(1.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自控學(xué)院，遼寧 沈陽 110161；2.沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

1 引言

工業(yè)機(jī)器人作為機(jī)電一體化的典型設(shè)備，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域，尤其適用于焊接、搬運(yùn)、機(jī)加和噴涂等重復(fù)性勞動(dòng)強(qiáng)度高、工作環(huán)境差的場(chǎng)合[1-2]。從2014年以來，中國已成為工業(yè)機(jī)器人需求增長(zhǎng)最快的國家之一。預(yù)計(jì)至2017年，我國機(jī)器人整體市場(chǎng)需求量約11.5萬臺(tái)，同比增長(zhǎng)25%[3-4]。隨著中國工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的強(qiáng)勢(shì)發(fā)展，高素質(zhì)高技能專門人才的短缺已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

目前，遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院正致力打造工業(yè)機(jī)器人人才培養(yǎng)體系，有目的地為企業(yè)輸送服務(wù)于生產(chǎn)第一線崗位的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用型人才。為了與企業(yè)實(shí)現(xiàn)零距離對(duì)接，學(xué)院開發(fā)了相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)課程，這就需要有配套的實(shí)訓(xùn)環(huán)境作保障。而建立一個(gè)優(yōu)質(zhì)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室不僅需要購置機(jī)器人本體，還需要配備必要的外圍設(shè)備，如氣動(dòng)裝置、檢測(cè)系統(tǒng)、送料機(jī)構(gòu)等，這使得實(shí)驗(yàn)室的投入成本大大增加。同時(shí)，還要考慮到實(shí)驗(yàn)過程中的物料設(shè)備損耗以及人身安全等因素。從教學(xué)反饋來看，雖然真實(shí)的機(jī)器人設(shè)備能夠給學(xué)生提供直觀、切身的體驗(yàn)，但是實(shí)際情況往往受到設(shè)備數(shù)量的限制只能讓學(xué)生分組分批次的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，況且也只能讓學(xué)生觀看實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而未能真正給學(xué)生獨(dú)立編程、調(diào)試的機(jī)會(huì)。因此，建立智能化的虛擬工業(yè)機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是解決以上問題的最佳途徑。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

2.1 Robotmaster虛擬仿真軟件簡(jiǎn)介

Robotmaster是一款優(yōu)秀的離線編程軟件，支持市場(chǎng)上的絕大多數(shù)機(jī)器人品牌，如KUKA、ABB、FANAC等[5]。該軟件具有強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)交互能力，用戶可以以手動(dòng)或自動(dòng)的方式輕松修改機(jī)器人的位姿和軌跡。在企業(yè)項(xiàng)目規(guī)劃階段，可借助Robotmaster軟件在實(shí)際機(jī)器人運(yùn)行之前先進(jìn)行位姿模擬和試運(yùn)行，不僅可以提高企業(yè)生產(chǎn)效率還能降低調(diào)試成本。此外，Robotmaster軟件集成了更強(qiáng)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(jié)合動(dòng)態(tài)重算功能清晰地顯示環(huán)境變化對(duì)所有操作的全部影響。這就避免了工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)行中可能的誤操作造成的傷害和損失。在調(diào)試階段，Robotmaster可以在PC機(jī)上完成用戶控制和干預(yù)過程，得到各種相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)，該仿真平臺(tái)能定制工業(yè)機(jī)器人工作工程的示教畫面，增強(qiáng)視覺真實(shí)感。

Robotmaster還配有強(qiáng)大的控制工具，可以應(yīng)用于任何的過程設(shè)置，如工具轉(zhuǎn)動(dòng)、傾斜、回轉(zhuǎn)等位置，可以做到幾個(gè)參數(shù)的同時(shí)優(yōu)化，并實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人各關(guān)節(jié)位姿參數(shù)[6]。

2.2 工業(yè)機(jī)器人虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體框架

工業(yè)機(jī)器人虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)采用分級(jí)設(shè)計(jì)思路，先根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能劃分出第一級(jí)菜單，然后再對(duì)各個(gè)子菜單進(jìn)行設(shè)計(jì)，正確劃分和歸類各級(jí)菜單是保證系統(tǒng)有效運(yùn)行的前提。圖1為工業(yè)機(jī)器人虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體框架。

首先，用戶先進(jìn)入登錄界面，輸入自己的用戶名和密碼，進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后可以直接選擇需要完成的實(shí)驗(yàn)，也可以選擇相關(guān)示教過程或下載相關(guān)資料來學(xué)習(xí)，或是查看以往的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。實(shí)驗(yàn)做完后可以點(diǎn)擊保存，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并可以在師生互動(dòng)區(qū)與教師和同學(xué)進(jìn)行交流并分享經(jīng)驗(yàn)，也可以展示自己的實(shí)驗(yàn)成果，形成學(xué)生之間的互評(píng)和教師點(diǎn)評(píng)，或?qū)ο到y(tǒng)反饋一些問題，這些問題會(huì)提交到服務(wù)終端，由管理員統(tǒng)一處理。

