作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人 (cobots) 處于工廠自動(dòng)化技術(shù)的前沿。數(shù)字雙胞胎和虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 技術(shù)則處于設(shè)計(jì)和開發(fā)工具的前沿。將兩者結(jié)合，可以構(gòu)建一個(gè)工業(yè)虛擬實(shí)境，從而更快地提高生產(chǎn)率，即使是中小型企業(yè) (SME) 也能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

SME 的設(shè)計(jì)人員可以從簡單直觀的界面中獲益，該界面結(jié)合了數(shù)字雙胞胎、Delta 機(jī)器人、線性機(jī)器人或多軸機(jī)器人等實(shí)體設(shè)備的高精細(xì)虛擬模型以及 3 維 (3D) VR 環(huán)境，可以直接執(zhí)行和檢查機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)序列。

利用這些功能，即使沒有任何物理硬件，也能對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)和優(yōu)化，并快速探索多種解決方案的可能性。

本文首先回顧數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)描述型數(shù)字雙胞胎與可視化數(shù)字雙胞胎（VR 孿生）之間的區(qū)別，以及創(chuàng)建工業(yè)虛擬實(shí)境時(shí)為何需要這兩種技術(shù)。然后，介紹 [Igus] 機(jī)器人控制系統(tǒng)及相關(guān)軟件。找各種控制系統(tǒng)及軟件可用于在 3 維界面（可視數(shù)字雙胞胎）上模擬機(jī)器人，而無需使用任何物理硬件。此外，還介紹用于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化解決方案的兼容型 Delta、線性和多軸機(jī)器人。

數(shù)字雙胞胎和 VR 現(xiàn)實(shí)是互補(bǔ)技術(shù)，使用不同的可視化形式、交互方式和硬件。數(shù)字雙胞胎是基于數(shù)據(jù)的物理對(duì)象、系統(tǒng)或流程模型。數(shù)字雙胞胎適用于建模項(xiàng)目從最初構(gòu)思到退役和回收的整個(gè)生命周期。

VR 是也是一種使用數(shù)字模型且基于視覺的沉浸式技術(shù)。在 VR 環(huán)境中，可以模擬物體之間的關(guān)系和互動(dòng)，就像機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)一樣。因此，雖然這兩種技術(shù)都可用于設(shè)計(jì)和模擬，但數(shù)字雙胞胎技術(shù)側(cè)重于整體生命周期的考慮，而 VR 則側(cè)重于物理對(duì)象之間的交互。

虛擬實(shí)境 (metaverse) 將數(shù)字雙胞胎和 VR 結(jié)合到一個(gè)專門創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中，支持?jǐn)?shù)字對(duì)象和人之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)。虛擬實(shí)境通常與游戲有關(guān)，但也越來越多地應(yīng)用于商業(yè)和工業(yè)活動(dòng)中。

歡迎來到 iguverse

Igus 開發(fā)出 iguverse 虛擬實(shí)境，以支持工業(yè)環(huán)境中的工程互動(dòng)，如開發(fā)和部署機(jī)器人系統(tǒng)。iguverse 可通過 [Igus 機(jī)器人控制] (iRC) 軟件實(shí)現(xiàn)。使用這款免費(fèi)且無需許可證的應(yīng)用，用戶可以控制各類機(jī)器人，包括 Delta 機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人（機(jī)器人手臂）和龍門機(jī)器人。

該應(yīng)用為用戶提供了 3D 界面和 100 多個(gè)樣例程序。實(shí)施 iRC 的系統(tǒng)要求包括一臺(tái)安裝了 Windows 10 或 11（64 位）操作系統(tǒng)，具有 500 MB 可用磁盤空間和以太網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)連接功能的個(gè)人電腦（最低配置為 Intel i5 CPU）。

該軟件的核心是正在進(jìn)行編程的機(jī)器人 3D 數(shù)字雙胞胎。例如，工作空間為 500 x 500 x 100 mm 的三軸線性龍門機(jī)器人（如 [DLE-RG-0001-AC-500-500-100] 型機(jī)器人）或工作空間為 800 x 500 mm 的雙軸 xy 執(zhí)行器（如 [DLE-LG-0012-AC-800-500] 執(zhí)行器）（圖 1）。設(shè)計(jì)人員只需點(diǎn)擊幾下鼠即可能定義動(dòng)作，甚至在購買機(jī)器人之前就能使用 3 維模型確保所需的動(dòng)作是可行的。

圖 1：iguverse 中三軸龍門機(jī)器人的 3D VR 數(shù)字雙胞胎示例。（圖片來源：Igus）

除 iRC 軟件外，機(jī)器人控制器也是 iguverse 開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵要素。例如，[IRC-LG12-02000] 型控制器適用于 48 V 電機(jī)，有七個(gè)輸入端和七個(gè)輸出端，并配有一根 10 米長的電纜用于連接機(jī)器人。IRC 控制器包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，適用于各種尺寸的雙極步進(jìn)電機(jī)，且可進(jìn)行配置或預(yù)配置。這種控制器還配備了多個(gè)用于系統(tǒng)集成的接口或界面，具體如下：

