基于Robotmaster的工業機器人虛擬仿真實驗平臺設計

(1.遼寧裝備制造職業技術學院 自控學院，遼寧 沈陽 110161；2.沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

1 引言

工業機器人作為機電一體化的典型設備，廣泛應用于現代工業自動化的各個領域，尤其適用于焊接、搬運、機加和噴涂等重復性勞動強度高、工作環境差的場合[1-2]。從2014年以來，中國已成為工業機器人需求增長最快的國家之一。預計至2017年，我國機器人整體市場需求量約11.5萬臺，同比增長25%[3-4]。隨著中國工業機器人市場的強勢發展，高素質高技能專門人才的短缺已經成為產業發展的瓶頸。

目前，遼寧裝備制造職業技術學院正致力打造工業機器人人才培養體系，有目的地為企業輸送服務于生產第一線崗位的工業機器人應用型人才。為了與企業實現零距離對接，學院開發了相應的實訓課程，這就需要有配套的實訓環境作保障。而建立一個優質的工業機器人實訓室不僅需要購置機器人本體，還需要配備必要的外圍設備，如氣動裝置、檢測系統、送料機構等，這使得實驗室的投入成本大大增加。同時，還要考慮到實驗過程中的物料設備損耗以及人身安全等因素。從教學反饋來看，雖然真實的機器人設備能夠給學生提供直觀、切身的體驗，但是實際情況往往受到設備數量的限制只能讓學生分組分批次的進行實驗，況且也只能讓學生觀看實驗結果，而未能真正給學生獨立編程、調試的機會。因此，建立智能化的虛擬工業機器人仿真實驗平臺是解決以上問題的最佳途徑。

2 虛擬實驗平臺的構建

2.1 Robotmaster虛擬仿真軟件簡介

Robotmaster是一款優秀的離線編程軟件，支持市場上的絕大多數機器人品牌，如KUKA、ABB、FANAC等[5]。該軟件具有強大的動態交互能力，用戶可以以手動或自動的方式輕松修改機器人的位姿和軌跡。在企業項目規劃階段，可借助Robotmaster軟件在實際機器人運行之前先進行位姿模擬和試運行，不僅可以提高企業生產效率還能降低調試成本。此外，Robotmaster軟件集成了更強大、更直觀的工作空間分析功能，能幫助用戶迅速確定工件的最佳位置，并能結合動態重算功能清晰地顯示環境變化對所有操作的全部影響。這就避免了工業機器人在運行中可能的誤操作造成的傷害和損失。在調試階段，Robotmaster可以在PC機上完成用戶控制和干預過程，得到各種相關數據。同時，該仿真平臺能定制工業機器人工作工程的示教畫面，增強視覺真實感。

Robotmaster還配有強大的控制工具，可以應用于任何的過程設置，如工具轉動、傾斜、回轉等位置，可以做到幾個參數的同時優化，并實時顯示機器人各關節位姿參數[6]。

2.2 工業機器人虛擬實驗平臺的總體框架

工業機器人虛擬實驗平臺的設計采用分級設計思路，先根據系統要實現的功能劃分出第一級菜單，然后再對各個子菜單進行設計，正確劃分和歸類各級菜單是保證系統有效運行的前提。圖1為工業機器人虛擬實驗平臺的總體框架。

首先，用戶先進入登錄界面，輸入自己的用戶名和密碼，進入虛擬實驗平臺后可以直接選擇需要完成的實驗，也可以選擇相關示教過程或下載相關資料來學習，或是查看以往的實驗成績。實驗做完后可以點擊保存，提交實驗報告，并可以在師生互動區與教師和同學進行交流并分享經驗，也可以展示自己的實驗成果，形成學生之間的互評和教師點評，或對系統反饋一些問題，這些問題會提交到服務終端，由管理員統一處理。

圖1 工業機器人虛擬實驗平臺的總體框架

3 虛擬仿真實驗內容

根據工業機器人在工業自動化領域的應用調研，可將實驗內容劃分為4個模塊，即搬運、焊接、加工、噴涂。利用Robotmaster的仿真動畫可觀看機器人在不同工作站的獨立操作，或單個工作站在連續模式或步進模式下的機器人運動。由此可實現對不同工作狀況和不同工作場景下的虛擬仿真。這樣的好處是一方面學生可以通過觀看仿真過程深入了解和掌握工業機器人的安裝、調試及維護保養等專業技能。另一方面，學生通過自己動手完成工業機器人的典型仿真實驗，可以輕松獲取操作機器人的方法，并及時總結經驗。

3.1 焊接機器人實驗設計

焊接機器人在汽車制造工業中有著廣泛的應用，在工業機器人發展初期，幾乎一半左右的工業機器人為焊接機器人[7]。Robotmaster軟件有專門的焊接指令庫，可以模擬整個焊接過程。實驗前，教師可以介紹焊接機器人的各個工作站，并在教師機上構造機器人系統，利用編程和操作完成工藝要求，讓學生能夠清晰認識機器人的關節運動、軌跡規劃、碰撞檢測等環節。在自主實驗中，學生可以自行設計運行軌跡，并通過編程模擬來驗證方案是否可行，進而選取和優化焊接軌跡。圖2為Robotmaster中的焊接機器人虛擬系統。

