高繼恒 馬宇航

摘 要：設(shè)計是以Robotart為控制系統(tǒng)，編輯搬運程序，庫卡機器人成為被控制器，實現(xiàn)搬運過程。文中通過Solidworks軟件輔助Robotart軟件建立控制界面以及控制軌跡，進行編寫程序，隨后與庫卡機器人相互通訊，達到設(shè)計軌跡與機器人運轉(zhuǎn)的一致。實驗結(jié)果表明，通過Robotart能夠完美設(shè)計庫卡機器人的前進、后退、旋轉(zhuǎn)，達到機器人搬運的效果。

關(guān)鍵詞：Robotart ;Solidworks ;庫卡機器人

設(shè)計以庫卡機器人為基礎(chǔ)，設(shè)計出搬運程序。在大型的的工廠里，物件的運輸、配送也是一大問題，人工搬運會浪費勞動力且效率也相較低下，如果使用機器人搬運速度與效率會有顯著地提升。在大型的工廠中建立一條自動化產(chǎn)業(yè)鏈，那么無疑會省下諸多人工的操作，降低產(chǎn)品的總體成本，獲得更大的收益，讓企業(yè)能夠更好更快的發(fā)展。在建立一條自動化產(chǎn)業(yè)鏈后，產(chǎn)品原料的通過機器人搬運到運輸帶，經(jīng)運輸帶傳送至焊接或安裝機器人的旁邊進行安裝、焊接。在傳送到組裝機器人身邊進行組裝，然后傳送至搬運機器及包裝機器人身邊進行包裝搬運，配送至成品集裝倉庫中。這一套生產(chǎn)方式至少可以節(jié)約5名人工，企業(yè)的操作工程師通過機器人對機器人的算法，程序的調(diào)試和定位系統(tǒng)的調(diào)整完美的實現(xiàn)人與機器人，電腦與機器人，機器人與機器人之間的通訊，而本次設(shè)計就是進行人與機器人的對接，通過人工設(shè)計程序，實現(xiàn)對機器人操控，使得機器人能夠完成對物體的抓取、釋放，能夠達到預(yù)期的效果。

設(shè)計所用到的實驗設(shè)備有ROBOTART，Solidworks 2014繪圖軟件。

SolidWorks 2014提供的AutoCAD模擬器，它不僅具有CAD的繪圖功能，更是能夠?qū)⒗L制的物體通過三維立體的方式展現(xiàn)出來，能夠更加方便的更改數(shù)據(jù)，更叫方便的觀察與體現(xiàn)實物模擬，使得實驗效果更佳逼真，更能達到預(yù)期的效果[1]。此次設(shè)計由于物塊，工作臺，抓手工具與現(xiàn)實物體差異較大，所以通過 Solidworks 2014繪圖軟件對物塊，工作臺，抓手工具進行3D模擬繪制。

模型繪制：

（1）搬運物模型繪制

①打開SolidWorks 2014繪圖工具進入首頁，打開新建，點擊“單一設(shè)計零部件的三維立體展示”按鈕，然后點擊確認(rèn);

②在左邊瀏覽樹中選擇上基準(zhǔn)面，點擊工具欄中的“草圖”按鈕，選擇“邊角矩形”按鈕，然后畫一個長方形;

③畫完長方形后，點擊“智能尺寸”按鈕，根據(jù)測量的實體物塊，改為長140mm，寬70mm，然后點擊“退出草圖”按鈕;

④點擊工具欄中的“特征”按鈕，選擇“拉伸凸臺/基體”按鈕，拉伸60mm，確定按住Ctrl鍵，鼠標(biāo)左鍵選擇物塊表面，在彈出的對話框中選擇染色按鈕，選擇藍(lán)色對物塊進行染色，然后模型繪制后保存格式均為“.STP”。[9]這種格式能夠成功在RobotArt這個軟件中使用。

（2）工作臺模型的繪制

①打開SolidWorks 2014繪圖工具進入首頁，打開新建，點擊“單一設(shè)計零部件的三維立體展示”，然后點擊確認(rèn);

②在左邊瀏覽樹中選擇上基準(zhǔn)面，點擊工具欄中的“草圖”按鈕，選擇“邊角矩形”按鈕，然后畫一個長方形;

③畫完長方形后，點擊“智能尺寸”按鈕，根據(jù)測量的實體物塊，改為長485mm，寬20mm，然后點擊“退出草圖”按鈕，選擇“拉伸凸臺/基體”按鈕，拉伸為高940mm;

④旋轉(zhuǎn)長方體，選擇上表面，點擊工具欄中的“草圖”按鈕，選擇“邊角矩形”按鈕，然后畫一個長為300mm，寬為485mm的長方形，選擇“拉伸凸臺/基體”按鈕，拉伸寬度為45mm;