• 可編程邏輯控制器 (PLC) 接口，用于通過數(shù)字輸入和輸出進(jìn)行控制，特別是通過 PLC 或按鈕輕松啟動(dòng)和停止程序
• Modbus TCP 接口，可通過 PLC 或 PC 進(jìn)行控制
• 通用機(jī)器人接口 (CRI) 以太網(wǎng)，用于使用 PLC 或 PC 進(jìn)行控制和配置
• 機(jī)器人操作系統(tǒng) (ROS) 界面，用于使用 ROS 操作機(jī)器人
• 物體探測(cè)攝像頭接口
• 用于遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)器人狀態(tài)的云接口

可支持的運(yùn)動(dòng)

由 iguverse 支持的、定義機(jī)器人受控動(dòng)作的各種運(yùn)動(dòng)（基本運(yùn)動(dòng)）。除了預(yù)配置的運(yùn)動(dòng)外，還可在 IRC 中配置多達(dá)三個(gè)在運(yùn)動(dòng)方面相互獨(dú)立的軸。預(yù)配置的運(yùn)動(dòng)功能包括：

• 2 軸和 3 軸 Detal 機(jī)器人
• 龍門機(jī)器人
  • 2 軸（X 軸和 Y 軸）
  • 2 軸（Y 軸和 Z 軸）
  • 3 軸（X 軸、Y 軸和 Z 軸）
• 機(jī)器人手臂（協(xié)作機(jī)器人）
  • 3 軸（1 軸、2 軸、3 軸）
  • 3 軸（2 軸、3 軸、4 軸）
  • 4 軸（1 軸、2 軸、3 軸、4 軸）
  • 4 軸（2 軸、3 軸、4 軸、5 軸）
  • 5 軸（1 軸至 5 軸）
  • 6 軸（1 軸至 6 軸）
• 4 軸 SCARA 機(jī)器人

編程簡單，可實(shí)現(xiàn)低成本自動(dòng)化

Igus 機(jī)器人和 IRC 旨在支持低成本自動(dòng)化。如果沒有一個(gè)易用的編程界面，就不可能做到這一點(diǎn)。僅需一個(gè) 3 鍵鼠標(biāo)或游戲手柄就能在 iguverse 中移動(dòng)和定位機(jī)器人。利用 IRC 軟件，用戶可以在 3 維界面上自由移動(dòng)數(shù)字雙胞胎的所有軸。即使沒有連接實(shí)體機(jī)器人，示教功能也能支持機(jī)器人控制軟件的開發(fā)。

要實(shí)現(xiàn)示教，用戶需要手動(dòng)將虛擬機(jī)器人移動(dòng)到所需位置，并定義其移動(dòng)方式。重復(fù)這一過程，直到構(gòu)建出完整的運(yùn)動(dòng)曲線。IRC 軟件中的工具中心允許用戶輕松添加匹配的末端執(zhí)行器（如抓手），并自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)器人上的工具中心點(diǎn)。此外，還可連接到更高級(jí)別的工業(yè)控制系統(tǒng)。

過程開始時(shí)，首先根據(jù)需要使用界面上的“連接”、“重置”和“啟用”按鈕激活機(jī)器人。IRC 上的 LED 狀態(tài)指示燈應(yīng)變?yōu)榫G色，此時(shí)狀態(tài)應(yīng)顯示“無故障”。現(xiàn)在可以使用“慢跑”選項(xiàng)卡輸入運(yùn)動(dòng)曲線（圖 2）。

圖 2：iguverse 沉浸式開發(fā)環(huán)境中的 "慢跑 "選項(xiàng)卡（左下角）可用于輸入運(yùn)動(dòng)曲線。（圖片來源：Igus）

龍門機(jī)器人

就像上述例子中的 iguverse 機(jī)器人一樣，龍門機(jī)器人由兩個(gè)基本 X 軸、一個(gè) Y 軸和一個(gè)可選的 Z 軸組成。Y 軸與兩個(gè)平行的 X 軸相連，在二維空間中來回移動(dòng)。可選的 Z 軸支持第三維運(yùn)動(dòng)。

Igus 的龍門機(jī)器人采用自潤滑塑料襯墊，與傳統(tǒng)的滾珠軸承設(shè)計(jì)相比，滑動(dòng)和滾動(dòng)更加平穩(wěn)、安靜。新設(shè)計(jì)重量更輕、耐腐蝕、免維護(hù)，這些都是 SME 的重要質(zhì)量要求。這些機(jī)器人的成本比傳統(tǒng)龍門機(jī)器人低 40%，投資回報(bào) (ROI) 更快，這對(duì)中小企業(yè)也至關(guān)重要。

這些機(jī)器人適用于兩類應(yīng)用：低速大負(fù)載或高速小負(fù)載。代表性的應(yīng)用包括包裝、拾放、貼標(biāo)簽、材料搬運(yùn)和裝配操作。

