李 柯 ，祁宇明，鄧三鵬

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津300222）

設(shè)計(jì)技術(shù)

基于RobotStudio的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)茶水間工作站的虛擬仿真設(shè)計(jì)

李 柯 ，祁宇明，鄧三鵬

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津300222）

以ABB工業(yè)機(jī)器人為研究對(duì)象，介紹了RobotStudio軟件對(duì)茶水間飲品制作過(guò)程的仿真建模方案，以新的理念為科技型企業(yè)設(shè)計(jì)了工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)茶水間。依照飲品制作流程，構(gòu)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(shè)計(jì)了工作站中機(jī)器人所需的工具，通過(guò)建立RobotStudio中的Smart組件，配置相關(guān)I/O信號(hào)，仿真實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動(dòng)制作飲品的整個(gè)過(guò)程，為工業(yè)機(jī)器人在食品行業(yè)的應(yīng)用提供了新的思路。

RobotStudio；工業(yè)機(jī)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(diǎn)心的場(chǎng)所，也是員工休息放松交流的去處。設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)茶水間主要是完成茶水間飲品的制作。員工在選擇點(diǎn)心的同時(shí)，工作站可自動(dòng)完成飲品制作，節(jié)省員工自己沖泡咖啡、茶的時(shí)間，可以更好地休息和與同事交流。考察飲品制作的過(guò)程具有程式化的特點(diǎn)，本文提出了一種新的茶水間設(shè)計(jì)方法，將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用到實(shí)際飲品制作過(guò)程中[1]。

1 RobotStudio仿真平臺(tái)研究

ABB RobotStudio是ABB公司開(kāi)發(fā)的一款適用于各類(lèi)ABB工業(yè)機(jī)器人的PC應(yīng)用軟件，用于機(jī)器人單元的建模、離線創(chuàng)建和仿真。ABB RobotStudio的離線仿真功能可使用戶(hù)在實(shí)際構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)之前先進(jìn)行設(shè)計(jì)和試運(yùn)行[2]。在ABB RobotStudio中可以實(shí)現(xiàn)CAD導(dǎo)入、自動(dòng)路徑生成、自動(dòng)分析伸展能力、碰撞檢測(cè)、模擬仿真和二次開(kāi)發(fā)等主要功能[3]。RobotStudio中的工業(yè)機(jī)器人與實(shí)際工作環(huán)境中真實(shí)的機(jī)器人運(yùn)行情況完全對(duì)應(yīng)，通過(guò)RobotStudio建立工作站、調(diào)試機(jī)器人的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，為實(shí)際應(yīng)用提供真實(shí)的驗(yàn)證。

2 工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)茶水間工作站的構(gòu)建

為實(shí)現(xiàn)沖泡咖啡、飲料、茶等主要功能，設(shè)計(jì)工作站應(yīng)當(dāng)包括機(jī)器人、飲水系統(tǒng)、飲品種類(lèi)選擇面板、飲品材料選擇區(qū)、加工工作臺(tái)、吧臺(tái)、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(jù)茶水間的特點(diǎn)，考慮其工作流程和場(chǎng)地限制等因素，一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人完成整個(gè)工作流程耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，因此在RobotStudio中選擇1臺(tái)IRB 120機(jī)器人和1臺(tái)IRB1200代替實(shí)際用戶(hù)完成飲品制作。IRB120是ABB制造的最小的機(jī)器人，廣泛應(yīng)用于電子、食品飲料等領(lǐng)域[4]，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，所占用的面積小，是物料搬運(yùn)和裝配應(yīng)用的理想選擇。IRB1200在具備極高的緊湊度的同時(shí)，有效的工作范圍也得到了擴(kuò)大[5]?？紤]到本工作站中機(jī)器人需要夾取紙杯到達(dá)飲水系統(tǒng)、加工工作臺(tái)和吧臺(tái)，工作范圍較大，所以選擇工作區(qū)域更大的IRB1200機(jī)器人。同時(shí)為增加工作站機(jī)器人的靈活性，將IRB1200機(jī)器人建立在導(dǎo)軌上?？梢愿鶕?jù)實(shí)際茶水間場(chǎng)地的大小選擇相對(duì)合適的長(zhǎng)度的導(dǎo)軌。

飲水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮水溫和出水量的大小。飲水系統(tǒng)設(shè)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(shè)置飲水系統(tǒng)的出水量。

飲品材料選擇區(qū)放置所需飲品制作的材料，使用時(shí)在飲品種類(lèi)選擇面板選擇所需要的飲品種類(lèi)，機(jī)器人將移動(dòng)至材料選擇區(qū)選擇相應(yīng)制作材料，在加工工作臺(tái)完成飲品的制作。

3 機(jī)器人手爪的設(shè)計(jì)

RobotStudio支持各種主流CAD格式數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，包括 IGES、STEP、VRML、VDAFS、ACIS 和 CATIA[6]。本工作站機(jī)器人手爪使用SolidWorks建模完成后，在RobotStudio軟件中創(chuàng)建成為新的機(jī)械裝置，安裝到機(jī)器人六軸上，實(shí)現(xiàn)抓取和搬運(yùn)的功能。

