基于Robotmaster的工業(yè)機器人虛擬仿真實驗平臺設計

(1.遼寧裝備制造職業(yè)技術學院 自控學院，遼寧 沈陽 110161；2.沈陽工業(yè)大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

1 引言

工業(yè)機器人作為機電一體化的典型設備，廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)自動化的各個領域，尤其適用于焊接、搬運、機加和噴涂等重復性勞動強度高、工作環(huán)境差的場合[1-2]。從2014年以來，中國已成為工業(yè)機器人需求增長最快的國家之一。預計至2017年，我國機器人整體市場需求量約11.5萬臺，同比增長25%[3-4]。隨著中國工業(yè)機器人市場的強勢發(fā)展，高素質(zhì)高技能專門人才的短缺已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

目前，遼寧裝備制造職業(yè)技術學院正致力打造工業(yè)機器人人才培養(yǎng)體系，有目的地為企業(yè)輸送服務于生產(chǎn)第一線崗位的工業(yè)機器人應用型人才。為了與企業(yè)實現(xiàn)零距離對接，學院開發(fā)了相應的實訓課程，這就需要有配套的實訓環(huán)境作保障。而建立一個優(yōu)質(zhì)的工業(yè)機器人實訓室不僅需要購置機器人本體，還需要配備必要的外圍設備，如氣動裝置、檢測系統(tǒng)、送料機構等，這使得實驗室的投入成本大大增加。同時，還要考慮到實驗過程中的物料設備損耗以及人身安全等因素。從教學反饋來看，雖然真實的機器人設備能夠給學生提供直觀、切身的體驗，但是實際情況往往受到設備數(shù)量的限制只能讓學生分組分批次的進行實驗，況且也只能讓學生觀看實驗結果，而未能真正給學生獨立編程、調(diào)試的機會。因此，建立智能化的虛擬工業(yè)機器人仿真實驗平臺是解決以上問題的最佳途徑。

2 虛擬實驗平臺的構建

2.1 Robotmaster虛擬仿真軟件簡介

Robotmaster是一款優(yōu)秀的離線編程軟件，支持市場上的絕大多數(shù)機器人品牌，如KUKA、ABB、FANAC等[5]。該軟件具有強大的動態(tài)交互能力，用戶可以以手動或自動的方式輕松修改機器人的位姿和軌跡。在企業(yè)項目規(guī)劃階段，可借助Robotmaster軟件在實際機器人運行之前先進行位姿模擬和試運行，不僅可以提高企業(yè)生產(chǎn)效率還能降低調(diào)試成本。此外，Robotmaster軟件集成了更強大、更直觀的工作空間分析功能，能幫助用戶迅速確定工件的最佳位置，并能結合動態(tài)重算功能清晰地顯示環(huán)境變化對所有操作的全部影響。這就避免了工業(yè)機器人在運行中可能的誤操作造成的傷害和損失。在調(diào)試階段，Robotmaster可以在PC機上完成用戶控制和干預過程，得到各種相關數(shù)據(jù)。同時，該仿真平臺能定制工業(yè)機器人工作工程的示教畫面，增強視覺真實感。

Robotmaster還配有強大的控制工具，可以應用于任何的過程設置，如工具轉(zhuǎn)動、傾斜、回轉(zhuǎn)等位置，可以做到幾個參數(shù)的同時優(yōu)化，并實時顯示機器人各關節(jié)位姿參數(shù)[6]。

2.2 工業(yè)機器人虛擬實驗平臺的總體框架

工業(yè)機器人虛擬實驗平臺的設計采用分級設計思路，先根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能劃分出第一級菜單，然后再對各個子菜單進行設計，正確劃分和歸類各級菜單是保證系統(tǒng)有效運行的前提。圖1為工業(yè)機器人虛擬實驗平臺的總體框架。

首先，用戶先進入登錄界面，輸入自己的用戶名和密碼，進入虛擬實驗平臺后可以直接選擇需要完成的實驗，也可以選擇相關示教過程或下載相關資料來學習，或是查看以往的實驗成績。實驗做完后可以點擊保存，提交實驗報告，并可以在師生互動區(qū)與教師和同學進行交流并分享經(jīng)驗，也可以展示自己的實驗成果，形成學生之間的互評和教師點評，或?qū)ο到y(tǒng)反饋一些問題，這些問題會提交到服務終端，由管理員統(tǒng)一處理。