圖1 工業(yè)機(jī)器人虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體框架

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用調(diào)研，可將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容劃分為4個(gè)模塊，即搬運(yùn)、焊接、加工、噴涂。利用Robotmaster的仿真動(dòng)畫可觀看機(jī)器人在不同工作站的獨(dú)立操作，或單個(gè)工作站在連續(xù)模式或步進(jìn)模式下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工作狀況和不同工作場(chǎng)景下的虛擬仿真。這樣的好處是一方面學(xué)生可以通過觀看仿真過程深入了解和掌握工業(yè)機(jī)器人的安裝、調(diào)試及維護(hù)保養(yǎng)等專業(yè)技能。另一方面，學(xué)生通過自己動(dòng)手完成工業(yè)機(jī)器人的典型仿真實(shí)驗(yàn)，可以輕松獲取操作機(jī)器人的方法，并及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

3.1 焊接機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

焊接機(jī)器人在汽車制造工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，在工業(yè)機(jī)器人發(fā)展初期，幾乎一半左右的工業(yè)機(jī)器人為焊接機(jī)器人[7]。Robotmaster軟件有專門的焊接指令庫，可以模擬整個(gè)焊接過程。實(shí)驗(yàn)前，教師可以介紹焊接機(jī)器人的各個(gè)工作站，并在教師機(jī)上構(gòu)造機(jī)器人系統(tǒng)，利用編程和操作完成工藝要求，讓學(xué)生能夠清晰認(rèn)識(shí)機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、軌跡規(guī)劃、碰撞檢測(cè)等環(huán)節(jié)。在自主實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)運(yùn)行軌跡，并通過編程模擬來驗(yàn)證方案是否可行，進(jìn)而選取和優(yōu)化焊接軌跡。圖2為Robotmaster中的焊接機(jī)器人虛擬系統(tǒng)。

3.2 搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)器人為應(yīng)用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)代替人工搬運(yùn)的自動(dòng)化產(chǎn)品。搬運(yùn)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是可以通過編程完成各種預(yù)期的任務(wù)，尤其體現(xiàn)出了人工智能和適應(yīng)性。搬運(yùn)機(jī)器人要執(zhí)行的任務(wù)是將工件從一個(gè)加工位置移到另一個(gè)加工位置，從而取代人完成復(fù)雜繁重的體力勞動(dòng)[8]。通過安裝不同的末端執(zhí)行器就可以實(shí)現(xiàn)不同形狀工件的搬運(yùn)作業(yè)。搬運(yùn)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線、倉儲(chǔ)搬運(yùn)、裝配流水線、機(jī)床自動(dòng)上下料等場(chǎng)合。在虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中要把握幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，如原點(diǎn)位置、待抓取點(diǎn)、抓取點(diǎn)、待放置點(diǎn)、放置點(diǎn)等，據(jù)此建立程序框架、編寫程序、調(diào)試運(yùn)行。到位準(zhǔn)確、運(yùn)行平穩(wěn)是評(píng)價(jià)搬運(yùn)機(jī)器人的重要指標(biāo)。圖3為搬運(yùn)機(jī)器人在生產(chǎn)線上搬運(yùn)大型玻璃虛擬系統(tǒng)。

圖2 焊接機(jī)器人虛擬系統(tǒng)

圖3 搬運(yùn)機(jī)器人虛擬系統(tǒng)

3.3 加工機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以激光加工機(jī)器人為例，使用FANUC機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高精度的激光加工作業(yè)，如圖4所示。該系統(tǒng)通過對(duì)加工工件的自動(dòng)檢測(cè)，產(chǎn)生加工件的模型，繼而生成加工曲線，也可以利用CAD數(shù)據(jù)直接加工。可用于工件的表面處理、打孔、修復(fù)等。建立工作站的步驟為激活機(jī)器人類型→設(shè)定機(jī)器人參數(shù)→設(shè)定坐標(biāo)系參數(shù)→設(shè)定起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)參數(shù)→設(shè)定軸配置參數(shù)→保存參數(shù)→開始仿真。在仿真窗口中可以處理并驗(yàn)證刀具路徑，然后生成相應(yīng)的機(jī)器人代碼。這樣，機(jī)器人就會(huì)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(jī)器人虛擬系統(tǒng)

