虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

朱新杰，王慶九，顧大強(qiáng)，楊將新

（浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

工業(yè)機(jī)器人是綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測及精密機(jī)械裝置等高新技術(shù)的產(chǎn)物，是技術(shù)密集度及自動(dòng)化程度很高的典型機(jī)電一體化加工設(shè)備[1]。日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）給出的定義是：一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過自動(dòng)完成各種移動(dòng)來代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器[2]。工業(yè)機(jī)器人是“中國制造2025” 的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，是構(gòu)成“智慧工廠” 和 “智能物流” 的核心要素，其發(fā)展水平和應(yīng)用規(guī)模將在一定程度上決定我國由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)型的深度和廣度。為適應(yīng) “新工科” 背景下的人才培養(yǎng)要求，越來越多的高校增設(shè)了 “機(jī)器人” 專業(yè)，傳統(tǒng)工科專業(yè)也紛紛開設(shè)工業(yè)機(jī)器人課程，并開展與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[3-10]。

工業(yè)機(jī)器人需要適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，結(jié)構(gòu)類型較多，在實(shí)體教學(xué)中，受條件限制通常只能以一兩種類型為代表進(jìn)行介紹。但借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，可在應(yīng)用軟件里集成虛擬仿真模塊，可選擇不同的產(chǎn)品型號，搭建虛擬場景、編寫調(diào)試程序并仿真運(yùn)動(dòng)軌跡。配合機(jī)器人實(shí)體，采用 “虛實(shí)結(jié)合、軟硬兼施” 的方法，可使學(xué)生通過由表及里的觀察、由淺入深的理解、由簡到難的應(yīng)用，循序漸進(jìn)地開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，大大提高實(shí)驗(yàn)效率。另外，在經(jīng)過基于軟件的虛擬仿真過程后，可使學(xué)生熟悉機(jī)器人性能，降低了直接上機(jī)操作帶來的風(fēng)險(xiǎn)[11-16]。

本文以三菱工業(yè)機(jī)器人為例，介紹 “虛實(shí)結(jié)合”方法在工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)組織形式與步驟

學(xué)生以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組3 人，整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程包括以下4 部分內(nèi)容。

（1）由指導(dǎo)教師集中介紹課程內(nèi)容，講解工業(yè)機(jī)器人的知識點(diǎn)，示范機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操控方法并演示例程，學(xué)生分組對照平臺(tái)實(shí)物閱讀教材、資料與圖紙，熟悉實(shí)驗(yàn)器材，了解實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

（2）在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行工業(yè)機(jī)器人配套軟件，建立工程文檔，設(shè)定合理的參數(shù)，編寫合適的程序，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)一步熟悉機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)與控制方法。

（3）在充分了解機(jī)器人的操作方法、注意事項(xiàng)及應(yīng)急措施后，可以給機(jī)器人實(shí)驗(yàn)臺(tái)上電進(jìn)行實(shí)際操作，搭建真實(shí)的工作場景，下載調(diào)試控制程序，測試運(yùn)行結(jié)果直至正確完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

（4）各小組整理材料，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，指導(dǎo)教師按組依次問辯檢查實(shí)驗(yàn)成果，視問辯情況現(xiàn)場布置附加考核內(nèi)容進(jìn)行當(dāng)場測試。

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

各小組的實(shí)驗(yàn)器材包括：

（1）三菱RV 型工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)臺(tái)；

（2）Dell 品牌臺(tái)式計(jì)算機(jī)；

（3）機(jī)器人資料文檔與參考書籍；

（4）實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械、電氣圖紙與示例程序；

（5）數(shù)據(jù)線和連接線；

（6）慧魚（Fischer）創(chuàng)意構(gòu)件組合包；

（7）工具箱。

1.3 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

本實(shí)驗(yàn)選取物料搬運(yùn)作為實(shí)驗(yàn)任務(wù)，這是一種常見的工業(yè)機(jī)器人工作場景，也是構(gòu)成很多其他復(fù)雜應(yīng)用的一項(xiàng)基本功能。一個(gè)獨(dú)立的搬運(yùn)過程可以分解為以下幾個(gè)步驟：①抓手就位；②快速移動(dòng)至抓取近點(diǎn)；③慢速移動(dòng)至抓取目標(biāo)點(diǎn)；④抓取物料；⑤慢速退回至抓取近點(diǎn)；⑥快速移動(dòng)至放置近點(diǎn)；⑦慢速移動(dòng)至放置目標(biāo)點(diǎn)；⑧放置物料；⑨慢速退回至放置近點(diǎn)；⑩抓手復(fù)位。如圖1 所示，其中P0點(diǎn)為抓手待命點(diǎn)，P1點(diǎn)為抓取目標(biāo)點(diǎn)，P2點(diǎn)為放置目標(biāo)點(diǎn)。

