠标左键控制视角、滚轮控制前进后退的操控方式，关键代码如下：

//鼠标滚轮控制z轴视角前后方向的移动

if （Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"） ！= 0）{

Camera.main.transform.Translate （0， 0， Input.GetAxis （"Mouse ScrollWheel"））；

}

// 按下鼠标左键控制视角左右方向的偏移及欧拉角度旋转偏移

if （Input.GetMouseButton （0）） {

Camera.main.transform.Rotate （-Input.GetAxis （"Mouse Y"），

Input.GetAxis （"Mouse X"）， 0）；

Camera.main.transform.eulerAngles = new Vector3（Camera.main.transform.eulerAngles.x，

Camera.main.transform.eulerAngles.y，0）；

}

//按下鼠标中键或滚轮微调视角左右方向的偏移

if （Input.GetMouseButton （2）） {

Camera.main.transform.parent.Translate （-Input.GetAxis （"Mouse X"）/50，

-Input.GetAxis （"Mouse Y"）/50， 0）；

}

2.2 设计物理阻挡

场景设计中，物理阻挡和碰撞的处理是不可缺少的部分。否则，在漫游操作时会穿过墙壁，物体在运动时也会穿透其它障碍物，产生场景的失真。

在Unity3D中，处理碰撞和阻挡的常用方法是为实体对象添加碰撞体（Collider）和刚体（Rigidbody）组件，然后通过编写碰撞体状态函数来体现阻挡或碰撞的效果。场景中的各种物体都可以添加不同形状的碰撞体，如：给桌子添加盒型碰撞体（Box Collider）、为地面添加地形碰撞体（Terrain Collider）等。

3 机器人及示教器仿真

实验系统以FANUC M-iA 系列机器人为参照依据。该系列机器人具有6 自由度关节动作， 每个关节都由一个电机驱动控制。机器人可以根据末端装置的不同， 从事喷涂、搬运或弧焊等不同工作。该系列机器人的外型结构基本一样，差别在于不同型号机器人关节转角范围、最大转速以及末端载重参数不同。因此，在进行运动仿真设计时，要结合不同型号的性能进行模拟。

3.1 机器人运动仿真

Unity3D 可将多个模型组合到一个预制体（Prefabs）中，组合后的预制体即为一个整体。逻辑上可以把预制体当作一个父对象来处理，当父对象运动时，它包含的每个子对象都会做同样的运动，虚拟机器人的运动正是通过这样的方式来实现的。机器人的手臂及手腕的运动取决于6个关节的旋转，一方面需将部件合理地组合成预制体，并确定它们相互间的层级关系；另一方面正确设置各预制体的旋转轴，编写脚本使其以及以指定的方向和速度旋转。即操作指令发出后，联动的预设体及其子部件一起沿指定中心轴旋转，从而呈现机器人的各种动作。

实际机器人具有6个旋转关节。在创建预制体时，关节J1～J6分别对应预制体j1～j2。 J1的旋转轴为Y 轴，J2、J3、J5 的旋转轴皆为 Z轴，J4、J6的旋转轴为X 轴。机器人外形、关节旋转方向、各预制体及部件的层级关系如图1所示。

机器人手臂运动的J2关节部分脚本代码如下（其它关节运动的处理方式相同）：

switch （button_name） {

case"j2_0"：//鼠标点击了示教器“+Y”按钮，J2手臂抬起

static_go.j_2.Rotate （0， 0， -rotate_speed（2））；

break； //鼠标点击了示教器“-Y”按钮，J2手臂抬起

case"j2_1"：//鼠标点击了 按钮

static_go.j_2.Rotate （0， 0，rotate_speed（2））；

break；

}

3.2 示教器模擬

示教器是应用软件与机器人之间的接口装置，通过电缆与控制柜连接，可以直接手动控制机器人的运动，也可以通过创建程序并测试校正的方式对机器人示教，以完成姿态确认和特定的作业任务。本实验系统使用UGUI图形用户界面方法，参照 FANUC示教器的控制面板，模拟了虚拟机器人的操作界面，主要实现步骤如下：

（1）创建Canvas（画布）对象，并在右下角嵌入示教器键盘图像资源；

（2）在画布左下角添加图像（Image）对象，并为图像对象添加6组文本（Text）及输入栏（Input Field）子对象用于接收数据，分别用于控制相对应关节的旋转速度。

（3）编写脚本通过在文本输入栏接收转速数据，将输入的字符转换成数值传递给运动控制函数，从而调节6个关节旋转速度，部分关键代码如下：

float rotate_speed（int i）{

try{ return float.Parse（static_go.cav.GetChild（1）.GetChild（0）.GetChild（i）.GetComponent（）.text）/5；

}catch{

return 1.0f/5；

}

}

完成后的交互界面效果如图2所示。

4 结束语

虚拟实验室具有广阔的应用前景，本文设计的实验系统，效果清晰逼真，操作简单，

最后以Web Player形式发布，支持基于Web页面的远程访问，满足了不同条件的学习需求，在工业机器人教学及培训方面具有一定的实用价值和拓展空间，同时也为类似产品的开发提供了参考依据。

参考文献

[1]李仕强，王水平，李翔.基于Web的虚拟实验互动教学平台研究与设计[J].实验技术与管理，2012，29（11）：90-93.

[2]周素萍，黄昆，张小瑞，杨松.虚拟仿真平台下弹跳机器人模型的设计和实现[J].测控技术，2014，33（10）：126-128.

[3]刘宇轩.基于Unity3D的工业机器人虚拟操作系统的研究与实现[J].计算机与数字工程，2017，45（08）：1615-1619.

[4] 刘谋玉，汪地，姜海龙.基于Unity3D 的机器人仿真和遥操作系统研究[J].工业控制计算机，2016，29（09）：97-99.

[5]潘俊浩，卓勇，侯亮，卜祥建.一种基于Unity3d的工业机器人示教系统设计方法[J].组合机床与自动化加工技术，2017（07）：110-115.

作者简介

庄严（1969-），男，江苏省南京市人。硕士学位。讲师。主要研究方向为图形图像处理，虚拟仿真技术。

作者单位

南京工程学院计算机工程学院 江苏省南京市 211167