工作站包括兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，考慮到每個(gè)工業(yè)機(jī)器人所完成的動(dòng)作不同，因此設(shè)計(jì)了兩種機(jī)器人手爪。如圖2所示的手爪1，主要分為夾具和吸盤(pán)兩個(gè)部分，使用氣缸控制夾爪的張開(kāi)、閉合和吸盤(pán)的吸附、放松。夾具用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)制作材料的夾??；吸盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)杯蓋的吸取和放置。手爪2由氣缸、電磁閥、傳感器和機(jī)械部件組成，用于紙杯的夾取和放置。手爪2中的兩個(gè)夾爪上部的突出部分用來(lái)壓緊杯蓋。兩個(gè)手爪和機(jī)器人六軸末端的法蘭連接。見(jiàn)圖3.

圖2 手爪1

圖3 手爪2

4 工作站Smart組件的設(shè)計(jì)

在Robot Studio中創(chuàng)建機(jī)器人自動(dòng)茶水間的仿真工作站，動(dòng)態(tài)效果的實(shí)現(xiàn)就需要使用RobotStudio中的Smart組件功能[7]。本工作站需要建立三個(gè)Smart組件實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作站的仿真，分別是手爪1上的夾具夾取和吸盤(pán)吸附動(dòng)作，手爪2上的抓取動(dòng)作。手爪1上的夾具夾取和手爪2上的抓取動(dòng)作可以通過(guò)添加 LineSensor、Attacher、Detacher、PoseMover 和 Logic－Gate[NOT]實(shí)現(xiàn)夾爪的張開(kāi)和閉合動(dòng)作，組件設(shè)計(jì)如圖4所示。吸盤(pán)需添加Attacher、Detacher、LineSensor和LogicGate[NOT]實(shí)現(xiàn)吸取和放置動(dòng)作，組件設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖4 夾具Smart組件設(shè)計(jì)

圖5 吸盤(pán)Smart組件設(shè)計(jì)

5 機(jī)器人工作流程設(shè)計(jì)

本工作站設(shè)計(jì)完成茶水間飲品制作的過(guò)程具有時(shí)序性，需要機(jī)器人協(xié)同配合，因此整個(gè)工作站的工作流程設(shè)計(jì)為：工業(yè)機(jī)器人在原點(diǎn)等候，在選擇面板選擇所需飲品類(lèi)型后，機(jī)器人1移動(dòng)至飲品制作材料選擇區(qū)夾取相應(yīng)飲品制作材料，機(jī)器人2夾取紙杯。兩機(jī)器人移動(dòng)至加工工作臺(tái)，機(jī)器人1將飲品制作材料放入紙杯后，移動(dòng)到杯蓋放置處，機(jī)器人六軸旋轉(zhuǎn)吸盤(pán)吸取杯蓋，移動(dòng)到加工工作臺(tái)等待機(jī)器人2.機(jī)器人2夾取盛有制作材料的紙杯移動(dòng)至飲水系統(tǒng)，飲水系統(tǒng)開(kāi)啟，將固定容量的水倒入紙杯。接水完成后，機(jī)器人2將紙杯送回加工工作臺(tái)，機(jī)器人1將杯蓋蓋到紙杯上并壓緊。由機(jī)器人2將制作好的飲品送至吧臺(tái)，兩機(jī)器人回到原點(diǎn)。工作站流程如圖6所示。

圖6 工作站流程圖

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著人工智能的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人可以應(yīng)用的場(chǎng)合也越來(lái)越廣泛。本工作站的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了茶水間的自動(dòng)化運(yùn)行，提供了一種新穎的茶水間設(shè)計(jì)理念，使其更好的為人類(lèi)服務(wù)。同時(shí)也為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于食品加工行業(yè)提供了新的思路。

[1]畢道鹍.涂裝機(jī)器人噴幅誤差控制技術(shù)研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2015.

[2]葉 暉，管小青.工業(yè)機(jī)器人實(shí)操與應(yīng)用技巧[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]葉 暉.工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用案例精析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[4]李劍琦.ABB機(jī)器人完美征服中國(guó)市場(chǎng)[J].現(xiàn)代制造，2010（3）：14.

[5]葉暉.工業(yè)機(jī)器人工程應(yīng)用虛擬仿真教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[6]陸 葉.基于RobotStudio的機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線的仿真設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2016（6）：157-160.

[7]葉 暉，何志勇，楊 薇.工業(yè)機(jī)器人工程應(yīng)用虛擬仿真教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)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(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（編號(hào)：2015BAK06B04）；天津市科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：14ZCZDSF00022）

李 柯（1992-），男，山東萊蕪人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人及其應(yīng)用技術(shù)；祁宇明（1979-），男，湖北潛江人，工學(xué)博士，副教授，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用；鄧三鵬（1978-），男，湖北襄陽(yáng)人，工學(xué)博士，教授，研究方向?yàn)樘胤N機(jī)器人系統(tǒng)及應(yīng)用。