林雁飛 朱洪雷

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東廣州510520）

0 引言

《中國(guó)制造2025計(jì)劃》將機(jī)器人作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，而國(guó)家“十三五”規(guī)劃中，也將“智能制造和機(jī)器人”列為“科技創(chuàng)新重大項(xiàng)目”。將工業(yè)機(jī)器人與智能制造相結(jié)合，改變了傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人只能進(jìn)行重復(fù)操作的觀念，為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展開(kāi)辟了新的思路。近年來(lái)，工業(yè)機(jī)器人的創(chuàng)新應(yīng)用成為熱點(diǎn)，如機(jī)器人表演茶道、機(jī)器人擰魔方、機(jī)器人寫(xiě)書(shū)法等等。

ABB RobotStudio離線編程軟件采用ABB公司的VirtualRobotTM技術(shù)[1]，來(lái)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的工作站進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的構(gòu)建，通過(guò)可視化及可確認(rèn)的解決方案和布局來(lái)獲得實(shí)際產(chǎn)品的可行性分析，是一款應(yīng)用很廣的ABB工業(yè)機(jī)器人專用仿真軟件。本文基于RobotStudio6.07仿真軟件，選取ABB IRB120機(jī)器人進(jìn)行工作站的布局。

1 書(shū)法機(jī)器人工作站布局

結(jié)合書(shū)法機(jī)器人的工作特性，本設(shè)計(jì)選取了ABB機(jī)器人中最小但速度最快的ABB IRB120六軸機(jī)器人[2]。由于書(shū)法機(jī)器人工作站的特殊性，軟件系統(tǒng)中現(xiàn)有的夾具等配件不能滿足設(shè)計(jì)的需求，需采用第三方繪圖軟件進(jìn)行創(chuàng)建，并采用ACIS文件導(dǎo)入系統(tǒng)，RobotStudio與之具有兼容性。該工作站采用Solidworks繪圖軟件創(chuàng)建的部件包括：毛筆夾具、毛筆、紙、書(shū)桌、硯臺(tái)以及用于裝飾的屏風(fēng)、盆栽、地板等等，如圖1所示。

2 書(shū)法機(jī)器人路徑編程

圖1 書(shū)法機(jī)器人工作站布局

書(shū)法機(jī)器人與單片機(jī)等嵌入式系統(tǒng)的書(shū)寫(xiě)原理不同，其控制系統(tǒng)中不具有字庫(kù)，無(wú)法采用調(diào)用中文字庫(kù)的方式書(shū)寫(xiě)，主要是采用模擬漢字筆跡進(jìn)行路徑規(guī)劃的方式進(jìn)行漢字書(shū)寫(xiě)，因此，預(yù)先需制作文字模板。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)器人可以模擬各種類型的字體，也可以將個(gè)人書(shū)寫(xiě)的作品掃描導(dǎo)入進(jìn)行規(guī)劃模擬。由于漢字路徑規(guī)劃不具有規(guī)律性，故采用手動(dòng)示教的方式完成[3]，并對(duì)每個(gè)漢字的路徑設(shè)置子程序便于調(diào)試，如圖2所示。

圖2 書(shū)法機(jī)器人路徑規(guī)劃

3 書(shū)法機(jī)器人工作站的仿真

工作站路徑編程完成后，要進(jìn)行仿真演示，來(lái)展示工作站的運(yùn)行情況。一般工作站的仿真直接用軟件的仿真功能運(yùn)行就可以了，但書(shū)法機(jī)器人采用的毛筆是虛擬元件，仿真時(shí)只有書(shū)寫(xiě)的動(dòng)作，卻不能在紙上真正留下墨跡，這是本設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。

針對(duì)路徑規(guī)劃類工作站，傳統(tǒng)的仿真方法多采用TCP跟蹤的模式。TCP（tool centre position）即工業(yè)機(jī)器人工具中心位置點(diǎn)，該方法是對(duì)工具（即毛筆）中心位置進(jìn)行追蹤，在仿真過(guò)程中將毛筆中心點(diǎn)所經(jīng)過(guò)的路徑用線條勾畫(huà)出來(lái)，如圖3所示。

圖3 TCP跟蹤模式仿真設(shè)置及效果

從仿真的結(jié)果可以看出：毛筆所有經(jīng)過(guò)的位置，包括機(jī)器人機(jī)械原點(diǎn)、筆畫(huà)之間的連接、字與字之間的連接等路徑全部都有線條顯示；但仿真結(jié)果無(wú)法確認(rèn)字跡是否寫(xiě)在紙上，或是紙上是否有多余字跡，最重要的一點(diǎn)是，這個(gè)字跡非常潦草，無(wú)法體現(xiàn)書(shū)法作品的美感和內(nèi)涵。

基于傳統(tǒng)方法的缺陷，本次設(shè)計(jì)引入一種創(chuàng)新的仿真方法，即基于Smart組件的動(dòng)態(tài)仿真方法。具體仿真方法如下：

（1）在Solidworks軟件中創(chuàng)建一個(gè)由多個(gè)小組件拼接而成的紙板，組件越小仿真精度越高，并將其導(dǎo)入RobotStudio工作站系統(tǒng)中。

（2）在RobotStudio6.07的建模—Smart組件—組成—添加組件中，添加LineSensor線傳感器組件和Sink刪除組件，設(shè)計(jì)思想是將線傳感器安裝到毛筆的末端，當(dāng)毛筆書(shū)寫(xiě)接觸到紙時(shí)，線傳感器將會(huì)發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)給Sink，執(zhí)行刪除組件的命令，紙上對(duì)應(yīng)位置的小組件被刪除，露出字跡。

（3）在運(yùn)行過(guò)程中，可能出現(xiàn)因?yàn)闄C(jī)器人運(yùn)行速度過(guò)快信號(hào)反應(yīng)不及，對(duì)應(yīng)位置的小組件無(wú)法正常刪除的情況，為保證可靠性，引入Timer組件，將間隔時(shí)間Interval設(shè)置為0.005 s，即當(dāng)毛筆在紙板對(duì)應(yīng)位置停留時(shí)間超過(guò)0.005 s，也能發(fā)出觸發(fā)信號(hào)給Sink。

（4）對(duì)Smart組件逐步完成組成（圖4）、屬性與連結(jié)（圖5）以及信號(hào)與連接（圖6）的設(shè)置，完成仿真的動(dòng)態(tài)程序設(shè)置。

圖4 Smart組件組成設(shè)置

仿真結(jié)果如圖7所示。

4 結(jié)語(yǔ)

圖5 Smart組件屬性與連結(jié)設(shè)置

圖6 Smart組件信號(hào)與連接設(shè)置

圖7 Smart組件控制方式的仿真結(jié)果

綜上所述，采用Smart組件的動(dòng)態(tài)控制方法，能清楚地展示機(jī)器人書(shū)寫(xiě)的漢字，并且該漢字是真正能出現(xiàn)在紙上的，對(duì)于書(shū)寫(xiě)過(guò)程的缺筆畫(huà)、多筆畫(huà)以及書(shū)寫(xiě)的力度、角度等都能較好地展現(xiàn)，便于調(diào)試與修正。