圖1 工業(yè)機器人虛擬實驗平臺的總體框架

3 虛擬仿真實驗內(nèi)容

根據(jù)工業(yè)機器人在工業(yè)自動化領域的應用調(diào)研，可將實驗內(nèi)容劃分為4個模塊，即搬運、焊接、加工、噴涂。利用Robotmaster的仿真動畫可觀看機器人在不同工作站的獨立操作，或單個工作站在連續(xù)模式或步進模式下的機器人運動。由此可實現(xiàn)對不同工作狀況和不同工作場景下的虛擬仿真。這樣的好處是一方面學生可以通過觀看仿真過程深入了解和掌握工業(yè)機器人的安裝、調(diào)試及維護保養(yǎng)等專業(yè)技能。另一方面，學生通過自己動手完成工業(yè)機器人的典型仿真實驗，可以輕松獲取操作機器人的方法，并及時總結經(jīng)驗。

3.1 焊接機器人實驗設計

焊接機器人在汽車制造工業(yè)中有著廣泛的應用，在工業(yè)機器人發(fā)展初期，幾乎一半左右的工業(yè)機器人為焊接機器人[7]。Robotmaster軟件有專門的焊接指令庫，可以模擬整個焊接過程。實驗前，教師可以介紹焊接機器人的各個工作站，并在教師機上構造機器人系統(tǒng)，利用編程和操作完成工藝要求，讓學生能夠清晰認識機器人的關節(jié)運動、軌跡規(guī)劃、碰撞檢測等環(huán)節(jié)。在自主實驗中，學生可以自行設計運行軌跡，并通過編程模擬來驗證方案是否可行，進而選取和優(yōu)化焊接軌跡。圖2為Robotmaster中的焊接機器人虛擬系統(tǒng)。

3.2 搬運機器人實驗設計

搬運機器人為應用機器人運動軌跡實現(xiàn)代替人工搬運的自動化產(chǎn)品。搬運機器人的優(yōu)點是可以通過編程完成各種預期的任務，尤其體現(xiàn)出了人工智能和適應性。搬運機器人要執(zhí)行的任務是將工件從一個加工位置移到另一個加工位置，從而取代人完成復雜繁重的體力勞動[8]。通過安裝不同的末端執(zhí)行器就可以實現(xiàn)不同形狀工件的搬運作業(yè)。搬運機器人廣泛應用于自動化生產(chǎn)線、倉儲搬運、裝配流水線、機床自動上下料等場合。在虛擬實驗設計中要把握幾個關鍵點，如原點位置、待抓取點、抓取點、待放置點、放置點等，據(jù)此建立程序框架、編寫程序、調(diào)試運行。到位準確、運行平穩(wěn)是評價搬運機器人的重要指標。圖3為搬運機器人在生產(chǎn)線上搬運大型玻璃虛擬系統(tǒng)。

圖2 焊接機器人虛擬系統(tǒng)

圖3 搬運機器人虛擬系統(tǒng)

3.3 加工機器人實驗設計

實驗項目以激光加工機器人為例，使用FANUC機器人實現(xiàn)高精度的激光加工作業(yè)，如圖4所示。該系統(tǒng)通過對加工工件的自動檢測，產(chǎn)生加工件的模型，繼而生成加工曲線，也可以利用CAD數(shù)據(jù)直接加工。可用于工件的表面處理、打孔、修復等。建立工作站的步驟為激活機器人類型→設定機器人參數(shù)→設定坐標系參數(shù)→設定起始點和結束點參數(shù)→設定軸配置參數(shù)→保存參數(shù)→開始仿真。在仿真窗口中可以處理并驗證刀具路徑，然后生成相應的機器人代碼。這樣，機器人就會按照制定程序完成加工要求，并能保證加工精度。

圖4 FANUC加工機器人虛擬系統(tǒng)

