前言

RobotSim 是我基於 Unity 3D 開發的機器手臂模擬系統（Robot Simulation），主要用於機器手臂自動化專案導入前的產線規劃模擬。

開發動機

在工業自動化專案中，傳統方式是先購買昂貴的機器手臂設備，然後在實際場地進行測試與調整。這種方式風險高、成本高，且調整空間有限。

RobotSim 提供了一個低成本、高彈性的 3D 模擬環境，讓自動化專案在實際導入前就能進行：

  • 工站整體空間配置分析
  • 手臂運動路徑驗證（Forward Kinematics & Inverse Kinematics）
  • 夾爪設計模擬測試
  • 多機器人協同作業模擬
  • 整體工站效率評估

這種「先模擬、再實作」的方式，能大幅提高專案執行成功率。

系統架構

核心技術

RobotSim 採用 Unity 3D 作為開發平台，利用 Unity 的跨平台特性與 3D 渲染能力，實現高效能的機器人運動模擬。

主要模組：

  1. 運動學模組 (Kinematic Module)
    • SixxRobotKinematic：六軸機器人運動學（KUKA、ABB、YASKAWA 等）
    • ScaraRobotKinematic：SCARA 機器人運動學
    • PARobotKinematic：平行機器人運動學（Delta Robot）
    • 支援 Forward Kinematics (FK) 與 Inverse Kinematics (IK)
  2. 機器人配置系統 (Robot Config)
    • 連桿長度參數 (L[10])
    • 軸極限值 (AxisLimits[6])
    • 軸速度與加速度 (AnglePerSec[6], AccAxis[6])
    • TCP 速度與加速度 (VelCp, AccCp)
    • 工作範圍 (Range)
    • Home 位置設定
  3. 機器人指令系統 (Robot Commands)
    • RobotCommandMotion：運動指令（PTP、LIN、CIRC）
    • RobotCommandSpline：曲線運動指令
    • RobotCommandGripper：夾爪控制指令
    • RobotCommandFlow：流程控制指令（IF、FOR、WHILE）
    • RobotCommandCondition：條件判斷指令
    • RobotCommandOperator：運算子指令
    • RobotCommandSystem：系統指令
    • RobotCommandValue：數值運算指令
  4. Unity 行為腳本 (Behaviour Scripts)
    • RobotBehaviour：機器人運動控制
    • ProgramBehaviour：程式執行與流程控制
    • ControllerBehaviour：控制器邏輯
    • RobotLinkBehaviour：連桿運動
    • RobotRotLinkBehaviour：旋轉關節運動
    • RobotSimSystemBehaviour：系統核心循環
  5. 雙機器人協同模組 (Dual Robot AOI)
    • DuoRobotPoint：雙機器人點位
    • RobotCommandDuoMotion：雙機器人同步運動
    • RobotCommandDuoSpeed：雙機器人速度控制
    • RobotCommandDuoTool：雙機器人工具控制

系統設計特點

單例模式 (Singleton Pattern)：

  • RobotSimSystem 採用單例模式設計
  • 確保系統核心只有一個實例
  • 多執行緒安全 (Thread-Safe with lock)

即時更新機制：

// RobotSimSystem.Update() - 每幀更新
- Forward Kinematics 更新所有機器人姿態
- 更新工具 (Tool) 位置
- 更新旋轉關節 (RotLink) 角度
- 更新連桿 (Link) 位置

軸限制檢查：

  • 每次運動前檢查軸角度是否在極限範圍內
  • 超出範圍時拒絕運動，保護模擬準確性
  • 模擬真實機器人的軸限制行為

核心功能

多品牌機器手臂支援

✅ KUKA - KR 系列工業機器人（如 KR3 R540, KR6 R900） ✅ ABB - IRB 系列工業機器人 ✅ YASKAWA - Motoman 系列工業機器人

多種運動學類型

✅ 六軸機器人 (Six-Axis Robot)：最常見的工業機器人類型 ✅ SCARA 機器人：平面四軸機器人，適用於組裝與取放作業 ✅ 平行機器人 (Parallel Robot)：Delta Robot，適用於高速取放作業

跨平台支援

開發環境：

  • Windows
  • macOS

執行環境（可匯出至）：

  • Windows 桌面應用
  • macOS 桌面應用
  • Web 瀏覽器（WebGL）
  • Android 行動裝置
  • iOS 行動裝置

程式設計方式

1. 拖拉式程式設計 (Drag-and-Drop Programming)

  • 視覺化程式介面
  • 適合初學者與教學使用
  • 快速驗證動作流程
  • 支援流程控制（IF、FOR、WHILE）

2. C# 程式語言 (C# Programming)

  • 完整程式控制能力
  • 適合進階應用開發
  • 可整合複雜邏輯與演算法
  • 直接操作 Unity API

運動控制功能

基本運動指令：

  • PTP (Point-to-Point)：點對點運動
  • LIN (Linear)：直線運動
  • CIRC (Circular)：圓弧運動
  • Spline：曲線運動（多點平滑軌跡）

