蘇 宇，劉海燕，唐滿賓

（廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545006）

0 引言

作為我國實施制造強國戰(zhàn)略的第一個行動綱領(lǐng)，《中國制造2025》提出“人才為本”的基本方針。為了主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，2017年教育部積極推進“新工科”建設(shè)，全力探索中國模式下的工程教育經(jīng)驗，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)的實驗教學(xué)資源建設(shè)也越發(fā)重要。[1-2]工業(yè)機器人技術(shù)是智能制造中一項核心技術(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)機器人作業(yè)平臺作為實驗教學(xué)平臺，其配備的工業(yè)機器人技術(shù)實驗平臺更多的是數(shù)量有限的工業(yè)機器人單機。此外，初學(xué)者較容易發(fā)生工業(yè)機器人誤操作，尤其在配備了如工業(yè)相機等外設(shè)的實驗平臺上操作，容易導(dǎo)致工業(yè)機器人、外設(shè)受損。因此，結(jié)合數(shù)量有限的工業(yè)機器人實驗平臺開展虛實結(jié)合的實驗教學(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)機器人工作站設(shè)備，設(shè)計相應(yīng)的工業(yè)機器人技術(shù)虛擬仿真實驗平臺，以及開展相關(guān)的實驗項目來展開研究。

1 設(shè)計思路

1.1 實驗課程分析

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

由于設(shè)備臺套數(shù)有限，以筆者授課班級48人為例，每個實驗項目一般5人一組，輪流使用一個實驗平臺，這導(dǎo)致在正常的每次實驗課堂內(nèi)，每名同學(xué)平均的實驗時間不超過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、編程實例等，對于運動模式的區(qū)別、坐標數(shù)據(jù)與參考坐標系的關(guān)系等需自行觀察數(shù)據(jù)變化的實驗，以及模塊化編程等需要較長實驗時間的實驗，其實驗效果總體不佳。另一方面，不同的生產(chǎn)作業(yè)工種，其工業(yè)機器人技術(shù)有較大區(qū)別，如信號配置、功能選項配置、專用功能函數(shù)等，現(xiàn)有的機器人設(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)有實驗室硬件資源以及實驗教學(xué)效果，本文的工業(yè)機器人技術(shù)仿真實驗平臺及項目設(shè)計主要針對以上不足進行。

1.2 虛擬仿真實驗平臺模塊開發(fā)

結(jié)合工業(yè)機器人技術(shù)實驗教學(xué)的兩大部分內(nèi)容，虛擬仿真實驗平臺整體以三大模塊進行設(shè)計，包括工業(yè)機器人的基本操作模擬模塊、坐標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)機器人基本操作模擬模塊

該模塊主要包括兩個子模塊：示教器模擬仿真模塊和寫字模塊。工業(yè)機器人的示教器是工業(yè)機器人與人機交互的主要部分，包括各種工業(yè)機器人操作、編程等都需要示教器實現(xiàn)。因此，示教器模擬仿真模塊是整個平臺的基礎(chǔ)核心，ABB工業(yè)機器人的虛擬仿真運動、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的示教器操作界面，包括手動操作選項、ABB工業(yè)機器人控制搖桿等，通過此仿真模塊，給學(xué)生提供進行示教器界面菜單認識、手動運動模式的選項設(shè)置、搖桿控制運動等認識驗證類實驗。該類實驗要求學(xué)生在進入實驗室進行工業(yè)機器人現(xiàn)場實驗前完成，對工業(yè)機器人示教器界面菜單、手動操作方法等有一定認識后方可進行實物實驗，以提高實驗室內(nèi)的課堂實驗教學(xué)效果。

第二個子模塊寫字模塊，為學(xué)生提供進行基礎(chǔ)的示教編程、工業(yè)機器人運動應(yīng)用實驗以及軌跡離線編程實驗等仿真平臺?；趯嶒炗腥ば缘哪康?，該模塊屬于開放性的模塊，學(xué)生可自行設(shè)計自己的名字或者其他圖形軌跡模型，加載到仿真模擬實驗平臺進行示教軌跡編程、自動獲取軌跡編程等。[11-12]

