基于RobotStudio的工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

蘇 宇，劉海燕，唐滿賓

（廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545006）

0 引言

作為我國(guó)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的第一個(gè)行動(dòng)綱領(lǐng)，《中國(guó)制造2025》提出“人才為本”的基本方針。為了主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，2017年教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，全力探索中國(guó)模式下的工程教育經(jīng)驗(yàn)，其中學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和技術(shù)技能能力的培養(yǎng)越來越受到人們的重視，其相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)也越發(fā)重要。[1-2]工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是智能制造中一項(xiàng)核心技術(shù)，越來越多的高等院校開設(shè)了相關(guān)的專業(yè)、課程等。[3-5]但由于工業(yè)機(jī)器人屬于一種較為昂貴的設(shè)備，地方高校，尤其西部地區(qū)的高校很難配備有完善的類似企業(yè)生產(chǎn)線中的工業(yè)機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，其配備的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更多的是數(shù)量有限的工業(yè)機(jī)器人單機(jī)。此外，初學(xué)者較容易發(fā)生工業(yè)機(jī)器人誤操作，尤其在配備了如工業(yè)相機(jī)等外設(shè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上操作，容易導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人、外設(shè)受損。因此，結(jié)合數(shù)量有限的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)很有必要。[6-7]本文主要結(jié)合筆者所在學(xué)校已有的ABB工業(yè)機(jī)器人工作站設(shè)備，設(shè)計(jì)相應(yīng)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以及開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來展開研究。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 實(shí)驗(yàn)課程分析

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要有工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用操作、工業(yè)機(jī)器人編程?！肮I(yè)機(jī)器人應(yīng)用操作”部分內(nèi)容包括熟練掌握工業(yè)機(jī)器人的手動(dòng)操作方法，理解工業(yè)機(jī)器人不同運(yùn)動(dòng)模式的區(qū)別，坐標(biāo)數(shù)據(jù)與參考坐標(biāo)系的關(guān)系，掌握搬運(yùn)、碼垛、焊接等不同作業(yè)下工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用配置、通訊模塊的配置等。[8-9]“工業(yè)機(jī)器人編程”實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容包括熟悉ABB工業(yè)機(jī)器人編程語(yǔ)言的語(yǔ)法、數(shù)據(jù)類型、常用指令，掌握模塊化工業(yè)機(jī)器人編程的方法、了解不同工種作業(yè)下的編程等。

由于設(shè)備臺(tái)套數(shù)有限，以筆者授課班級(jí)48人為例，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一般5人一組，輪流使用一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這導(dǎo)致在正常的每次實(shí)驗(yàn)課堂內(nèi)，每名同學(xué)平均的實(shí)驗(yàn)時(shí)間不超過30分鐘。這將導(dǎo)致學(xué)生在應(yīng)用操作部分，僅能基本熟悉掌握示教器的使用等基本操作方法、通信配置、常見編程指令、編程實(shí)例等，對(duì)于運(yùn)動(dòng)模式的區(qū)別、坐標(biāo)數(shù)據(jù)與參考坐標(biāo)系的關(guān)系等需自行觀察數(shù)據(jù)變化的實(shí)驗(yàn)，以及模塊化編程等需要較長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)效果總體不佳。另一方面，不同的生產(chǎn)作業(yè)工種，其工業(yè)機(jī)器人技術(shù)有較大區(qū)別，如信號(hào)配置、功能選項(xiàng)配置、專用功能函數(shù)等，現(xiàn)有的機(jī)器人設(shè)備很難配置齊全不同工種的功能模塊以及相應(yīng)外設(shè)。

基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室硬件資源以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，本文的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及項(xiàng)目設(shè)計(jì)主要針對(duì)以上不足進(jìn)行。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊開發(fā)

結(jié)合工業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的兩大部分內(nèi)容，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體以三大模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括工業(yè)機(jī)器人的基本操作模擬模塊、坐標(biāo)系與末端工具位置數(shù)據(jù)理解模塊、不同生產(chǎn)工種作業(yè)模擬模塊。

1.2.1 工業(yè)機(jī)器人基本操作模擬模塊

該模塊主要包括兩個(gè)子模塊：示教器模擬仿真模塊和寫字模塊。工業(yè)機(jī)器人的示教器是工業(yè)機(jī)器人與人機(jī)交互的主要部分，包括各種工業(yè)機(jī)器人操作、編程等都需要示教器實(shí)現(xiàn)。因此，示教器模擬仿真模塊是整個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)核心，ABB工業(yè)機(jī)器人的虛擬仿真運(yùn)動(dòng)、控制等核心的算法主要包含于此模塊。[10]示教器模擬仿真模塊主要是模擬真實(shí)的示教器操作界面，包括手動(dòng)操作選項(xiàng)、ABB工業(yè)機(jī)器人控制搖桿等，通過此仿真模塊，給學(xué)生提供進(jìn)行示教器界面菜單認(rèn)識(shí)、手動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式的選項(xiàng)設(shè)置、搖桿控制運(yùn)動(dòng)等認(rèn)識(shí)驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)。該類實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)前完成，對(duì)工業(yè)機(jī)器人示教器界面菜單、手動(dòng)操作方法等有一定認(rèn)識(shí)后方可進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，以提高實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

