工研院機器人模擬器介紹

摘要：本文介紹工研院目前開發中的機器人模擬器與其應用，內容包含模擬器的功能與架構，以及模擬器應用案例的說明，而本軟體功能涵蓋模型建置、虛實模擬、控制器開發、演算法開發、雛形驗證以及流程規劃等功能，應用則提到影像視覺用於隨機取物、無人搬運車尋軌控制開發、以及力量感測開發等，透過機器人單元的模擬，能事先得知作業的生產情形，並針對可能的問題進行模擬與解決，而能有效地提升生產效率。

Abstract: The ITRI-Robotic simulator are introduced in this article. It includes the function descriptions, software structures, and industrial applications. There are many features including model setting, cyber physic simulation, controller development, analysis of algorithms, and flow planning. The applications include machine vision for random picking, AGV track control development, and force sensing development. By using it, users can simulate the procedure of tasks. If a problem occurs, users can also acquire sufficient information in order to solve it. Therefore, we can use the ITRI-Robotic simulator to improve the manufacturing efficiency.

關鍵詞：工業機械手臂、數位模擬、自動化系統

Keywords：Industrial Manipulator, Digital Simulation, Automation System

前言
越來越多的工業應用廣泛使用機器人來提高生產效率，常見的有用於工廠自動化上下料的機械手臂以及廠內的無人自動搬運車，當然還有許多不同形式且用於較專精應用的機械手臂，如組裝用的雙臂機器人、研磨拋光用的大型磨拋機器人還有焊接塗裝用的噴塗機器人等等，但由於產品種類越來越多元化，傳統的生產方式無法應對少量多樣的需求，如何快速且便利地去使用機器人來協助生產製造，並進行必要的分析，便成為了一個重要的議題。

由於自動化與智慧化的發酵，許多創新思維的解決方案被發展出來，而為了能夠達到快速且便利精準去評估與應用，不外乎導入模擬技術了，透過預先模擬，除了能夠縮短實際建置所需要耗費的成本時間，更能夠作為一個產品或概念的展示，模擬所提供的模型越接近實體，越能夠完整地呈現出該有的趨勢與現象，能夠幫助我們理解一個龐大系統的架構，並從而得到一些可供後續參考的數據，因此，模擬軟體的發展十分的具有潛力，其可應用的領域也有同樣潛力。

本軟體包含一些基本的介面功能與3D可視操作功能，並提供介面擴充設計，針對不同使用者族群，提供不同的相對功能，如一般的使用者可使用軟體進行工作空間佈置、機器人運動模擬、碰撞檢查、與流程分析等功能，進階的使用者可藉由軟體提供的擴充介面來強化軟體的特定功能，用以滿足特定的需求，像是隨機取物機器人的開發，透過擴充介面導入姿態估測的演算法，即可利用軟體來評估演算法的效率與成功率，而不必花大錢購置機械臂與感測設備，對於專注開發演算法或特定功能的開發者而言，不需要接觸硬體即可達到一定程度的效果是一大福音。另外在工廠應用中，傳統上的作法往往倚賴老師傅或是專家的經驗來搭建生產單元，除了造成許多時間與材料上的浪費外，更容易造成硬體的配置與設計的品質無法被精確掌握，失敗的風險相對地提高，若是在硬體實際建置前，先行進行模擬演算，並仔細確認製造單元的瓶頸，從而加以改善，便可大幅縮短系統從建置到上線所耗費時間，並減少不必要的成本消耗，對後續的修改、複製與擴散皆有很大的幫助。

功能與架構
本軟體採用Client Server架構來強化軟體的可靠度，透過通訊機制的建立，模擬軟體也可以與實際機械手臂連線，並進行資料讀取與控制，而基本功能包含機械手臂與無人搬運車的模擬，可視化的3D操作，簡易的運動控制介面，視覺感測器的模擬，進階的軌跡規劃、檔案處理與通訊機制等功能，而功能亦不斷地在擴充與發展中，如圖1即為本軟體使用者介面。

本軟體介面主要分成以下：

1. 檔案與分析操作介面：位於上方列的檔案操作介面，可進行開關檔案讀取功能，儲存的資料包含場景內的所有模型設定以及對應各模型的控制語言，檔案操作的右方是控制語言Script系統的操作，使用者可使用Script系統來進行機械手臂控制、無人搬運車控制、感測器控制、視覺影像處理以及場景管理等。
2. 模型資料庫：左方的模型資料庫包含兩個可縮放框架，其一是所有模型的展示，另一個是模型的列表與參數設定介面，本軟體採用SDF語法作為模型的檔案格式，並支援STL、DAE等3D格式。
3. 3D可視化操作介面：位於中間的3D操作介面，可拖拉模型，進行各種空間布局，並具有視覺感測器顯示視窗，可清楚看到即時的虛擬影像畫面。
4. 可擴充功能介面：右方的可擴充功能介面，包含各模型可擴充操作介面以及對應的Script編輯介面，透過可擴充介面與通訊機制，可強化模擬器的基本功能，作為特定應用所需的技術進行開發。

除了基本功能說明外，接下來將介紹模擬軟體的應用實例。