進階功能：

  • 多機器人同步運動：可模擬多台機器人協同作業
  • 速度與加速度控制：精確模擬運動時間與軌跡
  • 工具坐標系 (Tool Frame)：支援工具偏移與旋轉
  • 基座坐標系 (Base Frame)：支援基座偏移

夾爪與工具控制

  • 支援多種夾爪模型
  • 夾爪開關控制
  • 工具姿態調整
  • Tool Flange 連結

教學應用

RobotSim 已應用於多所大學的機器人課程教學：

嘉南藥理大學（2018）

課程： 互動科技 - Unity - RobotSim 內容： Unity 3D 機器手臂模擬基礎、RobotSim 操作與程式設計 課程網站 | GitHub

實踐大學（2019）

課程： 機器手臂程式設計 內容： KUKA 機器手臂模擬、路徑規劃、程式設計實作 課程網站 | GitHub

亞洲大學（2020）

課程： 創意設計學院人工智慧工作坊 - KUKA 工業機器手臂 3D 動畫模擬與操作 內容： KUKA 機器手臂 3D 模擬、動畫製作、實際操作整合 課程網站 | GitHub

延伸專案： Leap Motion 與機器手臂整合 內容： 非接觸式手勢控制機器手臂、即時動作追蹤 專案介紹 | 課程網站 | GitHub

工業應用展示

RobotSim 也被應用於多個工業自動化專案的模擬規劃：

我參與的展示專案

1. RobotSim 模擬機器手臂團隊同步動作（2024年7月）

  • 多部機器手臂同步動作 3D 模擬
  • 協同作業路徑規劃驗證
  • 工站整體效率評估
  • 模擬技術開發時間：2018年3月
  • 專案介紹

2. YouTube RobotSim Demo 影片（2024年2月）

同事使用 RobotSim 的工業應用

RobotSim 被廣泛應用於各種工業場景的模擬驗證：

技術特點

運動學精度

Forward Kinematics (FK)：

  • 根據關節角度計算末端執行器位置
  • 即時更新 3D 模型姿態
  • 支援多種機器人構型

Inverse Kinematics (IK)：

  • 根據目標位置計算關節角度
  • 多解選擇機制
  • 軸限制檢查

低成本解決方案

傳統方案：

  • 需購買實體機器手臂（數十萬至數百萬元）
  • 需要實際場地進行測試
  • 調整錯誤成本高

RobotSim 方案：

  • 軟體模擬，無需購買實體設備
  • 電腦即可進行模擬測試
  • 快速試錯、調整成本低

跨平台優勢

  • 開發一次，可匯出至多個平台
  • Web 版本：方便展示與分享（無需安裝）
  • 行動版本：支援現場展示與客戶簡報
  • 桌面版本：高效能模擬與開發

教學友善

  • 視覺化介面，降低學習門檻
  • 完整的教學課程與教材
  • 開源教學網站，方便學習與參考
  • 3 所大學實際應用於課程

雙機器人協同

  • 同步運動控制：兩台機器人協同作業
  • 路徑協調：避免碰撞與干涉
  • 工作區域劃分：優化作業效率
  • 應用場景：大型工件處理、複雜組裝作業

技術資源

開源教學專案

論壇專案

相關連結

結語

RobotSim 提供了一個從運動學模擬到工業應用的完整機器手臂模擬解決方案。

核心價值

  1. 精確的運動學模擬
    • Forward Kinematics (FK) 與 Inverse Kinematics (IK)
    • 多種機器人構型支援（六軸、SCARA、Delta）
    • 軸限制與速度加速度模擬
    • 真實反映機器人運動特性
  2. 完整的程式設計能力
    • 拖拉式視覺化程式設計
    • C# 程式語言支援
    • 流程控制與條件判斷
    • 複雜邏輯整合
  3. 降低學習門檻與成本
    • 視覺化 3D 模擬環境
    • 完整的教學課程與教材
    • 3 所大學實際應用於課程
    • 開源教學專案可參考
  4. 工業應用價值
    • 產線規劃前的模擬驗證
    • 降低專案導入風險
    • 節省實體設備測試成本
    • 多機器人協同作業模擬
  5. 跨平台彈性
    • 開發環境：Windows、macOS
    • 執行環境：桌面、Web、行動裝置
    • 方便展示與分享
  6. 多品牌支援
    • KUKA、ABB、YASKAWA
    • 適用於不同品牌機器人的模擬需求
    • 統一的模擬介面

技術成就

RobotSim 從 2018 年 3 月開始開發多機器人同步動作功能，至今已經在教學與工業領域累積了豐富的應用案例。透過 Unity 3D 的跨平台能力與 C# 的程式設計彈性，RobotSim 成為了機器手臂自動化專案的重要模擬工具。

系統採用模組化設計，運動學、指令系統、行為腳本各司其職，易於擴充與維護。單例模式確保系統穩定性，即時更新機制保證模擬流暢度。從教學應用到工業驗證，RobotSim 持續為機器手臂自動化提供可靠的模擬基礎。

專案資訊

  • 開發：Yaze Lin
  • 開發單位：卓智機器人 Wise Tech Robot
  • 開發時間：2018 年起
  • 技術棧：Unity 3D, C#
  • 應用領域：教學、工業模擬、專案規劃、運動學研究