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

工業(yè)機器人其關(guān)鍵數(shù)據(jù)的構(gòu)成及意義理解是學(xué)習好工業(yè)機器人編程的一個重要前提。該模塊旨在給學(xué)生提供一個能便于觀察不同坐標系下，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)的實時變化過程的虛擬仿真平臺。該模塊包括一個固定坐標尺度模型平臺以及實驗數(shù)據(jù)顯示模塊。

1.2.3 生產(chǎn)應(yīng)用模擬平臺

常見的工業(yè)機器人應(yīng)用主要有焊接作業(yè)、搬運作業(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)對象、生產(chǎn)工藝等有別，工業(yè)機器人的程序設(shè)計有較大的區(qū)別，如焊接機器人需使用焊接指令、準確的工具數(shù)據(jù)，搬運機器人作業(yè)程序需要嚴格遵循與外設(shè)信號邏輯順序等?；诓煌I(yè)機器人應(yīng)用場景，本工業(yè)機器人技術(shù)虛擬仿真實驗平臺在生產(chǎn)應(yīng)用模擬模塊設(shè)計立體倉庫模擬模塊、物料出庫模擬模塊、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、拓展模塊六個子模塊。

該模塊主要為學(xué)生提供模塊化編程、工業(yè)機器人綜合應(yīng)用技術(shù)等虛擬仿真模型環(huán)境。物料出庫子模塊模擬生產(chǎn)中的物料出庫以及傳輸?shù)焦の?；立體倉庫仿真模塊模擬生產(chǎn)中存放待加工工件立體倉庫；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及堆放平臺組成，模擬搬運目的點位以及碼垛工件存放格。

2 虛擬仿真實驗平臺實現(xiàn)方法介紹

2.1 虛擬仿真實驗平臺開發(fā)環(huán)境

虛擬仿真實驗平臺其中一個基本的原則是便于學(xué)生實驗使用，即使在課外也能方便地進行自主實驗，因此，本虛擬仿真實驗平臺是基于微軟Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下，利用計算機進行仿真實驗。基于實驗室現(xiàn)有工業(yè)機器人為載荷3公斤的ABBIRB120工業(yè)機器人，本虛擬仿真實驗平臺的開發(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)機器人模型及控制系統(tǒng)，降低虛擬仿真平臺的開發(fā)成本。應(yīng)用場景模型利用三維設(shè)計軟件Solidwork進行設(shè)計。

2.2 工業(yè)機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)機器人模型以及控制系統(tǒng)為原型，控制系統(tǒng)選項增加了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。為結(jié)合現(xiàn)有工業(yè)機器人實驗平臺進行虛實結(jié)合實驗教學(xué)，在仿真平臺設(shè)計一個1795mm*1326mm規(guī)格實驗臺架模型。

寫字模塊屬于開放模塊，為方便初學(xué)者通過工具末端TCP點進行示教，設(shè)計了筆狀末端，學(xué)生也可根據(jù)自己的興趣愛好設(shè)計一個平面軌跡的模型加載到寫字模塊，以進行示教編程實驗及自動獲取軌跡編程（仿真實驗界面見圖1）。

圖1 虛擬仿真示教器手動操作界面及寫字模塊

在該仿真模塊下，學(xué)生可進行常用的軌跡運動指令示教編程實驗，理解不同運動指令以及每項相關(guān)參數(shù)的意義，也可根據(jù)仿真平臺中的軌跡模型進行ABB機器人自動獲取軌跡離線編程的實驗（如圖2所示）。