第二個(gè)子模塊寫字模塊，為學(xué)生提供進(jìn)行基礎(chǔ)的示教編程、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)以及軌跡離線編程實(shí)驗(yàn)等仿真平臺(tái)。基于實(shí)驗(yàn)有趣性的目的，該模塊屬于開放性的模塊，學(xué)生可自行設(shè)計(jì)自己的名字或者其他圖形軌跡模型，加載到仿真模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行示教軌跡編程、自動(dòng)獲取軌跡編程等。[11-12]

1.2.2 理解工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系與末端工具位置數(shù)據(jù)模塊

工業(yè)機(jī)器人其關(guān)鍵數(shù)據(jù)的構(gòu)成及意義理解是學(xué)習(xí)好工業(yè)機(jī)器人編程的一個(gè)重要前提。該模塊旨在給學(xué)生提供一個(gè)能便于觀察不同坐標(biāo)系下，不同類型位置數(shù)據(jù)的變化及變化規(guī)律，以及其他重要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化過程的虛擬仿真平臺(tái)。該模塊包括一個(gè)固定坐標(biāo)尺度模型平臺(tái)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示模塊。

1.2.3 生產(chǎn)應(yīng)用模擬平臺(tái)

常見的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用主要有焊接作業(yè)、搬運(yùn)作業(yè)、碼垛作業(yè)、涂膠作業(yè)等，[13]在生產(chǎn)制造中，由于作業(yè)對(duì)象、生產(chǎn)工藝等有別，工業(yè)機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)有較大的區(qū)別，如焊接機(jī)器人需使用焊接指令、準(zhǔn)確的工具數(shù)據(jù)，搬運(yùn)機(jī)器人作業(yè)程序需要嚴(yán)格遵循與外設(shè)信號(hào)邏輯順序等?；诓煌I(yè)機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景，本工業(yè)機(jī)器人技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在生產(chǎn)應(yīng)用模擬模塊設(shè)計(jì)立體倉(cāng)庫(kù)模擬模塊、物料出庫(kù)模擬模塊、焊接作業(yè)變位模擬模塊、傳送帶模擬模塊、工具支架模擬模塊、拓展模塊六個(gè)子模塊。

該模塊主要為學(xué)生提供模塊化編程、工業(yè)機(jī)器人綜合應(yīng)用技術(shù)等虛擬仿真模型環(huán)境。物料出庫(kù)子模塊模擬生產(chǎn)中的物料出庫(kù)以及傳輸?shù)焦の?；立體倉(cāng)庫(kù)仿真模塊模擬生產(chǎn)中存放待加工工件立體倉(cāng)庫(kù)；焊接作業(yè)變位模擬模塊模擬可變位的焊接工件夾裝工位臺(tái)架；傳送帶模擬模塊模擬工件傳送帶；工具支架模擬模塊模擬不同作業(yè)末端工具的支架；拓展模塊主要由棋盤工件臺(tái)及堆放平臺(tái)組成，模擬搬運(yùn)目的點(diǎn)位以及碼垛工件存放格。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方法介紹

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)環(huán)境

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)其中一個(gè)基本的原則是便于學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用，即使在課外也能方便地進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，因此，本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于微軟Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)?；趯?shí)驗(yàn)室現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人為載荷3公斤的ABBIRB120工業(yè)機(jī)器人，本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)以ABB公司RobotStudio編程軟件為開發(fā)環(huán)境，其開發(fā)軟件環(huán)境可快速搭建ABB工業(yè)機(jī)器人模型及控制系統(tǒng)，降低虛擬仿真平臺(tái)的開發(fā)成本。應(yīng)用場(chǎng)景模型利用三維設(shè)計(jì)軟件Solidwork進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 工業(yè)機(jī)器人基本操作模擬模塊

基本操作模擬模塊以RobotStudio編程軟件快速搭建的IRB120工業(yè)機(jī)器人模型以及控制系統(tǒng)為原型，控制系統(tǒng)選項(xiàng)增加了DeviceNet Master/Slave、PROFINET Device兩種常見的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以及Application Spot Welding工藝包選項(xiàng)。為結(jié)合現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)一個(gè)1795mm*1326mm規(guī)格實(shí)驗(yàn)臺(tái)架模型。

寫字模塊屬于開放模塊，為方便初學(xué)者通過工具末端TCP點(diǎn)進(jìn)行示教，設(shè)計(jì)了筆狀末端，學(xué)生也可根據(jù)自己的興趣愛好設(shè)計(jì)一個(gè)平面軌跡的模型加載到寫字模塊，以進(jìn)行示教編程實(shí)驗(yàn)及自動(dòng)獲取軌跡編程（仿真實(shí)驗(yàn)界面見圖1）。