圖1 搬運(yùn)過程的動(dòng)作分解

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 機(jī)器人編程軟件

三菱RT ToolBox3 軟件是用于對三菱工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、文檔編輯、程序調(diào)試和狀態(tài)監(jiān)視的軟件，其功能強(qiáng)大，編程方便[17]。軟件有 “離線”“模擬” 和 “在線” 三種模式，一般在 “離線” 模式下編程，“模擬” 模式下虛擬仿真，“在線” 模式下聯(lián)機(jī)調(diào)試。

圖2 所示為工程設(shè)置界面，可以設(shè)定工程名稱、選擇機(jī)器人規(guī)格型號、設(shè)置通信參數(shù)、添加附加軸、編輯工具坐標(biāo)和工件坐標(biāo)等。

圖2 工程設(shè)置界面

圖3 程序編輯界面

軟件的程序編輯界面如圖3 所示。屏幕上方為常規(guī)的工具欄和菜單，下方為狀態(tài)欄，中間左側(cè)為工程文件列表區(qū)，屏幕中部為編輯區(qū)，其中上方為程序指令編輯窗口，下方為位置變量編輯窗口。

2.2 物料搬運(yùn)程序分析

采用MELFA-BASIC VI 指令編寫的三菱工業(yè)機(jī)器人物料搬運(yùn)程序如圖4 所示，由撇號“’” 引導(dǎo)并顯示為綠色的內(nèi)容為程序中的注釋文字。

圖4 物料搬運(yùn)程序

2.3 虛擬仿真調(diào)試

程序編輯完成并經(jīng)語法檢查無誤后，可通過點(diǎn)擊工具欄中的 “模擬” 按鈕進(jìn)入虛擬仿真模式，如圖5所示。界面左上方為模擬操作面板，能夠執(zhí)行JOG 運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行、直接指令運(yùn)行以及調(diào)試運(yùn)行，實(shí)時(shí)顯示程序狀態(tài)、位置數(shù)據(jù)和報(bào)警信息；中間區(qū)域?yàn)?D運(yùn)行顯示屏，能動(dòng)態(tài)仿真機(jī)器人各軸當(dāng)前位置與運(yùn)動(dòng)過程，用戶可以通過配置文件添加虛擬工作臺(tái)、虛擬流水線和虛擬工件，進(jìn)行機(jī)器人工作環(huán)境的布局，使用鼠標(biāo)可以拖動(dòng)、縮放當(dāng)前顯示窗口，可以選擇不同視角進(jìn)行全方位全過程監(jiān)視。右上方是抓手設(shè)計(jì)界面，以模塊組的形式提供抓手部件，模塊的形狀、尺寸和位置都可以自由設(shè)置，使用方便，設(shè)計(jì)完成的抓手連接在機(jī)器人末端法蘭盤中心。下方為程序監(jiān)視窗口，可動(dòng)態(tài)跟蹤當(dāng)前執(zhí)行的程序行，方便調(diào)試查看。

圖5 虛擬仿真調(diào)試界面

順利完成虛擬仿真部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，學(xué)生能夠掌握機(jī)器人程序的編寫規(guī)則和調(diào)試方法，并且對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣連接和安全性能有進(jìn)一步了解，為下一環(huán)節(jié)的實(shí)踐操作打下了基礎(chǔ)。

3 工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐操作

3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)臺(tái)以三菱RV 型工業(yè)機(jī)器人為核心構(gòu)建，機(jī)器人本體安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)基座上方，控制器安裝在基座柜體內(nèi)，示教器懸掛在柜體的右側(cè)，柜體左側(cè)上方安裝了機(jī)器人工作模式切換開關(guān)盒，基座連同柜體的尺寸為80 cm×100 cm×60 cm，基座上還有一個(gè)小型裝配工作臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)外形如圖6 所示。

圖6 三菱RV 型工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)臺(tái)

所采用的三菱RV-4FL-1D 是一種垂直多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人，機(jī)身較小巧，廣泛應(yīng)用于小部件搬運(yùn)、組裝與檢驗(yàn)。機(jī)器人本體由6 軸串聯(lián)組成，從下至上編號J1—J6，分別由6 個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)，末端可以定位到特定空間的各個(gè)位置，重復(fù)定位精度為0.02 mm，最大動(dòng)作半徑為649 mm，最大可搬運(yùn)重量為4 kg，最大合成速度為9 048 mm/s。配套的CR751-D 型控制器的外形尺寸為430 mm×425 mm×98 mm，由AC220V供電[18]。示教器型號為R33TB，通過液晶屏界面進(jìn)行人機(jī)交互。