3.4 噴涂機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

噴涂機(jī)器人是可進(jìn)行自動(dòng)噴漆或噴涂其它涂料的工業(yè)機(jī)器人，廣泛應(yīng)用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門[9]，如圖5所示。以FANUC P-250iA115機(jī)器人為例，在工業(yè)應(yīng)用中可達(dá)最大的工作范圍：1400arms；最快的關(guān)節(jié)速度：1500mm/s，榮幸的密封中空手腕[10]。仿真前要先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括流量、物化氣壓、噴幅氣壓以及靜電量等，所有設(shè)置都是通過模擬量信號(hào)輸出，這些參數(shù)都可以直接在機(jī)器人程序中直接調(diào)用。機(jī)器人動(dòng)作時(shí)，可以通過視角盤直接控制噴槍，選擇換色時(shí)序，也可以配合換色時(shí)序添加機(jī)器人動(dòng)作，提高生產(chǎn)節(jié)拍。

圖5 噴涂機(jī)器人虛擬系統(tǒng)

4 虛擬仿真平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)過程

傳統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)都是以已經(jīng)搭建好的裝置為研究對(duì)象，各類傳感器、驅(qū)動(dòng)器、控制柜都已連接完畢，學(xué)生只能在實(shí)驗(yàn)中觀看動(dòng)作流程，無法實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生專業(yè)技能的目標(biāo)。采用虛擬仿真技術(shù)可以讓學(xué)生自主規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，模擬真實(shí)的生產(chǎn)場(chǎng)景。這樣不僅可以提高學(xué)生在機(jī)械、電氣方面的設(shè)計(jì)能力，還能開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。圖6為建立一個(gè)工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的主要過程。

圖6 工業(yè)機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)流程圖

5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

Robotmaster工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)手段的改進(jìn)和補(bǔ)充，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)優(yōu)化教學(xué)資源，深化教學(xué)改革。

設(shè)計(jì)綜合性的工業(yè)機(jī)器人虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使得教學(xué)資源得到了質(zhì)的延伸。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程往往針對(duì)特定的工況來設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，由于單一的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)受其特定工況的限制，如焊接機(jī)器人配置了焊槍及轉(zhuǎn)臺(tái)，因此這套設(shè)備就只能做焊接實(shí)驗(yàn)，要想改變其功能必須配置相應(yīng)的外圍設(shè)備，成本高、靈活性差；而采用虛擬工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以根據(jù)需要來選擇機(jī)器人的功能，使其適應(yīng)于不同的工況和工作場(chǎng)景，這不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容，而且進(jìn)一步深化了教學(xué)改革。

(2)轉(zhuǎn)變教學(xué)模式，改善教學(xué)效果。

采用Robotmaster的工業(yè)機(jī)器人虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有助于開展項(xiàng)目式教學(xué)，教學(xué)模式可以是“理實(shí)一體化”，也可以是“項(xiàng)目導(dǎo)入-任務(wù)驅(qū)動(dòng)”。根據(jù)任務(wù)要求，搭建合適的工作場(chǎng)景，自主設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，選擇檢測(cè)裝置，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主體，教師為引導(dǎo)的一體化教學(xué)體系，使學(xué)生體驗(yàn)教學(xué)和真是工作崗位的零距離銜接。

(3)提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

利用Robotmaster中包含不同的工業(yè)機(jī)器人品牌及外圍設(shè)備元件庫，學(xué)生可以自行規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后生成相應(yīng)的機(jī)器人程序，通過調(diào)試運(yùn)行驗(yàn)證工藝的可行性，使得方案得到進(jìn)一步優(yōu)化。這樣不僅能加深學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)工作原理的理解，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

6 結(jié)束語

虛擬工業(yè)機(jī)器人仿真平臺(tái)和實(shí)際工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)方法已進(jìn)入試運(yùn)行階段，以工業(yè)機(jī)器人專業(yè)1班為試點(diǎn)班，2班為對(duì)比班，經(jīng)過一輪的授課，試點(diǎn)班師生教學(xué)反饋良好，該方法提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了自主學(xué)習(xí)能力。與對(duì)比班比較后發(fā)現(xiàn)，試點(diǎn)班的整體學(xué)習(xí)成績(jī)得到了大幅度提高，教學(xué)效果得到進(jìn)一步改善。此外，虛實(shí)結(jié)合的課堂訓(xùn)練，既滿足了教學(xué)需求又降低了投入成本，為高職學(xué)?！敖?學(xué)-做”一體化的教學(xué)模式注入了新的元素。此輻射效果是雙贏的，對(duì)學(xué)生而言，可以體驗(yàn)真實(shí)的崗位環(huán)境；對(duì)教師而言，可以感受全新的教學(xué)模式。因此，建設(shè)虛擬工業(yè)機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)必將成為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)，具有較好的推廣價(jià)值。

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