工業(yè)機(jī)器人集成教學(xué)仿真軟件開(kāi)發(fā)*

王永紅

（廣州市信息工程職業(yè)學(xué)校，廣州 510610）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人已成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，廣泛應(yīng)用工業(yè)控制各個(gè)領(lǐng)域，為了適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，很多職業(yè)院校開(kāi)設(shè)了工業(yè)機(jī)器人相關(guān)專(zhuān)業(yè)及課程[1]。從職業(yè)院校、技工院校及機(jī)器人使用企業(yè)三個(gè)維度開(kāi)展調(diào)研，走訪(fǎng)了25所單位，發(fā)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人呈現(xiàn)使用品牌多、應(yīng)用場(chǎng)所廣、購(gòu)買(mǎi)成本高等現(xiàn)狀，針對(duì)工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)存在的問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)一款集成常用工業(yè)機(jī)器人品牌和典型應(yīng)用案例的教學(xué)仿真軟件，解決工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)存在的問(wèn)題，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 環(huán)境選擇

根據(jù)軟件開(kāi)發(fā)要求及實(shí)現(xiàn)功能，開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇.NET環(huán)境下Unity開(kāi)發(fā)平臺(tái)，客戶(hù)端選擇PC客戶(hù)端，建議硬件配置如表1所示。

表1 建議硬件配置

2 三維建模

實(shí)體模型是仿真系統(tǒng)重要組成部分[2]，軟件開(kāi)發(fā)前，需要進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目全過(guò)程三維建模，主要包括實(shí)訓(xùn)車(chē)間場(chǎng)景、工業(yè)機(jī)器人及相關(guān)輔助設(shè)備。

（1）實(shí)訓(xùn)車(chē)間場(chǎng)景建模

通過(guò)實(shí)訓(xùn)車(chē)間實(shí)地考察，拍攝實(shí)訓(xùn)車(chē)間環(huán)境照片，按照1∶1方式，采用3DMax軟件建造出三維工作場(chǎng)景模型。在場(chǎng)景建模過(guò)程中，使用Photoshop軟件制作紋理材質(zhì)貼圖，設(shè)置Unity引擎燈光系統(tǒng)產(chǎn)生光影效果，增強(qiáng)逼真程度。

（2）工業(yè)機(jī)器人建模

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，它能自動(dòng)執(zhí)行工作，是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器[3]。按照真實(shí)工業(yè)機(jī)器人的外形，根據(jù)不同工作場(chǎng)景，采用3DMax軟件建造出不同重量級(jí)的工業(yè)機(jī)器人模型，適應(yīng)完成不同的項(xiàng)目任務(wù)。

（3）輔助設(shè)備建模

輔助工業(yè)機(jī)器人完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)備為輔助設(shè)備，每個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目不同，輔助設(shè)備也不同，需要根據(jù)具體項(xiàng)目分類(lèi)建模。

3 軟件開(kāi)發(fā)

工業(yè)機(jī)器人集成教學(xué)仿真軟件采用模塊結(jié)構(gòu)，主要?jiǎng)澐譃橛脩?hù)登錄、品牌選擇、項(xiàng)目選擇、任務(wù)介紹、場(chǎng)景瀏覽、交互操作及示教編程等模塊。

（1）用戶(hù)登錄

用戶(hù)登錄界面設(shè)計(jì)了用戶(hù)名輸入框、密碼輸入框及登錄按鈕等[4]，當(dāng)輸入密碼時(shí)，系統(tǒng)不顯示鍵入字符，采用遮掩碼代替。用戶(hù)啟動(dòng)系統(tǒng)后，首先顯示用戶(hù)登錄界面，用戶(hù)輸入用戶(hù)名及密碼，點(diǎn)擊登錄按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)將輸入用戶(hù)信息與數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶(hù)列表信息進(jìn)行比對(duì)，如果用戶(hù)合法，進(jìn)入系統(tǒng)，如果用戶(hù)不合法，給出錯(cuò)誤提示信息，用戶(hù)登錄界面設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

（2）品牌選擇

品牌選擇界面集成了ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA、三菱及廣數(shù)6種常用品牌工業(yè)機(jī)器人供用戶(hù)選擇[5]，品牌選擇界面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（3）項(xiàng)目選擇

項(xiàng)目選擇界面集成了搬運(yùn)、碼垛、裝配、涂膠、描軌及上下料6種典型工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用案例供用戶(hù)選擇，項(xiàng)目選擇界面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 用戶(hù)登錄界面設(shè)計(jì)流程圖

圖2 品牌選擇界面結(jié)構(gòu)

圖3 項(xiàng)目選擇界面結(jié)構(gòu)

（4）任務(wù)介紹

任務(wù)介紹界面針對(duì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目做什么、怎么做及注意事項(xiàng)等方面進(jìn)行說(shuō)明，為實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目提供了規(guī)范性操作說(shuō)明，任務(wù)介紹主要包括項(xiàng)目任務(wù)、操作說(shuō)明及注意事項(xiàng)3部分，任務(wù)介紹界面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（5）場(chǎng)景瀏覽

虛擬場(chǎng)景分為動(dòng)態(tài)模型與靜態(tài)模型，能夠移動(dòng)的模型為動(dòng)態(tài)模型，不可移動(dòng)的模型為靜態(tài)模型，通過(guò)瀏覽虛擬場(chǎng)景熟悉實(shí)訓(xùn)環(huán)境，場(chǎng)景瀏覽界面結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 任務(wù)介紹界面結(jié)構(gòu)

圖5 場(chǎng)景瀏覽界面結(jié)構(gòu)

（6）交互操作

仿真軟件交互操作性是指用戶(hù)對(duì)仿真系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)器人和設(shè)備的可操作程度及得到反饋的自然程度[6]。在三維虛擬空間中，通過(guò)虛擬設(shè)備選取、工業(yè)機(jī)器人操作及場(chǎng)景碰撞，產(chǎn)生實(shí)時(shí)反饋信息，實(shí)現(xiàn)操作仿真化交互，交互操作基本過(guò)程如圖6所示。

（7）示教編程

工業(yè)機(jī)器人是一種能夠按照預(yù)先設(shè)定程序自動(dòng)運(yùn)行的智能化設(shè)備[7]，屬于面向工業(yè)領(lǐng)域“示教再現(xiàn)型”機(jī)器人。在機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)中，首先加載機(jī)器人應(yīng)用程序到示教器；然后用戶(hù)操作示教器面板，移動(dòng)機(jī)器人到各個(gè)示教點(diǎn)，并將各個(gè)示教點(diǎn)的位置及姿態(tài)等數(shù)據(jù)賦值到程序相應(yīng)點(diǎn)信息中；最后機(jī)器人按照程序及示教點(diǎn)設(shè)定的軌跡自動(dòng)運(yùn)行，機(jī)器人示教編程基本過(guò)程如圖7所示。

圖6 交互操作基本過(guò)程

圖7 示教編程基本過(guò)程

4 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人集成教學(xué)仿真軟件經(jīng)過(guò)測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。在《機(jī)器人操作與編程》課程教學(xué)中，應(yīng)用教學(xué)仿真軟件[8]，節(jié)約了教學(xué)成本，提高了教學(xué)質(zhì)量。該軟件在職業(yè)院校及企業(yè)推廣應(yīng)用，產(chǎn)生了產(chǎn)業(yè)價(jià)值共計(jì)26.38萬(wàn)元，有很好的應(yīng)用價(jià)值。