⑤最后在工作臺底部添加一塊長方體，保障工作臺的穩(wěn)定性;

⑥根據(jù)上述繪制長寬高分別為480mm，392mm，610mm的工作臺2。

（3）抓手工具的繪制

量取好實際中的抓手?jǐn)?shù)據(jù)，然后在SolidWorks中進行繪制，步驟如下：

①打開新建，點擊“單一設(shè)計零部件的三維立體展示”，然后點擊確認(rèn);

②在左邊瀏覽樹中選擇上基準(zhǔn)面，點擊工具欄中的“草圖”按鈕，選擇“圓周”圖樣按鈕，然后畫一個圓形;

③畫完圓形后，點擊“智能尺寸”按鈕，根據(jù)測量的實體物塊，改變圓形的尺寸，然后點擊“退出草圖”，選擇“拉伸凸臺/基體”按鈕對圖形進行一定規(guī)模的拉伸;

④旋轉(zhuǎn)上述旳圖形，選擇上表面，點擊工具欄中的“草圖”按鈕，選擇“邊角矩形”按鈕，然后畫一個長方形，點擊“退出草圖”，選擇“拉伸凸臺/基體”按鈕進行拉伸;

⑤重復(fù)操作第四步。

ROBOTART2018企業(yè)版

RobotArt是工業(yè)機器人離線編程仿真軟件，它是由中國的北京華航唯實機器人科技股份有限公司推出[2]。RobotArt 2018企業(yè)版這個軟件能夠根據(jù)幾何數(shù)模的拓?fù)湫畔⑸蓹C器人運動軌跡，然后根據(jù)設(shè)計的機器人進行環(huán)境搭建、軌跡設(shè)計、軌跡仿真、路徑優(yōu)化、后置代碼生成等一系列操作，同時在仿真中場景渲染、動畫輸出于一體，可以快捷的生成效果與現(xiàn)實極為相符的的模擬動畫。RobotArt這個軟件被廣泛應(yīng)用于打磨、去毛刺、焊接、激光切割、數(shù)控加工等領(lǐng)域[3]。

ROBOTART2018企業(yè)版的主要功能有：

①支持多種格式的三維立體模型，可導(dǎo)入擴展名為是stp等格式的三維立體模型文件;

②支持多種品牌工業(yè)機器人進行于打磨、去毛刺、焊接、激光切割、數(shù)控加工等離線編程操作，如ABB、ADTECH、EFORT、EPSON、埃斯頓自動化、Fanuc、GSK、KUKA、華數(shù)機器人、因高科技、Yaskawa、Staubli、KEBA系列、新時達、廣數(shù)等）;

③能夠自動識別與搜索三維立體模型或者CAD模型的點、線、面的信息然后按照操作的路徑自動生成軌跡;

④ 軌跡與三維立體模型或者CAD模型特征相互關(guān)聯(lián)，以便達到模型的運動或發(fā)生形變，軌跡也能夠隨之自動發(fā)生變化;

⑤軌跡設(shè)計完成后，能夠通過軟件中某些按鈕使得軌跡優(yōu)化和幾何級別的碰撞檢測;

⑥支持多種領(lǐng)域的操作，如打磨、噴漆、去毛刺、焊接、激光切割、數(shù)控加工等方向;

⑦支持整個工作站仿真動畫效果的分享，能夠發(fā)布到網(wǎng)頁、手機端讓更加廣大的網(wǎng)友學(xué)習(xí)軟件的應(yīng)用及其能夠達到的效果;

RobotArt軟件正是因為有這些優(yōu)點，所以此次設(shè)計選擇它達到控制機器人搬運程序的設(shè)定。

（1）程序設(shè)計

打開RobotArt，進入首頁，在進行程序設(shè)計時校準(zhǔn)之前需導(dǎo)入實際運用中實驗所用到的庫卡機器人，SolidWorks繪制的抓手工具和工作臺，模塊，導(dǎo)入一個庫卡KUKA—KR6—R700—SIXX型號的機器人，這是因為RobotArt軟件的機器人模型庫沒有KUKA—KR6—R900—SIXX型號的機器人，由于實際運用中實驗所用到的庫卡機器人工作范圍不超過700mm，可以用RobotArt軟件的機器人模型庫中的R700代替R900。再導(dǎo)入上述定義過的SolidWorks繪制的抓手工具和工作臺，模塊。

①進入首頁后，點擊“新建”，在“機器人編程”工具欄中選擇“導(dǎo)入機器人”按鈕，導(dǎo)入機器人KUKA—KR6—R900—SIXX型號的機器人，選擇“設(shè)備庫”，在彈出的窗口中選擇底座和地面，完成環(huán)境的基本構(gòu)造;