3.2 搬運機器人實驗設計

搬運機器人為應用機器人運動軌跡實現代替人工搬運的自動化產品。搬運機器人的優點是可以通過編程完成各種預期的任務，尤其體現出了人工智能和適應性。搬運機器人要執行的任務是將工件從一個加工位置移到另一個加工位置，從而取代人完成復雜繁重的體力勞動[8]。通過安裝不同的末端執行器就可以實現不同形狀工件的搬運作業。搬運機器人廣泛應用于自動化生產線、倉儲搬運、裝配流水線、機床自動上下料等場合。在虛擬實驗設計中要把握幾個關鍵點，如原點位置、待抓取點、抓取點、待放置點、放置點等，據此建立程序框架、編寫程序、調試運行。到位準確、運行平穩是評價搬運機器人的重要指標。圖3為搬運機器人在生產線上搬運大型玻璃虛擬系統。

圖2 焊接機器人虛擬系統

圖3 搬運機器人虛擬系統

3.3 加工機器人實驗設計

實驗項目以激光加工機器人為例，使用FANUC機器人實現高精度的激光加工作業，如圖4所示。該系統通過對加工工件的自動檢測，產生加工件的模型，繼而生成加工曲線，也可以利用CAD數據直接加工?？捎糜诠ぜ谋砻嫣幚?、打孔、修復等。建立工作站的步驟為激活機器人類型→設定機器人參數→設定坐標系參數→設定起始點和結束點參數→設定軸配置參數→保存參數→開始仿真。在仿真窗口中可以處理并驗證刀具路徑，然后生成相應的機器人代碼。這樣，機器人就會按照制定程序完成加工要求，并能保證加工精度。

圖4 FANUC加工機器人虛擬系統

3.4 噴涂機器人實驗設計

噴涂機器人是可進行自動噴漆或噴涂其它涂料的工業機器人，廣泛應用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產部門[9]，如圖5所示。以FANUC P-250iA115機器人為例，在工業應用中可達最大的工作范圍：1400arms；最快的關節速度：1500mm/s，榮幸的密封中空手腕[10]。仿真前要先進行參數設置，包括流量、物化氣壓、噴幅氣壓以及靜電量等，所有設置都是通過模擬量信號輸出，這些參數都可以直接在機器人程序中直接調用。機器人動作時，可以通過視角盤直接控制噴槍，選擇換色時序，也可以配合換色時序添加機器人動作，提高生產節拍。

圖5 噴涂機器人虛擬系統

4 虛擬仿真平臺的實驗過程

傳統的機器人技術教學實驗都是以已經搭建好的裝置為研究對象，各類傳感器、驅動器、控制柜都已連接完畢，學生只能在實驗中觀看動作流程，無法實現提高學生專業技能的目標。采用虛擬仿真技術可以讓學生自主規劃機器人的運動軌跡，模擬真實的生產場景。這樣不僅可以提高學生在機械、電氣方面的設計能力，還能開發學生的創新能力。圖6為建立一個工業機器人實驗項目的主要過程。

圖6 工業機器人仿真實驗流程圖

5 虛擬仿真實驗平臺的優勢

Robotmaster工業機器人虛擬仿真實驗平臺的構建是對傳統教學手段的改進和補充，具有以下幾點優勢：

(1)優化教學資源，深化教學改革。

設計綜合性的工業機器人虛擬實驗平臺，使得教學資源得到了質的延伸。傳統的工業機器人實驗課程往往針對特定的工況來設計教學內容，由于單一的工業機器人系統受其特定工況的限制，如焊接機器人配置了焊槍及轉臺，因此這套設備就只能做焊接實驗，要想改變其功能必須配置相應的外圍設備，成本高、靈活性差；而采用虛擬工業機器人實驗平臺可以根據需要來選擇機器人的功能，使其適應于不同的工況和工作場景，這不僅豐富了教學內容，而且進一步深化了教學改革。

(2)轉變教學模式，改善教學效果。

采用Robotmaster的工業機器人虛擬實驗平臺，有助于開展項目式教學，教學模式可以是“理實一體化”，也可以是“項目導入-任務驅動”。根據任務要求，搭建合適的工作場景，自主設計控制系統，選擇檢測裝置，真正實現以學生為主體，教師為引導的一體化教學體系，使學生體驗教學和真是工作崗位的零距離銜接。

(3)提高教學質量，培養創新人才。

利用Robotmaster中包含不同的工業機器人品牌及外圍設備元件庫，學生可以自行規劃機器人的運動軌跡，然后生成相應的機器人程序，通過調試運行驗證工藝的可行性，使得方案得到進一步優化。這樣不僅能加深學生對工業機器人系統工作原理的理解，還能培養學生的創新能力，實現高質量的人才培養目標。

6 結束語

虛擬工業機器人仿真平臺和實際工業機器人應用相結合的教學方法已進入試運行階段，以工業機器人專業1班為試點班，2班為對比班，經過一輪的授課，試點班師生教學反饋良好，該方法提高了學生的學習興趣，增強了自主學習能力。與對比班比較后發現，試點班的整體學習成績得到了大幅度提高，教學效果得到進一步改善。此外，虛實結合的課堂訓練，既滿足了教學需求又降低了投入成本，為高職學?！敖?學-做”一體化的教學模式注入了新的元素。此輻射效果是雙贏的，對學生而言，可以體驗真實的崗位環境；對教師而言，可以感受全新的教學模式。因此，建設虛擬工業機器人仿真實驗平臺必將成為實現應用型人才培養目標的發展趨勢，具有較好的推廣價值。

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