3.4 噴涂機器人實驗設計

噴涂機器人是可進行自動噴漆或噴涂其它涂料的工業(yè)機器人，廣泛應用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門[9]，如圖5所示。以FANUC P-250iA115機器人為例，在工業(yè)應用中可達最大的工作范圍：1400arms；最快的關節(jié)速度：1500mm/s，榮幸的密封中空手腕[10]。仿真前要先進行參數(shù)設置，包括流量、物化氣壓、噴幅氣壓以及靜電量等，所有設置都是通過模擬量信號輸出，這些參數(shù)都可以直接在機器人程序中直接調(diào)用。機器人動作時，可以通過視角盤直接控制噴槍，選擇換色時序，也可以配合換色時序添加機器人動作，提高生產(chǎn)節(jié)拍。

圖5 噴涂機器人虛擬系統(tǒng)

4 虛擬仿真平臺的實驗過程

傳統(tǒng)的機器人技術教學實驗都是以已經(jīng)搭建好的裝置為研究對象，各類傳感器、驅(qū)動器、控制柜都已連接完畢，學生只能在實驗中觀看動作流程，無法實現(xiàn)提高學生專業(yè)技能的目標。采用虛擬仿真技術可以讓學生自主規(guī)劃機器人的運動軌跡，模擬真實的生產(chǎn)場景。這樣不僅可以提高學生在機械、電氣方面的設計能力，還能開發(fā)學生的創(chuàng)新能力。圖6為建立一個工業(yè)機器人實驗項目的主要過程。

圖6 工業(yè)機器人仿真實驗流程圖

5 虛擬仿真實驗平臺的優(yōu)勢

Robotmaster工業(yè)機器人虛擬仿真實驗平臺的構建是對傳統(tǒng)教學手段的改進和補充，具有以下幾點優(yōu)勢：

(1)優(yōu)化教學資源，深化教學改革。

設計綜合性的工業(yè)機器人虛擬實驗平臺，使得教學資源得到了質(zhì)的延伸。傳統(tǒng)的工業(yè)機器人實驗課程往往針對特定的工況來設計教學內(nèi)容，由于單一的工業(yè)機器人系統(tǒng)受其特定工況的限制，如焊接機器人配置了焊槍及轉(zhuǎn)臺，因此這套設備就只能做焊接實驗，要想改變其功能必須配置相應的外圍設備，成本高、靈活性差；而采用虛擬工業(yè)機器人實驗平臺可以根據(jù)需要來選擇機器人的功能，使其適應于不同的工況和工作場景，這不僅豐富了教學內(nèi)容，而且進一步深化了教學改革。

(2)轉(zhuǎn)變教學模式，改善教學效果。

采用Robotmaster的工業(yè)機器人虛擬實驗平臺，有助于開展項目式教學，教學模式可以是“理實一體化”，也可以是“項目導入-任務驅(qū)動”。根據(jù)任務要求，搭建合適的工作場景，自主設計控制系統(tǒng)，選擇檢測裝置，真正實現(xiàn)以學生為主體，教師為引導的一體化教學體系，使學生體驗教學和真是工作崗位的零距離銜接。

(3)提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

利用Robotmaster中包含不同的工業(yè)機器人品牌及外圍設備元件庫，學生可以自行規(guī)劃機器人的運動軌跡，然后生成相應的機器人程序，通過調(diào)試運行驗證工藝的可行性，使得方案得到進一步優(yōu)化。這樣不僅能加深學生對工業(yè)機器人系統(tǒng)工作原理的理解，還能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，實現(xiàn)高質(zhì)量的人才培養(yǎng)目標。

6 結束語

虛擬工業(yè)機器人仿真平臺和實際工業(yè)機器人應用相結合的教學方法已進入試運行階段，以工業(yè)機器人專業(yè)1班為試點班，2班為對比班，經(jīng)過一輪的授課，試點班師生教學反饋良好，該方法提高了學生的學習興趣，增強了自主學習能力。與對比班比較后發(fā)現(xiàn)，試點班的整體學習成績得到了大幅度提高，教學效果得到進一步改善。此外，虛實結合的課堂訓練，既滿足了教學需求又降低了投入成本，為高職學?！敖?學-做”一體化的教學模式注入了新的元素。此輻射效果是雙贏的，對學生而言，可以體驗真實的崗位環(huán)境；對教師而言，可以感受全新的教學模式。因此，建設虛擬工業(yè)機器人仿真實驗平臺必將成為實現(xiàn)應用型人才培養(yǎng)目標的發(fā)展趨勢，具有較好的推廣價值。

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