基于RobotStudio的教學示教板設(shè)計與應(yīng)用

葉元杰

（廣州城市職業(yè)學院 機電工程學院，廣東 廣州510405）

隨著先進制造業(yè)的發(fā)展，工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。為滿足市場相關(guān)人才需求，職業(yè)院校相關(guān)專業(yè)已廣泛開設(shè)工業(yè)機器人課程。但工業(yè)機器人實訓設(shè)備昂貴，維修維護成本高，工業(yè)機器人仿真軟件的教學應(yīng)用使學生可在電腦上完成工業(yè)機器人操作、編程、調(diào)試相關(guān)實訓內(nèi)容。仿真軟件不僅有效減少了教學成本，也提高了人員和設(shè)備的安全性［1］。

當前，ABB工業(yè)機器人是國內(nèi)主流應(yīng)用產(chǎn)品之一，其配套的RobotStudio軟件是重要的工業(yè)機器人仿真軟件。基于該軟件，能夠搭建工業(yè)機器人工作站及其工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的模型，實現(xiàn)離線編程對機器人的工作路徑控制及操作。而工業(yè)機器人Smart組件設(shè)計是搭建工業(yè)機器人工作站的設(shè)計難點和設(shè)計重點。Smart組件設(shè)計功能繁雜，邏輯關(guān)系不夠直觀，因此設(shè)計新的教學方法，研究新的教學手段顯得尤為必要［2－3］。

一、RobotStudio軟件教學難點

在RobotStudio仿真軟件中，Smart組件能賦予幾何模型或機械結(jié)構(gòu)設(shè)備屬性、信號連接、邏輯關(guān)系等，實現(xiàn)幾何模型或機械結(jié)構(gòu)根據(jù)外部信號進行動態(tài)仿真的功能。Smart組件是一系列功能組件的統(tǒng)稱，其中包含信號與屬性、參數(shù)建模、傳感器、動作、本體、控制器、物理等多種類別［4］。

Smart組件設(shè)計過程：首先是通過軟件建模功能繪制幾何結(jié)構(gòu)，導入機器人模型；其次選取Smart組件種類，關(guān)聯(lián)幾何結(jié)構(gòu)；最后設(shè)計屬性連接表、信號連接表將Smart組件彼此關(guān)聯(lián)，形成邏輯關(guān)系。

Smart組件設(shè)計難點：軟件中共有67種Smart組件，130種組件連接方式。每種Smart組件對應(yīng)不同的連接方式，在同一項目里每種組件都可以和其他組件同時產(chǎn)生6至9種連接［5］。

如圖1案例所示，源對象 “LineSensor” 是一種Smart組件，表示 “檢測是否有任何對象與線段相交” 功能，其源信號 “SensorOut” 表示該Smart組件I/O信號，表示 “檢測輸出信號” 。目標對象 “QueueBuffer” 是另一種Smart組件，表示 “為對象的隊列，可作為組操縱” ，其目標信號 “Enqueue” 表示 “添加后面的對象到隊列中” 。從源信號到目標信號可表示 “檢測對象加入到隊列中進行統(tǒng)一操控” 的邏輯關(guān)系。

圖1 Smart組件連接表案例

對于學生而言，Smart組件功能類似而不易區(qū)分，組件連接方式較多而容易混淆。在設(shè)計較為復(fù)雜的工業(yè)機器人工作站時，排查錯誤也較為困難。

二、教學示教板的設(shè)計思路

教學示教板基本思路是將每種Smart組件所對應(yīng)的屬性類別和信號類別組合成單一模塊，由表格式的建立連接關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)槟K化的建立連接關(guān)系。

以 “LinSensor” 組件為例，說明教學示教板設(shè)計思路。 “LinSensor” 組件是Smart組件之一，主要功能是仿真模擬傳感器功能。 “LinSensor” 屬性類別包含Start、End、Radius、Sensedpart、SensedPoint； “LinSensor” 的信號類別包含輸入Active，輸出Sen?sorOut。因此，LinSensor組件共有7個連接點可與其他組件發(fā)生邏輯關(guān)聯(lián)。現(xiàn)將7個連接點整合成一個模塊，如圖2所示。

圖2 單向運動傳送帶模塊化設(shè)計樣例

Smart組件整合成模塊后，Smart組件的設(shè)計方法由原先的屬性連接、信號連接轉(zhuǎn)變成模塊連接。以單向運動傳送帶的設(shè)計為例，單向運動傳送帶一般包括Source組件、LinearMover組件、Lin?Sensor組件、Queue組件。LinSensor組件感知外加信號，Source組件實現(xiàn)自動復(fù)制傳送帶工件，Queue組件實現(xiàn)工件組成隊列，LinearMover組件實現(xiàn)隊列沿固定直線運動。原有的設(shè)計方法包含數(shù)十條屬性連接和信號連接，需要定義或選擇每一個組件下方的屬性或信號，連接至其他組件的屬性或信號。經(jīng)過模塊化設(shè)計，現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)閹讉€組件之間的連接。

模塊化設(shè)計方法與軟件功能結(jié)合后，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計過程，簡化邏輯層次的目的。有利于學生快速地掌握復(fù)雜的組件設(shè)計步驟，同時也輔助教師表達教學內(nèi)容。