②選擇“自定義”工具欄選擇“輸入”，在彈出的窗口中選擇SolidWorks繪制的模型“.STEP”文件，再對模塊進行定義，選擇“定義零件”，在彈出窗口中點擊“確認(rèn)”生成“，robp”形式文件，對物塊，工作臺，抓手進行重復(fù)操作改變文件形式;

③選中畫面里的機器人，鼠標(biāo)右鍵單擊，在彈出的菜單中選中“設(shè)置機器人”，在彈出的窗口中把“J5”設(shè)為90度翻轉(zhuǎn)，第四軸改為翻轉(zhuǎn)，點擊確認(rèn)，隨后選中機器人，鼠標(biāo)右鍵單擊，在菜單中選擇“回到機械零點”;

④在“自定義”工具欄中，選擇“導(dǎo)入零件”，導(dǎo)入物塊，然后再選擇“定義零件”在彈出窗口中選擇確認(rèn)，然后點擊“管理附著點”，添加抓取點（+CP），點擊表格中的抓取點，點擊編輯，將坐標(biāo)放置在物塊上，這樣抓取點就生成了;

⑤導(dǎo)入抓手，鼠標(biāo)右鍵單擊，在彈出的菜單中選擇“設(shè)置TCP”，輸入完成后點擊“確認(rèn)”;

⑥導(dǎo)入工作臺1和工作臺2，分別選中，然后通過校準(zhǔn)功能進行校準(zhǔn)工作臺與機器人之間的距離，點擊菜單欄校準(zhǔn)按鍵，分別指定三個點，輸入實際的三點位置測量值，點擊對齊;

⑦生成軌跡在環(huán)境與畫面搭建完成后，根據(jù)場景對機器人進行軌跡設(shè)計，力求物塊能夠完成工作臺之間的轉(zhuǎn)換。在進行軌跡設(shè)計中，對機器人旳機械零點插入POS點，然后把抓手移動到物塊，在這個點插入POS點，鼠標(biāo)右鍵點擊抓手，在彈出的對話框中點擊抓取，選中小物塊，再把抓手上升插入POS點，對抓手移動（由于機器人機械臂問題進行兩次移動，分別插入POS點），鼠標(biāo)右鍵點擊抓手，在彈出的對話框中點擊釋放，選中小物塊。重復(fù)操作抓手移動，插入POS點，軌跡的初步設(shè)計就此完成;

⑧軌跡設(shè)計完之后，點擊軌跡，在彈出的窗口中進行軌跡優(yōu)化;

⑨點擊“抓取”和“釋放”POS點，添加仿真事件，根據(jù)機器人的抓手IO地址自定義事件;

⑩畫面仿真。在畫面與軌跡設(shè)計完成后，可以點擊“仿真”按鈕，進行查看機器人運轉(zhuǎn)是否正常，有沒有軸超限，不可到達點，進行這次虛擬的模擬能夠查看設(shè)計是否出現(xiàn)問題，防止實體機器人在運轉(zhuǎn)程序時損壞機器人;

程序檢查。畫面仿真無誤后點擊進程序，瀏覽程序旳設(shè)計是否達到預(yù)期效果。檢查無誤后進行下一步操作。

（2）后置文件

在仿真成功后點擊編譯，在左側(cè)欄軌跡段處右鍵，分別后置每段軌跡，保存軌跡。然后在“機器人編程”工具欄中選擇點擊“后置”按鈕，瀏覽程序查看無誤后點擊輸出，生成ca.src和ca.dat兩個文件，把文件導(dǎo)入在U盤內(nèi)保存。

硬件設(shè)計

庫卡機器人是德國KUKA公司自1977年開始系列化生產(chǎn)的適用于各種用途或者領(lǐng)域的機器人，并且德國庫卡機器人公司目前是國際上最大的機器人制造商之一。庫卡機器人主要由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、示教器（手持操作和編程器）、系統(tǒng)軟件及配套電纜等組成[4]。

坐標(biāo)系原點測量的方法

庫卡機器人的坐標(biāo)系主要是 WORD—世界坐標(biāo)系、ROBROOT—機器人足部坐標(biāo)系、BASE—基坐標(biāo)系、FLANGE—法蘭坐標(biāo)系、TOOL—工具坐標(biāo)系[5]。庫卡機器人確定工具坐標(biāo)系的原點可以用XYZ4點法和XYZ參照法這兩個方法，確定工具坐標(biāo)系的姿態(tài)可以選擇ABC世界坐標(biāo)法和ABC2點法。

