虛實結合的工業機器人實驗教學方法

朱新杰，王慶九，顧大強，楊將新

（浙江大學 機械工程學院，浙江 杭州 310027）

工業機器人是綜合應用計算機、自動控制、自動檢測及精密機械裝置等高新技術的產物，是技術密集度及自動化程度很高的典型機電一體化加工設備[1]。日本工業機器人協會（JIRA）給出的定義是：一種裝備有記憶裝置和末端執行器，能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器[2]。工業機器人是“中國制造2025” 的重點發展領域，是構成“智慧工廠” 和 “智能物流” 的核心要素，其發展水平和應用規模將在一定程度上決定我國由制造大國向制造強國轉型的深度和廣度。為適應 “新工科” 背景下的人才培養要求，越來越多的高校增設了 “機器人” 專業，傳統工科專業也紛紛開設工業機器人課程，并開展與之相關的實驗教學[3-10]。

工業機器人需要適應不同的應用場景，結構類型較多，在實體教學中，受條件限制通常只能以一兩種類型為代表進行介紹。但借助計算機技術，可在應用軟件里集成虛擬仿真模塊，可選擇不同的產品型號，搭建虛擬場景、編寫調試程序并仿真運動軌跡。配合機器人實體，采用 “虛實結合、軟硬兼施” 的方法，可使學生通過由表及里的觀察、由淺入深的理解、由簡到難的應用，循序漸進地開展實驗項目，大大提高實驗效率。另外，在經過基于軟件的虛擬仿真過程后，可使學生熟悉機器人性能，降低了直接上機操作帶來的風險[11-16]。

本文以三菱工業機器人為例，介紹 “虛實結合”方法在工業機器人實驗教學中的應用實踐。

1 實驗方案設計

1.1 實驗組織形式與步驟

學生以小組為單位進行實驗，每組3 人，整個實驗課程包括以下4 部分內容。

（1）由指導教師集中介紹課程內容，講解工業機器人的知識點，示范機器人實驗平臺的操控方法并演示例程，學生分組對照平臺實物閱讀教材、資料與圖紙，熟悉實驗器材，了解實驗任務。

（2）在計算機上運行工業機器人配套軟件，建立工程文檔，設定合理的參數，編寫合適的程序，開展虛擬仿真實驗，并進一步熟悉機器人的運動特點與控制方法。

（3）在充分了解機器人的操作方法、注意事項及應急措施后，可以給機器人實驗臺上電進行實際操作，搭建真實的工作場景，下載調試控制程序，測試運行結果直至正確完成實驗任務。

（4）各小組整理材料，撰寫實驗報告，指導教師按組依次問辯檢查實驗成果，視問辯情況現場布置附加考核內容進行當場測試。

1.2 實驗器材

各小組的實驗器材包括：

（1）三菱RV 型工業機器人實驗臺；

（2）Dell 品牌臺式計算機；

（3）機器人資料文檔與參考書籍；

（4）實驗臺機械、電氣圖紙與示例程序；

（5）數據線和連接線；

（6）慧魚（Fischer）創意構件組合包；

（7）工具箱。

1.3 實驗任務

本實驗選取物料搬運作為實驗任務，這是一種常見的工業機器人工作場景，也是構成很多其他復雜應用的一項基本功能。一個獨立的搬運過程可以分解為以下幾個步驟：①抓手就位；②快速移動至抓取近點；③慢速移動至抓取目標點；④抓取物料；⑤慢速退回至抓取近點；⑥快速移動至放置近點；⑦慢速移動至放置目標點；⑧放置物料；⑨慢速退回至放置近點；⑩抓手復位。如圖1 所示，其中P0點為抓手待命點，P1點為抓取目標點，P2點為放置目標點。

圖1 搬運過程的動作分解

2 虛擬仿真實驗

2.1 機器人編程軟件

三菱RT ToolBox3 軟件是用于對三菱工業機器人進行參數設置、文檔編輯、程序調試和狀態監視的軟件，其功能強大，編程方便[17]。軟件有 “離線”“模擬” 和 “在線” 三種模式，一般在 “離線” 模式下編程，“模擬” 模式下虛擬仿真，“在線” 模式下聯機調試。

圖2 所示為工程設置界面，可以設定工程名稱、選擇機器人規格型號、設置通信參數、添加附加軸、編輯工具坐標和工件坐標等。

圖2 工程設置界面

圖3 程序編輯界面

軟件的程序編輯界面如圖3 所示。屏幕上方為常規的工具欄和菜單，下方為狀態欄，中間左側為工程文件列表區，屏幕中部為編輯區，其中上方為程序指令編輯窗口，下方為位置變量編輯窗口。

2.2 物料搬運程序分析

采用MELFA-BASIC VI 指令編寫的三菱工業機器人物料搬運程序如圖4 所示，由撇號“’” 引導并顯示為綠色的內容為程序中的注釋文字。

圖4 物料搬運程序

2.3 虛擬仿真調試

程序編輯完成并經語法檢查無誤后，可通過點擊工具欄中的 “模擬” 按鈕進入虛擬仿真模式，如圖5所示。界面左上方為模擬操作面板，能夠執行JOG 運行、自動運行、直接指令運行以及調試運行，實時顯示程序狀態、位置數據和報警信息；中間區域為3D運行顯示屏，能動態仿真機器人各軸當前位置與運動過程，用戶可以通過配置文件添加虛擬工作臺、虛擬流水線和虛擬工件，進行機器人工作環境的布局，使用鼠標可以拖動、縮放當前顯示窗口，可以選擇不同視角進行全方位全過程監視。右上方是抓手設計界面，以模塊組的形式提供抓手部件，模塊的形狀、尺寸和位置都可以自由設置，使用方便，設計完成的抓手連接在機器人末端法蘭盤中心。下方為程序監視窗口，可動態跟蹤當前執行的程序行，方便調試查看。

