基于RobotStudio的搬運機器人虛擬仿真分析*

高志遠，晏芙蓉，李家學，李耀貴，黎 川

（1.廣東理工學院智能制造學院，廣東肇慶 526100；2.武漢光谷職業學院智能制造學院，武漢 430077）

0 引言

隨著工業自動化的不斷深入發展，搬運機器人作為工業自動化的重要組成部分之一，需求量也在與日俱增，并已廣泛應用于工業的生產和制造中[1-3]。而工業機器人虛擬仿真具有縮短生產工期、避免返工、節省成本等優點。RobotStudio 作為工業機器人虛擬仿真平臺之一，具有界面友好、編輯方便、功能豐富等優點，同時其在機器人應用行業中的地位也更加突出。

由于工業機器人在實際應用中，主要采用以示教的方式進行現場編程，會存以下問題：在線示教編程過程繁瑣且效率低；目測對機器人的示教操作難以在復雜路徑獲得準確位置；也無法應對外界信息干擾作出正確的決策[4-5]。將仿真軟件RobotStudio與工業機器人的有機結合，通過采用離線編程的方式有效縮短了機器人停機時間，在對新的任務進行編程時，機器人仍可在工業生產線上繼續正常運行，機器人的程序也可以隨時進行調試優化，有效改善了編程者的編程環境，使其遠離危險復雜的工作環境。

本文利用三維建模軟件SolidWorks 建立機器人搬運虛擬仿真平臺設備的三維模型，并為三維模型設置材質和外觀，使模型最大程度地反映真實設備的狀況。利用高效離線編程軟件RobotStudio 的Smart 組件設計動態物料的運動過程以及真空吸盤的動作，使工業機器人虛擬仿真平臺具有真實平臺的效果，有效地模擬了工業機器人搬運物料的工作過程。因此，基于RobotStudio 的搬運機器人虛擬仿真可以提升搬運機器人的設計、控制和路徑規劃等方面的能力，有效縮短了工業機器人現場的編程時間，防止工業機器人因誤操作造成損壞，同時也為搬運機器人的應用提供了理論支持和實踐基礎。

1 工作站布局及Smart組件的創建

1.1 RobotStudio簡介

RobotStudio 軟件是由ABB 公司開發的一款機器人虛擬仿真軟件，可以用于機器人系統的設計、程序開發、調試以及任務規劃等方面[6-8]。該軟件具有用戶界面友好、建模簡單、仿真準確等特點，可以提高機器人系統的開發效率和質量，也能夠提供豐富的庫存圖、3D 模型和虛擬環境，用戶可以根據實際需要自行選擇合適的模型進行仿真分析，還可以對工業機器人系統進行可視化調試，消除潛在的錯誤和風險[9-12]。通過RobotStudio 的仿真分析，用戶可以預先評估機器人系統的性能和可行性，避免了現實中的試錯成本。

1.2 工作站模型的建立

在工業機器人的應用中，搬運機器人主要由示教器、控制器、操作機組成，實現了不同形狀物料的搬運任務[13-17]。搬運機器人的外圍設備主要由工件維修臺、設備總控臺、上位機、警示三色燈和安全防護欄等組成[18-20]。為了確保工業機器人在真實環境中的準確運行，有必要對工業機器人的各個組成部分進行設計和合理化布局，通過利用三維建模軟件SolidWorks 建立機器人搬運虛擬仿真平臺以及外圍設備的三維模型，并根據實際環境的需要對三維模型的材料和外觀進行處理，使其最大程度地反映真實設備的實際運行情況，從而達到工業機器人搬運全過程虛擬仿真的目的。搬運機器人的組成和布局如圖1所示。

圖1 搬運機器人的組成與布局

1.3 Smart組件的設計

機器人在實際搬運中，主要是將工業機器人工作臺上的物料盤1 中的正四棱柱、正六棱柱、圓柱、橢圓柱等不同形狀的物料運輸到物料盤2 中指定的位置。在搬運過程中，工業機器人通過控制真空吸盤將物料吸起、搬運、松開等過程。為了達到與真實平臺相同的動態效果，利用RobotStudio 軟件中的Smart 組件設計一個動態物料的搬運過程。通過Smart組件的創建，來實現物料的智能化搬運。工業機器人物料搬運的I∕O表如表1所示。

表1 Smart組件的I/O信號和連接

2 仿真平臺的整體設計

2.1 工作流程

在搬運機器人在虛擬仿真過程中，工業機器人從工作初始位置出發，帶著真空吸盤運動到物料的正上方，控制真空吸盤吸取物料；再將物料放置在指定位置的正上方，然后在控制真空吸盤釋放物料；接著，工業機器人以此完成正四棱柱、正六棱柱、圓柱、橢圓柱等物料的搬運，直到4 組物料全部搬完為止；最后，工業機器人回到最初位置，等待再次搬運的指令。機器人搬運虛擬仿真平臺的工作流程如圖2所示。

圖2 機器人搬運虛擬仿真平臺的工作流程

2.2 機器人I/O信號的創建

工業機器人搬運控制系統在運行過程中，需要明確真空反饋將信號反饋給吸盤以及吸盤吸附放置的控制，可在虛擬示教器中配置I∕O 信號、設計工作站邏輯運行等。在示教器的控制面板Device Net 中創建DSQC652 標準I∕O板，地址為13，再配置機器人的I∕O 信號，如表2所示。