（1）XYZ4點法

將工具的TCP從四個不同的方向移向一個參照點（一般選擇尖端點或者具有明顯特征的點），機器人控制系統(tǒng)從不同的法蘭位置值中計算出TCP[6]。注：4個不同方向的法蘭位置不能夠在同一個平面內(nèi)。

（2）XYZ參照法

關(guān)于一件機器人的新工具與一件已測量過的工具進行位置比較測量，機器人控制系統(tǒng)進行比較法蘭位置，同時對工具的TCP進行測量計算[11]。這種方法適用于幾何相似的同類工具。

TCP測量

在實際環(huán)境中機器人搬運工具抓手的TCP和RobotArt軟件中模擬環(huán)境中的TCP位置存在差異，所以必須對RobotArt軟件中模擬環(huán)境中的TCP位置進行TCP校準(zhǔn)，否則會影響機器人抓取以及搬運的精度。此次運用工具測量選擇“XYZ 4點法”測量TCP位置[8]。

（1）單擊“投入運行”選項，并選擇“測量”選項;

（2）單擊“工具”選項，選擇“XYZ4點法”;

（3）輸入工具號基工具名（此次試驗工具編號為“7”，工具名為“zhuashou”），點擊繼續(xù);

（4）將機器人的抓手分別以四種姿態(tài)移至參考點進行測量TCP，可以參考圖3.2-1展示的姿態(tài)，每次移動完畢后點擊“測量”按鍵，在進行下一次姿態(tài)移動，重復(fù)操作;

（5）移動完畢后輸入負(fù)載工具數(shù)據(jù)并點擊“繼續(xù)”，點擊“保存”按鍵;

（6）點擊“ABC 2點法”以測量坐標(biāo)系方向;

（7）將待測工具抓手的一段移動到參照點，點擊“測量”按鈕，在彈出的菜單中選擇是，確認(rèn)此點為坐標(biāo)系原點;

（8）將機器人抓手TCP移向坐標(biāo)系-X軸上的一點，點擊“測量”按鈕，在彈出的菜單中選擇是，確認(rèn)此點為坐標(biāo)系-X軸上的一點[9];

（9）將機器人抓手TCP移向坐標(biāo)系+Y軸上的一點，點擊“測量”按鈕，在彈出的菜單中選擇是，確認(rèn)此點為坐標(biāo)系+Y軸上的一點，最后保存數(shù)據(jù)[10]。

工作臺模型測量

模型校準(zhǔn)以基座標(biāo)系為基礎(chǔ)，此時就需要采用三點法進行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)之前需要手動操作機器人抓手分別移至這三個點，測量出實際位置（笛卡爾式）[7]。點擊示教器上菜單鍵，再點擊顯示，再點擊實際位置測量出的三個點實際位置。

調(diào)試結(jié)果及分析

上機調(diào)試成功機器人實現(xiàn)了搬運程序，達到了程序設(shè)計的要求。機器人達到了搬運效果，證明RobotArt軟件對于機器人的控制是能夠?qū)崿F(xiàn)的，這種效果運用到實際工廠中能夠大部分的節(jié)約勞動力，增加辦公效率，提高生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，能夠讓廣大的消費者滿意，完美的提高公司的效益，提高社會的經(jīng)濟發(fā)展，讓生產(chǎn)生活更加快速的接受和發(fā)展工業(yè)，讓生產(chǎn)自動化，生活自動化更加快捷的發(fā)展。RobotArt軟件的控制實現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)一對多個機器人的控制、調(diào)試，能夠讓機器人隨著環(huán)境的變化而變化自身的運行軌跡。

參考文獻

[1]趙罘，楊曉晉，劉玥 .SolidWorks 2014中文版機械設(shè)計從入門到精通[M]，北京：人民郵電出版社，2014.7.

[2]張忠將.SolidWorks 2014高級應(yīng)用教程[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2014.6.

[3]Kailath T.，Linera systems，Prentice Hall[J]，Englewood Cliffs，1980.

[4]林文燕，李曙生.工業(yè)機器人應(yīng)用基礎(chǔ)—基于KUKA機器人[M]，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2016.7.

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[6]KUKA機器人編寫手冊.德國KUKA機器人有限公司

[7]宋云艷.工業(yè)機器人離線編程與仿真[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2017.6.

[8]龔仲華，龔曉雯.工業(yè)機器人完全運用手冊[M]，北京：北京郵電出版社，2017.1.

[9]龔仲華.工業(yè)機器人從入門到運用[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2016.3.KUKA機器人編寫手冊.德國KUKA機器人有限公司.

[10]余任沖.工業(yè)機器人運用案例入門[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2015.8.

作者簡介：高繼恒，男（1996.11-），漢族，安徽碭山人，南陽理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院2014級本科在讀，研究方向：自動化