圖1 虛擬仿真示教器手動(dòng)操作界面及寫字模塊

在該仿真模塊下，學(xué)生可進(jìn)行常用的軌跡運(yùn)動(dòng)指令示教編程實(shí)驗(yàn)，理解不同運(yùn)動(dòng)指令以及每項(xiàng)相關(guān)參數(shù)的意義，也可根據(jù)仿真平臺(tái)中的軌跡模型進(jìn)行ABB機(jī)器人自動(dòng)獲取軌跡離線編程的實(shí)驗(yàn)（如圖2所示）。

圖2 運(yùn)動(dòng)指令編程、末端軌跡姿態(tài)仿真

2.3 工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系與末端工具位置數(shù)據(jù)理解模塊

本模塊主要設(shè)計(jì)一個(gè)類似棋盤有固定刻度線的工件模型，并利用ABB提供的軟件工件開發(fā)包（SDK），利用軟件開發(fā)平臺(tái)Visual Studio2015及C#編程語(yǔ)言開發(fā)ABB工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示軟件，在學(xué)生進(jìn)行工件坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系的定義、不同類型位置數(shù)據(jù)定義等實(shí)驗(yàn)時(shí)，方便學(xué)生觀察目標(biāo)位置數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，便于理解各種數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)與意義等。ABB工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示軟件開發(fā)建立在軟件與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后控制器的TCP/IP的連接，并獲得數(shù)據(jù)讀取權(quán)限，其部分關(guān)鍵代碼如表1所示，仿真工具平臺(tái)及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示軟件界面如圖3所示。

表1 Visual Studio軟件部分代碼

圖3 仿真工具平臺(tái)及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示軟件界面

2.4 生產(chǎn)應(yīng)用模擬平臺(tái)

生產(chǎn)應(yīng)用模擬仿真平臺(tái)針對(duì)焊接作業(yè)、搬運(yùn)、碼垛三大常見工業(yè)機(jī)器人作業(yè)種類設(shè)計(jì)了六個(gè)三維仿真模擬模塊：設(shè)計(jì)立體倉(cāng)庫(kù)模擬模塊、物料出庫(kù)模擬模塊、焊接作業(yè)變位模擬模塊、傳送帶模擬模塊、工具支架模擬模塊、拓展模塊。其三維模擬模型利用Solidwork三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。焊接作業(yè)模擬實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生能通過示教編程把模擬工件從模擬立體倉(cāng)庫(kù)模塊中取出，并準(zhǔn)確放置焊接作業(yè)變位模擬模塊，進(jìn)行焊接作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人編程。搬運(yùn)作業(yè)仿真模擬實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生完成搬運(yùn)工件自動(dòng)取、放模塊程序，根據(jù)物料出庫(kù)模擬信號(hào)、工件傳送帶模擬模塊到位信號(hào)完成搬運(yùn)作業(yè)編程。碼垛作業(yè)仿真模擬實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生完成從拓展模塊中取出工件，并根據(jù)碼放要求把工件碼放到棋盤模塊的資產(chǎn)格子中。在生產(chǎn)應(yīng)用模擬平臺(tái)中，設(shè)計(jì)有4個(gè)末端工具及末端工具支架，不同的作業(yè)模擬實(shí)驗(yàn)需要完成取工具、完成具體作業(yè)、放工具三道工序，學(xué)生可根據(jù)作業(yè)的模擬工序進(jìn)行模塊化編程實(shí)驗(yàn)。

為實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人模擬仿真實(shí)驗(yàn)中的仿真動(dòng)作效果，如在模擬搬運(yùn)作業(yè)中，當(dāng)工業(yè)機(jī)器人末端工件TCP點(diǎn)到達(dá)工件吸取位置，并執(zhí)行吸取信號(hào)指令后，模擬工件應(yīng)能吸附到工業(yè)機(jī)器人末端工具TCP上。根據(jù)以上設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用RobotStudio開發(fā)環(huán)境提供的Smart組件定義了模擬信號(hào)、仿真模型動(dòng)作關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)與開發(fā)（如圖4）。生產(chǎn)應(yīng)用模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

圖4 搬運(yùn)作業(yè)模擬仿真動(dòng)作設(shè)計(jì)

圖5 生產(chǎn)應(yīng)用模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足，學(xué)生實(shí)驗(yàn)中誤操作容易引起設(shè)備損壞，利用現(xiàn)有設(shè)備在進(jìn)行編程實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及意義不易理解等背景下開發(fā)，其主要目的是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)等，開展虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。從已開展的相應(yīng)教學(xué)活動(dòng)效果分析，學(xué)生利用自己的計(jì)算機(jī)或?qū)嶒?yàn)室計(jì)算機(jī)進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可幫助學(xué)生快速了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作界面、方法，可直觀地觀察關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化等，幫助他們理解相關(guān)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及意義。不同應(yīng)用模塊的模擬幫助他們理解、掌握不同應(yīng)用的機(jī)器人編程。此外，該虛擬仿真平臺(tái)模塊化的開放結(jié)構(gòu)，為學(xué)生提供創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，例如，機(jī)械工程機(jī)器人方向的學(xué)生可結(jié)合已學(xué)的三維建模技術(shù)設(shè)計(jì)搭建機(jī)器人應(yīng)用仿真場(chǎng)景，進(jìn)行設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行開發(fā)，因此，也可很好地支持虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。