這些機(jī)器人的尺寸大小不一。可用的附件包括聯(lián)軸器、末端執(zhí)行器和電機(jī)法蘭。中型龍門機(jī)器人如下：

• [DLE-FG-0006-AC-650-650] 是二維平板式龍門機(jī)器人，工作空間為 650 x 650 mm。該機(jī)器人可處理重達(dá) 8 kg 的有效載荷，動(dòng)態(tài)速率高達(dá)每分鐘 20 次拾取操作。
• [DLE-RG-0012-AC-800-800-500] 是三維龍門架，工作空間為 800 x 800 x 500 mm。這種機(jī)器人可以處理重達(dá) 10 kg 的有效載荷，動(dòng)態(tài)速率高達(dá)每分鐘 20 次拾取操作。

碼垛能力

將產(chǎn)品碼垛以便裝運(yùn)，是制造業(yè)和物流業(yè)的日常操作。iguverse 的最新最大產(chǎn)品是 XXL 大型龍門機(jī)器人，其工作空間為 2,000 x 2,000 x 1,500 mm，非常適合 10 kg 以下的碼垛應(yīng)用。提供最大定制設(shè)計(jì)工作空間為 6,000 x 6,000 x 1,500 mm 的定制設(shè)計(jì)。

這些龍門機(jī)器人可以拾取重達(dá) 10 kg 的零件，以每秒 500 mm 的速度傳送并將其放置在托盤上，重復(fù)精度為 0.8 mm（圖 3）。與同類系統(tǒng)相比，Igus 碼垛機(jī)器人解決方案的成本最多可降低 60%。

圖 3：碼垛是制造和物流作業(yè)中常見而重要操作活動(dòng)，可使用龍門機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。（圖片來源：Igus）

Delta 機(jī)器人

與龍門機(jī)器人一樣，Delta 機(jī)器人也提供兩軸或三軸選擇。Delta 機(jī)器人有一個(gè)圓頂形的工作包絡(luò)面，安裝在工作區(qū)上方。這類機(jī)器人具有極快的速度，通常用于物料搬運(yùn)和零件放置。Igus Delta 機(jī)器人如下：

• [RBTX-IGUS-0047] 采用三軸設(shè)計(jì)，工作空間直徑為 660 mm。這款機(jī)器人的精度為 ±0.5 mm，最大有效載荷為 5 kg，最大速度為 0.7 m/s，每分鐘最多可拾取 30 次。（圖 4）。
• [RBTX-IGUS-0059] 采用 2 軸設(shè)計(jì)，工作空間直徑為 700 mm。該機(jī)器人的精度也是 ±0.5 mm。其最大有效載荷為 5 kg，最大速度為 2 m/s，每分鐘最多可進(jìn)行 50 次拾取。

圖 4：Igus iRC 旁邊的三軸 Delta 機(jī)器人（左）。（圖片來源：DigiKey）

關(guān)節(jié)臂機(jī)器人

iguverse 還支持關(guān)節(jié)臂機(jī)器人。協(xié)作機(jī)器人可以有 2 到 10 個(gè)或更多的軸，也稱為自由度 (DOF)。這類機(jī)器人通常有較大的工作范圍，可以與人合作來完成復(fù)雜的任務(wù)。Igus 的 [REBEL-6DOF-02] 型機(jī)器人有 6 個(gè) DOF，[REBEL-4DOF-02]型機(jī)器人有 4 個(gè) DOF。兩者的精度均為 ±1 mm，標(biāo)稱工作范圍為 400 mm，以 200 mm/s 的線速度，每分鐘至少可完成 7 次拾取。

6 DOF 型號(hào)的最大有效載荷為 2 kg，最大行程為 664 mm。4 DOF 型號(hào)的最大有效載荷為 3 kg，最大行程為 495 mm（圖 5）。

圖 5：具有 4 DOF（左）和 6 DOF（右）的關(guān)節(jié)臂機(jī)器人。（圖片來源：Igus）

總結(jié)

iguverse 沉浸式工業(yè)虛擬實(shí)境結(jié)合了數(shù)字雙胞胎和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提供了可快速開發(fā)和部署機(jī)器人解決方案的工具。這種工業(yè)虛擬實(shí)境免費(fèi)，無需許可證，且可在本地 PC 上運(yùn)行，而無需云連接。這種虛擬實(shí)境可用于開發(fā)、測(cè)試機(jī)器人解決方案，而無需實(shí)體機(jī)器人。

這種虛擬實(shí)境支持 Delta 機(jī)器人、龍門機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人 (cobots) 和 SCARA 機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)功能。IRC 包括一系列支持自動(dòng)化和操作需求的接口，其中包括 PLC 接口、Modbus TCP/IP、CRI 以太網(wǎng)、ROS 接口、對(duì)象檢測(cè)攝像頭接口和云接口。Igus 的 iguverse、iRC 和相關(guān)機(jī)器人經(jīng)過優(yōu)化，可滿足 SEM 的低成本自動(dòng)化需求。

審核編輯 黃宇