圖2 運動指令編程、末端軌跡姿態(tài)仿真

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

本模塊主要設(shè)計一個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Visual Studio2015及C#編程語言開發(fā)ABB工業(yè)機器人關(guān)鍵數(shù)據(jù)實時顯示軟件，在學(xué)生進行工件坐標系、工件坐標系的定義、不同類型位置數(shù)據(jù)定義等實驗時，方便學(xué)生觀察目標位置數(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)機器人關(guān)鍵數(shù)據(jù)實時顯示軟件開發(fā)建立在軟件與虛擬仿真實驗平臺后控制器的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，仿真工具平臺及數(shù)據(jù)實時顯示軟件界面如圖3所示。

表1 Visual Studio軟件部分代碼

圖3 仿真工具平臺及數(shù)據(jù)實時顯示軟件界面

2.4 生產(chǎn)應(yīng)用模擬平臺

生產(chǎn)應(yīng)用模擬仿真平臺針對焊接作業(yè)、搬運、碼垛三大常見工業(yè)機器人作業(yè)種類設(shè)計了六個三維仿真模擬模塊：設(shè)計立體倉庫模擬模塊、物料出庫模擬模塊、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三維軟件進行設(shè)計開發(fā)。焊接作業(yè)模擬實驗要求學(xué)生能通過示教編程把模擬工件從模擬立體倉庫模塊中取出，并準確放置焊接作業(yè)變位模擬模塊，進行焊接作業(yè)的工業(yè)機器人編程。搬運作業(yè)仿真模擬實驗要求學(xué)生完成搬運工件自動取、放模塊程序，根據(jù)物料出庫模擬信號、工件傳送帶模擬模塊到位信號完成搬運作業(yè)編程。碼垛作業(yè)仿真模擬實驗要求學(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)用模擬平臺中，設(shè)計有4個末端工具及末端工具支架，不同的作業(yè)模擬實驗需要完成取工具、完成具體作業(yè)、放工具三道工序，學(xué)生可根據(jù)作業(yè)的模擬工序進行模塊化編程實驗。

為實現(xiàn)工業(yè)機器人模擬仿真實驗中的仿真動作效果，如在模擬搬運作業(yè)中，當工業(yè)機器人末端工件TCP點到達工件吸取位置，并執(zhí)行吸取信號指令后，模擬工件應(yīng)能吸附到工業(yè)機器人末端工具TCP上。根據(jù)以上設(shè)計的實驗任務(wù)，本實驗平臺利用RobotStudio開發(fā)環(huán)境提供的Smart組件定義了模擬信號、仿真模型動作關(guān)聯(lián)設(shè)計與開發(fā)（如圖4）。生產(chǎn)應(yīng)用模擬實驗平臺如圖5所示。

圖4 搬運作業(yè)模擬仿真動作設(shè)計

圖5 生產(chǎn)應(yīng)用模擬實驗平臺

3 結(jié)語

工業(yè)機器人虛擬仿真實驗平臺是基于現(xiàn)有工業(yè)機器人設(shè)備臺套數(shù)不足，學(xué)生實驗中誤操作容易引起設(shè)備損壞，利用現(xiàn)有設(shè)備在進行編程實驗時對關(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)機器人應(yīng)用技術(shù)實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗課程目標等，開展虛實結(jié)合的實驗教學(xué)活動。從已開展的相應(yīng)教學(xué)活動效果分析，學(xué)生利用自己的計算機或?qū)嶒炇矣嬎銠C進入虛擬仿真實驗平臺進行虛擬仿真實驗，可幫助學(xué)生快速了解實驗設(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)用的機器人編程。此外，該虛擬仿真平臺模塊化的開放結(jié)構(gòu)，為學(xué)生提供創(chuàng)新性、設(shè)計性的實驗平臺，例如，機械工程機器人方向的學(xué)生可結(jié)合已學(xué)的三維建模技術(shù)設(shè)計搭建機器人應(yīng)用仿真場景，進行設(shè)計性綜合實驗。仿真實驗平臺基于實驗室設(shè)備進行開發(fā)，因此，也可很好地支持虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式。