三、教學示教板的結(jié)構(gòu)介紹

基于以上設(shè)計思路，教學示教板共包含輸入端口、輸出端口、啟動開關(guān)、6塊手寫板、6組接線端子、6組屬性提示燈、6組信號提示燈、端子連接線以及相關(guān)配套部件，如圖3所示。

圖3 教學示教板結(jié)構(gòu)示意圖

“手寫板” 在教學示教板的中心位置。 “手寫板” 可根據(jù)仿真內(nèi)容，書寫Smart組件的名稱、屬性類別以及信號類別。根據(jù)教學示教板上的 “手寫板” 的擺放順序，清晰表達Smart組件之間的前后邏輯關(guān)系。

其中， “屬性提示燈” 在 “手寫板” 上方左右布置，每個 “屬性提示燈” 配置一個 “接線端子” ， “接線端子” 可插入導線，實現(xiàn)電信號傳遞。當 “手寫板” 之前連接上導線后，可展示Smart組件屬性之間的傳遞連接關(guān)系。

“信號提示燈” 在 “手寫板” 下方左右布置，每個 “信號提示燈” 配置一個 “接線端子” ， “接線端子” 可插入導線，實現(xiàn)電信號傳遞。當 “手寫板” 之前連接上導線后，可展示Smart組件信號之間的傳遞連接關(guān)系。

“輸入端口” 與 “輸出端口” 模擬整體項目對外的信號傳遞，做提示類作用。同時， “輸入端口” 在教學示教板中做供電端，帶36V電壓，為各類信號燈提供電源。

Smart組件示教板的電氣部分包含漏電保護器、斷路器、熔斷器、各接線端子以及信號燈等部件，如圖4所示。電氣部分較為簡單，主要包含對各接線端子、信號燈的連接控制。其中，各組內(nèi)接線端子與信號燈相互串聯(lián)，每組接線端子相互并聯(lián)，并通過保護電器對Smart組件示教板進行漏電、短路等保護。

圖4 教學示教板電氣原理圖

四、教學示教板的應(yīng)用案例

以RobotStudio “單向運動傳送帶” 仿真項目中教學示教板的應(yīng)用過程為例。教學示教板的應(yīng)用過程與教學過程深度結(jié)合，共分以下5個步驟。

第一步， “單向運動傳送帶” 仿真項目共涉及Source組件、LinearMover組件、LinSensor組件、Queue組件，授課過程中首先講解這4種Smart組件的功能，之后在教學示教板中 “手寫板” 上按順序?qū)懮?種Smart組件名稱。依據(jù)順序，幫助學生掌握組件之間邏輯關(guān)系。

第二步， “單向運動傳送帶” 仿真項目會應(yīng)用到Source組件的 “copy” 屬性，以及Queue組件的 “back” 屬性。在 “手寫板” 上對應(yīng)位置寫上屬性名稱，并通過導線連接兩種屬性。實現(xiàn)復(fù)制并加入隊列的功能。

第三步， “單向運動傳送帶” 仿真項目會應(yīng)用到Source組件 “Executed” 信號以及Queue組件的 “En?queue” 信號。在 “手寫板” 上對應(yīng)位置寫上信號名稱，并通過導線連接兩種信號，實現(xiàn)復(fù)制并觸發(fā)隊列動作的功能。以此類推，實現(xiàn)其他信號的連接。

第四步，導線連接完畢后，教學示教板通電。根據(jù)信號燈的提示，觀察信號關(guān)聯(lián)是否正確，初步驗證設(shè)計是否合理。

第五步，通過教學示教板上的導線連接，在RobotStudio中建立屬性連接表與信號連接表。

教學示教板的應(yīng)用案例效果如圖5所示，其作用的核心在于梳理設(shè)計步驟，簡化設(shè)計邏輯，便于教學過程的展示。

圖5 教學示教板應(yīng)用案例

五、教學示教板應(yīng)用效果反饋

教學示教板已應(yīng)用于相關(guān)專業(yè)中 “工業(yè)機器人離線編程與仿真” 等課程。該教學工具在解決課程教學重難點問題時，發(fā)揮顯著作用。其創(chuàng)新性與實用性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

對于教師而言，講解過程易于展示。傳統(tǒng)軟件教學課程以 “軟件界面操作演示” 作為教學手段，不利于展開設(shè)計過程的討論，教學示教板有利于營造課堂氛圍，增加師生交流。

對于學生而言，學習過程邏輯更為清晰。教學示教板的應(yīng)用有利于學生以團隊形式進行小組任務(wù)完成，并能對Smart組件的應(yīng)用過程由 “整體” 到 “局部” 的學習順序，更為高效地掌握教學重難點。

對于設(shè)計過程而言，教學示教板提供了實體平臺，使得Smart組件設(shè)計過程便于修改和更新。同時有利于排查故障錯誤，通過信號燈可觀察屬性和信號是否正確連接。

綜上，教學示教板嘗試由 “計算機界面” 向 “實體界面” 轉(zhuǎn)型，在同類型工業(yè)軟件教學中具備一定推廣價值，對同類型軟件課程均有借鑒作用。