基于RobotStudio的工業機器人自動茶水間工作站的虛擬仿真設計

李 柯 ，祁宇明，鄧三鵬

（天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津300222）

設計技術

基于RobotStudio的工業機器人自動茶水間工作站的虛擬仿真設計

李 柯 ，祁宇明，鄧三鵬

（天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津300222）

以ABB工業機器人為研究對象，介紹了RobotStudio軟件對茶水間飲品制作過程的仿真建模方案，以新的理念為科技型企業設計了工業機器人自動茶水間。依照飲品制作流程，構建了茶水間飲品制作工作站的整體空間布局，利用三維建模軟件設計了工作站中機器人所需的工具，通過建立RobotStudio中的Smart組件，配置相關I/O信號，仿真實現了機器人自動制作飲品的整個過程，為工業機器人在食品行業的應用提供了新的思路。

RobotStudio；工業機器人；虛擬工作站；仿真

茶水間是員工或老板飲用咖啡、茶和食用點心的場所，也是員工休息放松交流的去處。設計工業機器人自動茶水間主要是完成茶水間飲品的制作。員工在選擇點心的同時，工作站可自動完成飲品制作，節省員工自己沖泡咖啡、茶的時間，可以更好地休息和與同事交流。考察飲品制作的過程具有程式化的特點，本文提出了一種新的茶水間設計方法，將工業機器人應用到實際飲品制作過程中[1]。

1 RobotStudio仿真平臺研究

ABB RobotStudio是ABB公司開發的一款適用于各類ABB工業機器人的PC應用軟件，用于機器人單元的建模、離線創建和仿真。ABB RobotStudio的離線仿真功能可使用戶在實際構建機器人系統之前先進行設計和試運行[2]。在ABB RobotStudio中可以實現CAD導入、自動路徑生成、自動分析伸展能力、碰撞檢測、模擬仿真和二次開發等主要功能[3]。RobotStudio中的工業機器人與實際工作環境中真實的機器人運行情況完全對應，通過RobotStudio建立工作站、調試機器人的整個生產過程，為實際應用提供真實的驗證。

2 工業機器人自動茶水間工作站的構建

為實現沖泡咖啡、飲料、茶等主要功能，設計工作站應當包括機器人、飲水系統、飲品種類選擇面板、飲品材料選擇區、加工工作臺、吧臺、吸管盒等部分。工作站空間布局如圖1所示。

圖1 工作站的布局

根據茶水間的特點，考慮其工作流程和場地限制等因素，一臺工業機器人完成整個工作流程耗費時間較長，因此在RobotStudio中選擇1臺IRB 120機器人和1臺IRB1200代替實際用戶完成飲品制作。IRB120是ABB制造的最小的機器人，廣泛應用于電子、食品飲料等領域[4]，其結構設計緊湊，所占用的面積小，是物料搬運和裝配應用的理想選擇。IRB1200在具備極高的緊湊度的同時，有效的工作范圍也得到了擴大[5]?？紤]到本工作站中機器人需要夾取紙杯到達飲水系統、加工工作臺和吧臺，工作范圍較大，所以選擇工作區域更大的IRB1200機器人。同時為增加工作站機器人的靈活性，將IRB1200機器人建立在導軌上?？梢愿鶕嶋H茶水間場地的大小選擇相對合適的長度的導軌。

飲水系統的設計需要考慮水溫和出水量的大小。飲水系統設置兩種常溫水和熱水兩種模式，考慮到工作站使用相同大小的紙杯，以紙杯的容量設置飲水系統的出水量。

飲品材料選擇區放置所需飲品制作的材料，使用時在飲品種類選擇面板選擇所需要的飲品種類，機器人將移動至材料選擇區選擇相應制作材料，在加工工作臺完成飲品的制作。

3 機器人手爪的設計

RobotStudio支持各種主流CAD格式數據的導入，包括 IGES、STEP、VRML、VDAFS、ACIS 和 CATIA[6]。本工作站機器人手爪使用SolidWorks建模完成后，在RobotStudio軟件中創建成為新的機械裝置，安裝到機器人六軸上，實現抓取和搬運的功能。

工作站包括兩臺工業機器人，考慮到每個工業機器人所完成的動作不同，因此設計了兩種機器人手爪。如圖2所示的手爪1，主要分為夾具和吸盤兩個部分，使用氣缸控制夾爪的張開、閉合和吸盤的吸附、放松。夾具用來實現對制作材料的夾?。晃P實現對杯蓋的吸取和放置。手爪2由氣缸、電磁閥、傳感器和機械部件組成，用于紙杯的夾取和放置。手爪2中的兩個夾爪上部的突出部分用來壓緊杯蓋。兩個手爪和機器人六軸末端的法蘭連接。見圖3.