機(jī)器人第6 軸的末端是一個(gè)法蘭盤，我們根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要在其上安裝了一個(gè)組合工具盤，包括3 個(gè)氣動(dòng)抓手與1 個(gè)氣動(dòng)吸盤，用于拾取不同形狀和大小的工件，分別由連接到機(jī)器人控制器內(nèi)部的4 只電磁閥控制開/關(guān)動(dòng)作。空壓機(jī)提供的壓縮空氣經(jīng)過儲(chǔ)氣罐后連接到機(jī)器人的氣路系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)用氣壓一般調(diào)節(jié)到0.3 MPa 左右。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)還提供了一些慧魚創(chuàng)意組合構(gòu)件用于實(shí)驗(yàn)場景的搭建。

3.2 聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)操作步驟

實(shí)驗(yàn)臺(tái)上電后，若無報(bào)警信息，即可開始聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過示教器或計(jì)算機(jī)操控機(jī)器人實(shí)體，包括以下實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）在實(shí)驗(yàn)臺(tái)基座的裝配工作臺(tái)上指定P1和P2位置，搭建物料放置架，將待搬運(yùn)物料放置到P1處的架子上；

（2）在計(jì)算機(jī)軟件中打開上一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中已成功虛擬仿真運(yùn)行過的工作區(qū)文件；

（3）用USB 線連接計(jì)算機(jī)與機(jī)器人控制器后，選擇軟件端進(jìn)入 “在線” 狀態(tài)；

（4）轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)左側(cè)面的工作模式開關(guān)到“手動(dòng)模式” 檔，將機(jī)器人程序在線寫入控制器；

（5）通過示教器的手動(dòng)JOG 操作，確定程序中定義的三個(gè)位置，即抓手停留待命位置P0、抓取工件位置P1和放置工件位置P2，并下載到機(jī)器人控制器；

（6）切換實(shí)驗(yàn)臺(tái)到自動(dòng)運(yùn)行模式，通過機(jī)器人軟件控制運(yùn)行，測試程序；

（7）調(diào)試完成后，可以脫離計(jì)算機(jī)，通過啟動(dòng)、停止按鈕進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)作業(yè)。

圖7 所示為實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械臂氣抓搬運(yùn)LED 手電筒后端蓋的工作場景。

圖7 機(jī)器人搬運(yùn)物料工作場景

3.3 機(jī)器人操作注意事項(xiàng)

工業(yè)機(jī)器人多應(yīng)用于工業(yè)場景，屬于高、精、密型設(shè)備，對相關(guān)人員的素質(zhì)要求較高，一般需由專業(yè)人員操作和維護(hù)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，除了常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室安全規(guī)則外，還需要提醒學(xué)生注意以下事項(xiàng)，以確保安全。

（1）在手動(dòng)操作機(jī)器人時(shí)，同時(shí)必須只能有一人通過一種設(shè)備（示教器或計(jì)算機(jī)）操作，且必須確保在機(jī)械臂的最大活動(dòng)范圍內(nèi)沒有障礙阻擋（包括人員與物件）。

（2）每個(gè)小組必須有一名學(xué)生負(fù)責(zé)急停按鈕（實(shí)驗(yàn)臺(tái)左側(cè)面的按鈕盒上或示教器上任選一處），緊盯機(jī)器人運(yùn)行動(dòng)作，一旦發(fā)現(xiàn)異常傾向立即按下急停按鈕，確保安全。

（3）進(jìn)入自動(dòng)模式前，需注意 “速度比率” 的設(shè)置，在運(yùn)動(dòng)不確定的情況下以較小數(shù)值（越小越慢）為宜。

（4）在正常使用時(shí)，不可以用力推拉機(jī)器臂，不可以帶電插拔數(shù)據(jù)線和電氣連接線。

4 結(jié)語

結(jié)合虛擬仿真技術(shù)開展工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可使學(xué)生通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行預(yù)操作、預(yù)演練，在實(shí)際使用機(jī)器人設(shè)備之前就能充分熟悉并掌握其使用方法和調(diào)試技術(shù)，可增加實(shí)驗(yàn)靈活性，且有效避免因不當(dāng)操作對人員和設(shè)備帶來的傷害。

自2017 年秋季學(xué)期起，我們在面向機(jī)械工程專業(yè)高年級本科生的探究性實(shí)驗(yàn)課程中開展了以 “虛實(shí)結(jié)合” 為主要特征的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)對象包括以三菱為代表的日系機(jī)器人品牌和以ABB 為代表的歐系機(jī)器人品牌，收效良好。這種“虛實(shí)結(jié)合”的方法豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)效率，創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)形式，是一種可復(fù)制、可推廣的教學(xué)模式。