圖5 虛擬仿真調試界面

順利完成虛擬仿真部分的實驗內容后，學生能夠掌握機器人程序的編寫規則和調試方法，并且對機器人的機械結構、電氣連接和安全性能有進一步了解，為下一環節的實踐操作打下了基礎。

3 工業機器人實踐操作

3.1 實驗臺的構成

實驗臺以三菱RV 型工業機器人為核心構建，機器人本體安裝在實驗臺基座上方，控制器安裝在基座柜體內，示教器懸掛在柜體的右側，柜體左側上方安裝了機器人工作模式切換開關盒，基座連同柜體的尺寸為80 cm×100 cm×60 cm，基座上還有一個小型裝配工作臺。實驗臺外形如圖6 所示。

圖6 三菱RV 型工業機器人實驗臺

所采用的三菱RV-4FL-1D 是一種垂直多關節型工業機器人，機身較小巧，廣泛應用于小部件搬運、組裝與檢驗。機器人本體由6 軸串聯組成，從下至上編號J1—J6，分別由6 個伺服電機帶動，末端可以定位到特定空間的各個位置，重復定位精度為0.02 mm，最大動作半徑為649 mm，最大可搬運重量為4 kg，最大合成速度為9 048 mm/s。配套的CR751-D 型控制器的外形尺寸為430 mm×425 mm×98 mm，由AC220V供電[18]。示教器型號為R33TB，通過液晶屏界面進行人機交互。

機器人第6 軸的末端是一個法蘭盤，我們根據實驗項目需要在其上安裝了一個組合工具盤，包括3 個氣動抓手與1 個氣動吸盤，用于拾取不同形狀和大小的工件，分別由連接到機器人控制器內部的4 只電磁閥控制開/關動作?？諌簷C提供的壓縮空氣經過儲氣罐后連接到機器人的氣路系統，實驗用氣壓一般調節到0.3 MPa 左右。

實驗臺還提供了一些慧魚創意組合構件用于實驗場景的搭建。

3.2 聯機實驗操作步驟

實驗臺上電后，若無報警信息，即可開始聯機實驗。學生通過示教器或計算機操控機器人實體，包括以下實驗步驟：

（1）在實驗臺基座的裝配工作臺上指定P1和P2位置，搭建物料放置架，將待搬運物料放置到P1處的架子上；

（2）在計算機軟件中打開上一個實驗內容中已成功虛擬仿真運行過的工作區文件；

（3）用USB 線連接計算機與機器人控制器后，選擇軟件端進入 “在線” 狀態；

（4）轉動實驗臺左側面的工作模式開關到“手動模式” 檔，將機器人程序在線寫入控制器；

（5）通過示教器的手動JOG 操作，確定程序中定義的三個位置，即抓手停留待命位置P0、抓取工件位置P1和放置工件位置P2，并下載到機器人控制器；

（6）切換實驗臺到自動運行模式，通過機器人軟件控制運行，測試程序；

（7）調試完成后，可以脫離計算機，通過啟動、停止按鈕進行自動生產作業。

圖7 所示為實驗臺機械臂氣抓搬運LED 手電筒后端蓋的工作場景。

圖7 機器人搬運物料工作場景

3.3 機器人操作注意事項

工業機器人多應用于工業場景，屬于高、精、密型設備，對相關人員的素質要求較高，一般需由專業人員操作和維護。在實驗教學中，除了常規的實驗室安全規則外，還需要提醒學生注意以下事項，以確保安全。

（1）在手動操作機器人時，同時必須只能有一人通過一種設備（示教器或計算機）操作，且必須確保在機械臂的最大活動范圍內沒有障礙阻擋（包括人員與物件）。

（2）每個小組必須有一名學生負責急停按鈕（實驗臺左側面的按鈕盒上或示教器上任選一處），緊盯機器人運行動作，一旦發現異常傾向立即按下急停按鈕，確保安全。

（3）進入自動模式前，需注意 “速度比率” 的設置，在運動不確定的情況下以較小數值（越小越慢）為宜。

（4）在正常使用時，不可以用力推拉機器臂，不可以帶電插拔數據線和電氣連接線。

4 結語

結合虛擬仿真技術開展工業機器人應用實驗教學，可使學生通過計算機軟件進行預操作、預演練，在實際使用機器人設備之前就能充分熟悉并掌握其使用方法和調試技術，可增加實驗靈活性，且有效避免因不當操作對人員和設備帶來的傷害。

自2017 年秋季學期起，我們在面向機械工程專業高年級本科生的探究性實驗課程中開展了以 “虛實結合” 為主要特征的工業機器人實驗教學實踐，實驗對象包括以三菱為代表的日系機器人品牌和以ABB 為代表的歐系機器人品牌，收效良好。這種“虛實結合”的方法豐富了實驗內容，提高了實驗效率，創新了實驗形式，是一種可復制、可推廣的教學模式。