目前，工业机器人成为现在工业制造领域的重要力量，研究工业机器人在自动化生产过程中的应用成为热点[1-3]。同时，随着计算机技术的发展，使得虚拟仿真技术得到提高，涌现出了大量的虚拟仿真培训教学系统[4-5]，在职业技术教育中发挥了重要作用。文献[6]利用Matlab平台结合Robotics Toolbox工具箱对ABB IRB1660机器人改装为空间点焊机器人后的运动进行了分析。文献[7]利用机器视觉技术实现了工业机器人分拣系统的设计，取得了良好的效果。文献[8]介绍了基于Unity3D的改进实时红外仿真系统的设计及技术路线，获得的良好的可视化效果。文献[9]介绍了利用Unity进行模型虚拟装配系统的技术路线，获得了较高的沉浸感。为此，本文利用Unity引擎作为仿真环境，以FANUC LR Mate200iD机器人为研究对象，对如何利用该引擎从模型导入、渲染美化、坐标系建立，正、逆向运动学与机器人交互控制相结合等进行阐述。本文工业机器人虚拟仿真实验系统的技术路线（图1）。
一、建模与格式转换
Unity是目前较为流行的虚拟仿真实现引擎，其虽然能够提供虚拟仿真环境，但是由于该引擎本身提供的建模功能较为简单，仅能提供较少的基本几何体的建模如Cube,Sphere等，同时考虑机器人模型的结构特征，为实现精细建模，选用机械软件模型绘制，本文中将Catia中的三位模型导出stp格式，然后倒入到3Dmax软件中转为FBX格式，再导入到Unity中进行美化与模型调整。
二、Unity模型美化与结构调整
Unity仿真引擎提供了多种光源类型，如平行光、点光源、聚光灯和面光源，可以为场景营造良好的光照效果。同时提供材质与渲染功能，通过调整材质属性与添加贴图等方式，可建立可视化效果良好的虚拟仿真环境，增强场景沉浸感，如图2所示。由于FANUC LR Mate200iD机器人为6自由度机器人，同时都是旋转关节，机器人每个关节都是由上一级关节运动带动下一级运动。为此考虑需要将机器人的三维模型建立父子结构方式实现运动控制，如图3所示。
三、机器人运动学分析及Unity实现
为便于描述机器人相邻连杆之间的相对位置和相对运动关系,采用D-H方法建立参数表。通过分析FANUC LR Mate200iD与文献[10]中介绍的钱江1号机器人结构相似，借鉴文献[10]中方法构建了如下连杆坐标系如图4所示与参数表如表1所示。
四、人机交互控制
1.基于手动的控制形式
手动控制一般用于示教过程中的调节，一般包含基于关节的运动与基于笛卡尔坐标系的运动。（1）基于手动的关节运动控制可以理解为通过给定关节角度驱动机器人运动到目标位置，用户可以很方面的控制每个轴的运动，从而到达目标位置。（2）基于手动的笛卡尔运动控制可以理解为以笛卡尔坐标系的描述运动，运动轨迹为沿三个坐标轴的移动与沿三个坐标轴的旋转。
2.基于指令的控制形式
在机器人的的指令控制中通常分为关节运动指令、直线运动指令、圆弧运动指令。（1）在本系统中关节运动指令执行任务时先查询机器人当前的关节角度，根据目标关节角度与当前关节角度的差值结合速度值，计算出合理的关节角插值。但这种运动方式通常具有运动路径的不确定性，如图9中J指令执行轨迹所示。（2）在本系统中直线、圆弧指令执行任务时先查询机器人当前的关节角度，依据正向运动学，计算当前位姿，根据目标位姿与当前位姿差值结合速度值，计算出合理的位姿插值。通过逆向运动学计算驱动机器人运动的关节角度。如图9中L指令、C指令执行轨迹。在FANUC机器人产品中，编程指令J表示关节运动指令、L表示直线运动指令、C表示圆弧运动指令。通过在图7架构开发的虚拟仿真系统中编程指令如图8中所示，可以得到如图9中所示的运动轨迹。
五、结语
综上，本文以FANUC LR Mate200iD型号工业机器人为研究对象详细阐述了工业机器人虚拟仿真系统搭建的技术路线与关键点以及如何利用Unity引擎实现仿真系统，为开展机器人虚拟仿真实验进行相关算法验证与开发相关的应用系统提供一定的借鉴意义。
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【作者简介】郭传社（1987.02-），男，汉族，山东省济南市人，硕士研究生学历，山东哈工卓越智能有限公司，主要研究方向：智能制造及其信息化。