機器人技術三維虛擬實驗教學系統簡介

軟件的目的意義：

目前，現實中的機器人技術實驗存在以下局限性：

1、硬件依存性較強，只能在特定實驗室進行；

2、儀器設備數量有限，無法滿足學生獨立進行實驗的需求；

3、部分實驗具有一定危險性；

機器人技術三維虛擬實驗教學系統主要包含以下4個實驗：

1.機器人構型虛擬實驗

2.工業機器人自動化生產線虛擬實驗

3.大尺寸工業機器人測量虛擬實驗

4.機器人構型虛擬實驗-zSpace版

機器人構型虛擬實驗

系統提供10個典型機器人的三維建模重構：

1)    包括kuka機器人，ABB機器人等；

2)    模型都是按照真實比例1:1建模，細節達到每一個螺絲都清晰可見；

3)    模型效果達到真實的實物效果；

4)    模型須經過優化處理，在保證仿真細節效果的同時，須做好面數控制，滿足實時仿真的要求；

5)    系統左側放置各機器人的構型部件；

6)    用戶可自由選擇任一機器人進行組裝；

7)    對于并聯機器人，要求組裝無先后順序；

kuka機器人模型

ABB機器人模型

工業機器人自動化生產線虛擬實驗

傳統實驗教學中，受物流生產線占用場地大、機器人成本高、工作的生產線不能預停，等限制，學生只能觀看在特定的環境下生產線的工作流程，缺乏對自動化生產線工件傳送系統和控制系統較好的認識。運用虛擬仿真技術較好地解決了上述問題。

該實驗使用3D建模模擬了一條完整的現代自動化的生產線的場景，其中包含六自由度的工業機器人、運輸裝置等，在該實驗環境中，用戶可以自由在場景中漫游，通過視角的切換觀察實驗中的場景元素，系統以三維動畫的形式展現物料運送與裝配過程。

裝配仿真模塊中，系統支持展示其中各部件的介紹及工作狀態下的運動狀態，同時可以觀察機械臂裝配和螺母擰緊模組之間的組合運動。

裝配模塊由機械臂裝配和螺母擰緊模組組成，機械臂裝配模塊包括氣爪、夾具，螺母擰緊模組包括螺母送料結構、擰緊軸、螺母。虛擬組裝軟件配備豐富的機械工具箱，學生需要選擇正確的工具進行相關組裝操作，針對主要部件，組裝細節要求到每一個螺栓。實驗過程中，用戶可以對各零件進行360°自由觀察。

零部件由機械臂夾取，螺母擰緊模組固定，兩個模塊通過組合運動完成裝配。機械臂上裝有防碰撞傳感器足以完成正常的搬運，裝配。螺母擰緊模組基于三坐標移動，也可以完成正常的裝配。

實驗分為自動和手動兩種實驗模式：在手動模式下，點擊鼠標揀選機器人，機器人通過紅外探測裝置對可掃描的區域內貨物進行掃描。

機器人紅外探測掃描貨物

檢測系統得到信號并做出處理，識別是否為可疑貨物，然后做出撿捻或通過的反饋動作。發現可疑貨物，機器人準備將其隔離。檢測機器人件可疑貨物搬運至隔離區。貨物檢測通過后，傳送到的識別區域，物流機器人通過信號捕捉判別傳送帶上是否有貨物到來需要抓取，物流機器人檢測到貨物，準備抓取貨物。物流機器人根據預設軌跡，將貨物轉移至下一級傳送帶。

機器人將貨物轉移至下一級

貨物傳送至下料區后，搬運機器人通過預設的運動軌跡將貨物搬運到運輸車。運輸機器人通過預設的運動軌跡指令自動做出相對應的運動，將貨物輸送到倉儲區，完成完整的自動生產線流程。

機器人駕駛運輸車

機器人將貨物輸送到倉儲區，存放至倉儲區預設位置。演示模式下，系統自動播放該生產線工作的完整流程。拖動機械臂底座，可實現手動模式抓取貨物，并將貨物傳送至下一級傳送帶。

大尺寸工業機器人測量虛擬實驗

該實驗系統采用三維仿真技術，系統以工業機器人為運動機構，通過規劃機器人的運動軌跡，控制末端線結構光傳感器構造特征并采集處理數據，通過得到的物體表面三維點云數據，構建出三維數模。本實驗模擬了工業機器人柔性視覺測量系統的測量過程，實現了物體三維形貌的數據采集以及重構，有利于學生了解整個系統的測量原理和測量過程。

傳統的實物實驗教學中：1.受實驗設備體積大、占用場地大、實驗設備成本高的限制，無法滿足實際實驗教學中學生動手操作實驗的需求。2.因操作不當會威脅到學生人身安全，實驗設備損壞等問題

詳細的實驗操作截圖如下：

做實驗前，先對實驗設備進行基礎認識：

機器人構型虛擬實驗-zSpace版

本系統是針對各類院校機械專業配套開發的虛擬實驗軟件，能模擬真實實驗中用到的器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗環境。為保證系統的交互性和擴展性，該系統采用國際領先的Unity3D引擎開發而成。

系統采用獨有的頭部跟蹤立體顯示仿生技術，使立體圖像始終保持與體驗者真實視覺角度保持一致，這就大大增強3D立體沉浸體驗感。

用戶結合交互式觸筆，操作UI菜單，點選工作原理菜單進行互動學習，觸筆發射出的射線碰到實驗設備部件時能夠高光顯示并能夠顯示其設備名稱，系統以三維動畫配合文字/語音介紹的方式，展現設備的工作原理，同時支持用戶對其進行360°自由觀察。

交互式觸筆示意圖

Zspace版機器人構型實驗包括對10種典型機器人的三維組裝，包括kuka機器人，ABB機器人等；模型都是按照真實比例1:1建模，細節達到每一個螺絲都清晰可見，通過觸筆發射射線識別構型部件，并通過調整觸筆方向可對機器人進行組裝。

系統服務器端用戶分為學生、教師、教務管理員和系統管理員四種角色，不同角色擁有不同權限。

學生：選課、選擇實驗、開展實驗、接受實驗指導、在線提交實驗報告、保存和提交實驗結果、查詢實驗成績和批語。

教師：典型實驗庫維護、發布實驗、安排實驗、批改實驗報告、系統指導、統計并發布學生的實驗成績和批語。

教務管理員：課程計劃、開課計劃、選課日期設置、開課審核、開課查詢。

統管理員：用戶管理、分組管理、角色管理、權限管理、系統維護等。

性能指標

支持同時在線用戶數1萬人以上，經測試，系統運行穩定，不限終端用戶數，完全能滿足日常教學使用。

服務器運行環境

操作系統：WindowsServer，Linux/UnixServer

Web服務器：Tomcat6.0，JDK6.0

數據庫：MySQL

客戶端運行環境

操作系統：AllWindows系列

相關信息：

研制單位：北京潤尼爾網絡科技有限公司

通訊地址：北京市海淀區北三環中路44號院文教產業園1號樓郵政編碼：100876

TEL：400-888-3467010-59508493

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