圖2 手爪1

圖3 手爪2

4 工作站Smart組件的設計

在Robot Studio中創建機器人自動茶水間的仿真工作站，動態效果的實現就需要使用RobotStudio中的Smart組件功能[7]。本工作站需要建立三個Smart組件實現整個工作站的仿真，分別是手爪1上的夾具夾取和吸盤吸附動作，手爪2上的抓取動作。手爪1上的夾具夾取和手爪2上的抓取動作可以通過添加 LineSensor、Attacher、Detacher、PoseMover 和 Logic－Gate[NOT]實現夾爪的張開和閉合動作，組件設計如圖4所示。吸盤需添加Attacher、Detacher、LineSensor和LogicGate[NOT]實現吸取和放置動作，組件設計如圖5所示。

圖4 夾具Smart組件設計

圖5 吸盤Smart組件設計

5 機器人工作流程設計

本工作站設計完成茶水間飲品制作的過程具有時序性，需要機器人協同配合，因此整個工作站的工作流程設計為：工業機器人在原點等候，在選擇面板選擇所需飲品類型后，機器人1移動至飲品制作材料選擇區夾取相應飲品制作材料，機器人2夾取紙杯。兩機器人移動至加工工作臺，機器人1將飲品制作材料放入紙杯后，移動到杯蓋放置處，機器人六軸旋轉吸盤吸取杯蓋，移動到加工工作臺等待機器人2.機器人2夾取盛有制作材料的紙杯移動至飲水系統，飲水系統開啟，將固定容量的水倒入紙杯。接水完成后，機器人2將紙杯送回加工工作臺，機器人1將杯蓋蓋到紙杯上并壓緊。由機器人2將制作好的飲品送至吧臺，兩機器人回到原點。工作站流程如圖6所示。

圖6 工作站流程圖

6 結束語

隨著人工智能的不斷發展，工業機器人可以應用的場合也越來越廣泛。本工作站的設計實現了茶水間的自動化運行，提供了一種新穎的茶水間設計理念，使其更好的為人類服務。同時也為工業機器人應用于食品加工行業提供了新的思路。

[1]畢道鹍.涂裝機器人噴幅誤差控制技術研究[D].合肥：中國科學技術大學，2015.

[2]葉 暉，管小青.工業機器人實操與應用技巧[M].北京：機械工業出版社，2013.

[3]葉 暉.工業機器人典型應用案例精析[M].北京：機械工業出版社，2014.

[4]李劍琦.ABB機器人完美征服中國市場[J].現代制造，2010（3）：14.

[5]葉暉.工業機器人工程應用虛擬仿真教程[M].北京：機械工業出版社，2014.

[6]陸 葉.基于RobotStudio的機器人柔性制造生產線的仿真設計[J].組合機床與自動化加工技術，2016（6）：157-160.

[7]葉 暉，何志勇，楊 薇.工業機器人工程應用虛擬仿真教程[M].北京：機械工業出版社，2013.

Virtual Simulation Design of Automatic Tea Room Station of Industrial Robot Based on RobotStudio

LI Ke，QI Yu-ming，DENG San-peng
（Institute of Robotics and Intelligent Equipment，Tianjin Vocational and Technical Normal University，Tianjin 300222，China）

Taking ABB industrial robot as the object of study，this paper introduces the simulation modeling program of beverage making process based on robotstudio software.Designing a new idea of industrial robot automatic tea room for science and technology enterprises.According to the process of making beverage，the spatial distribution of the tea room workstation is constructed.Using the 3D modeling software，the tools needed for the robot in the workstation are designed.By setting up smart components in RobotStudio and configuring I/O signals，the whole process of robot automatic making of drinks is simulated.It provides a new idea for the application of industrial robots in the food industry.

robotstudio；industrial robot；virtual workstation；simulation

TP242.6

A

1672-545X（2017）08-0006-03

2017-05-25

國家科技支撐計劃課題（編號：2015BAK06B04）；天津市科技支撐計劃重點項目（編號：14ZCZDSF00022）

李 柯（1992-），男，山東萊蕪人，碩士研究生，研究方向為智能機器人及其應用技術；祁宇明（1979-），男，湖北潛江人，工學博士，副教授，講師，研究方向為機器人技術與應用；鄧三鵬（1978-），男，湖北襄陽人，工學博士，教授，研究方向為特種機器人系統及應用。