表2 機器人的I/O信號

2.3 工業機器人的運動軌跡和程序調試

在工業機器人搬運虛擬仿真過程中，在工業機器人的操作臺上放置有物料盤1 和物料盤2，將4 種不同形狀的工件從物料盤1中的A、B、C、D位置對應搬運到物料盤2 中的A1、B1、C1、D1位置。搬運機器人與物料盤工位之間的示意圖如圖3所示。

圖3 搬運機器人與物料盤工位

為了實現工業機器人搬運的虛擬仿真，有必要對工業機器人的運動軌跡進行規劃，驗證當前運動路徑是否會產生干涉，檢驗路徑規劃的合理性。搬運機器人的運動軌跡如圖4所示。

圖4 搬運機器人的運動軌跡

根據工業機器人搬運虛擬仿真平臺的工作流程，設計1個主程序和2個子程序。2個子程序分別為抓取程序、放置程序。通過主程序調用抓取程序、放置程序，完成整個工作流程。在程序編寫之前，利用RobotStudio的“同步”功能，將創建的工具數據、工件數據同步到RAPID，方便程序的后續處理。主程序、抓取程序、放置程序如下所示。

（1）主程序格式如下：

PROC main() ∕∕主程序；

InitALL; ∕∕初始化程序；

WHILE TRUE DO ∕∕循環指令；

zhuaqu; ∕∕調用搬運程序；

fangzhi; ∕∕調用放置程序；

Incr r1; ∕∕移動下一個物體；

ENDWHILE

MoveAbsJ jpos10NoEOffs,v1000,z50,Tool_xipanWObj:=

Workobject_1;

ENDPROC

（2）“抓取”程序格式如下：

PROC zhuaqu()

IF r1 ＜4 AND r2 ＜5 THEN

MoveJOffs(p10,70*r1,40*(1-r2),50),v1000,z0,

Tool_xipanWObj:=Workobject_1;

MoveLOffs(p10,70*r1,40*(1-r2),0),v1000,z0,

Tool_xipanWObj:=Workobject_1;

WaitTime 1; ∕∕延時1s；

Set do_xipan;

WaitTime 1; ∕∕延時1s；

MoveLOffs(p10,70*r1,40*(1-r2),50),v1000,z0,

Tool_xipanWObj:=Workobject_1;ENDIF

ENDPROC

（3）“放置”程序格式如下：

PROC fangzhi()

IF r1 ＜4 AND r2 ＜5 THEN

MoveJOffs(p20,70*r1,40*(r2-1),50),v1000,z0,

Tool_xipanWObj:=Workobject_1;

MoveLOffs(p20,70*r1,40*(r2-1),0),v1000,z0,

Tool_xipanWObj:=Workobject_1;

WaitTime 1; ∕∕延時1s；

Reset do_xipan;

WaitTime 1; ∕∕延時1s；

MoveLOffs(p20,70*r1,40*(r2-1),50),v1000,z0,

Tool_xipanWObj:=Workobject_1;

ENDIF

ENDMODULE

3 搬運機器人的仿真結果與分析

在程序編寫和點位示教完成后，利用RobotStudio 軟件中的“仿真”功能，在虛擬示教器中啟動主程序進行機器人搬運虛擬仿真平臺工作流程的仿真測試，運行效果如圖5 所示。由圖可知，工業機器人搬運虛擬仿真平臺中的機器人能夠按照設計程序要求完成規定的搬運工作，以此完成了正四棱柱、正六棱柱、圓柱和橢圓柱四種形狀的工件的搬運。其中，對于工業機器人搬運虛擬仿真平臺中真空吸盤的機器人裝載、卸載動作，以及每個搬運的起始點和搬運的終止點都是依靠預設的程序來完成。整個過程的模擬實現了物料的搬運，真實反映了運動過程，驗證了工業機器人虛擬仿真平臺的正確性和有效性。

圖5 機器人搬運虛擬仿真平臺運行效果圖

最后，將物料盤1 中正四棱柱、正六棱柱、圓柱、橢圓柱等4 種不同形狀的物料采用現場示教的方式進行操作，并與工業機器人搬運虛擬仿真平臺在所用時間、準確放入數量方面進行對比分析，得到如表3所示數據。由表分析得出：現場示教的方式易受到物料形狀的影響，對于復雜的形狀如正六棱柱和橢圓柱分別有2個和1個未能準確放入對應的槽內，而離線仿真不受物料形狀的影響，16 個物料全部放入對應的槽內。在所用時間上，離線仿真的方式所用119 s，現場示教操作所用時間為182 s，可以看出，離線仿真的方式明顯優于示教操作。

表3 現場示教與虛擬仿真平臺對比分析

4 結束語

利用RobotStudio建立了機器人搬運虛擬仿真平臺，依次完成了工作站的導入、工作站布局、Smart組件的創建、工作站邏輯創建、I∕O信號仿真以及軌跡編程等工作流程，并設計了機器人搬運物料的主程序、抓取程序和放置程序，成功模擬了機器人搬運平臺中正四棱柱、正六棱柱、圓柱、橢圓柱等工件的裝載與卸載，真空吸盤的吸取與釋放工件的動態效果，實現了機器人搬運平臺工作過程的仿真，并與現場示教操作的方式進行對比，其離線仿真的方式在所用時間與準確率上明顯優于示教操作，有效驗證了該虛擬仿真平臺的正確性和高效性，為搬運機器人在現實環境中的運行起到仿真模擬的作用，可代替真實平臺進行程序編寫和調試，有助于提高工業機器人的應用和編程效率，降低了企業的成本，對于推動工業機器人在生產、制造領域有一定的實際意義。