高志遠(yuǎn)，晏芙蓉，李家學(xué)，李耀貴，黎 川

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

0 引言

隨著工業(yè)自動化的不斷深入發(fā)展，搬運(yùn)機(jī)器人作為工業(yè)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(yīng)用于工業(yè)的生產(chǎn)和制造中[1-3]。而工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真具有縮短生產(chǎn)工期、避免返工、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。RobotStudio 作為工業(yè)機(jī)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(yōu)點(diǎn)，同時其在機(jī)器人應(yīng)用行業(yè)中的地位也更加突出。

由于工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中，主要采用以示教的方式進(jìn)行現(xiàn)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(jī)器人的示教操作難以在復(fù)雜路徑獲得準(zhǔn)確位置；也無法應(yīng)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(yè)機(jī)器人的有機(jī)結(jié)合，通過采用離線編程的方式有效縮短了機(jī)器人停機(jī)時間，在對新的任務(wù)進(jìn)行編程時，機(jī)器人仍可在工業(yè)生產(chǎn)線上繼續(xù)正常運(yùn)行，機(jī)器人的程序也可以隨時進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化，有效改善了編程者的編程環(huán)境，使其遠(yuǎn)離危險復(fù)雜的工作環(huán)境。

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

1 工作站布局及Smart組件的創(chuàng)建

1.1 RobotStudio簡介

RobotStudio 軟件是由ABB 公司開發(fā)的一款機(jī)器人虛擬仿真軟件，可以用于機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、程序開發(fā)、調(diào)試以及任務(wù)規(guī)劃等方面[6-8]。該軟件具有用戶界面友好、建模簡單、仿真準(zhǔn)確等特點(diǎn)，可以提高機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)效率和質(zhì)量，也能夠提供豐富的庫存圖、3D 模型和虛擬環(huán)境，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要自行選擇合適的模型進(jìn)行仿真分析，還可以對工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行可視化調(diào)試，消除潛在的錯誤和風(fēng)險[9-12]。通過RobotStudio 的仿真分析，用戶可以預(yù)先評估機(jī)器人系統(tǒng)的性能和可行性，避免了現(xiàn)實(shí)中的試錯成本。

1.2 工作站模型的建立

在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用中，搬運(yùn)機(jī)器人主要由示教器、控制器、操作機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)了不同形狀物料的搬運(yùn)任務(wù)[13-17]。搬運(yùn)機(jī)器人的外圍設(shè)備主要由工件維修臺、設(shè)備總控臺、上位機(jī)、警示三色燈和安全防護(hù)欄等組成[18-20]。為了確保工業(yè)機(jī)器人在真實(shí)環(huán)境中的準(zhǔn)確運(yùn)行，有必要對工業(yè)機(jī)器人的各個組成部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和合理化布局，通過利用三維建模軟件SolidWorks 建立機(jī)器人搬運(yùn)虛擬仿真平臺以及外圍設(shè)備的三維模型，并根據(jù)實(shí)際環(huán)境的需要對三維模型的材料和外觀進(jìn)行處理，使其最大程度地反映真實(shí)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，從而達(dá)到工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)全過程虛擬仿真的目的。搬運(yùn)機(jī)器人的組成和布局如圖1所示。

圖1 搬運(yùn)機(jī)器人的組成與布局

1.3 Smart組件的設(shè)計(jì)

機(jī)器人在實(shí)際搬運(yùn)中，主要是將工業(yè)機(jī)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(yùn)輸?shù)轿锪媳P2 中指定的位置。在搬運(yùn)過程中，工業(yè)機(jī)器人通過控制真空吸盤將物料吸起、搬運(yùn)、松開等過程。為了達(dá)到與真實(shí)平臺相同的動態(tài)效果，利用RobotStudio 軟件中的Smart 組件設(shè)計(jì)一個動態(tài)物料的搬運(yùn)過程。通過Smart組件的創(chuàng)建，來實(shí)現(xiàn)物料的智能化搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)器人物料搬運(yùn)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(shè)計(jì)

2.1 工作流程

在搬運(yùn)機(jī)器人在虛擬仿真過程中，工業(yè)機(jī)器人從工作初始位置出發(fā)，帶著真空吸盤運(yùn)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(yè)機(jī)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(yùn)，直到4 組物料全部搬完為止；最后，工業(yè)機(jī)器人回到最初位置，等待再次搬運(yùn)的指令。機(jī)器人搬運(yùn)虛擬仿真平臺的工作流程如圖2所示。

圖2 機(jī)器人搬運(yùn)虛擬仿真平臺的工作流程

2.2 機(jī)器人I/O信號的創(chuàng)建

工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)控制系統(tǒng)在運(yùn)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(shè)計(jì)工作站邏輯運(yùn)行等。在示教器的控制面板Device Net 中創(chuàng)建DSQC652 標(biāo)準(zhǔn)I∕O板，地址為13，再配置機(jī)器人的I∕O 信號，如表2所示。

表2 機(jī)器人的I/O信號

2.3 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動軌跡和程序調(diào)試

在工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)虛擬仿真過程中，在工業(yè)機(jī)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(yīng)搬運(yùn)到物料盤2 中的A1、B1、C1、D1位置。搬運(yùn)機(jī)器人與物料盤工位之間的示意圖如圖3所示。

圖3 搬運(yùn)機(jī)器人與物料盤工位

為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)的虛擬仿真，有必要對工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動軌跡進(jìn)行規(guī)劃，驗(yàn)證當(dāng)前運(yùn)動路徑是否會產(chǎn)生干涉，檢驗(yàn)路徑規(guī)劃的合理性。搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動軌跡如圖4所示。

圖4 搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動軌跡

根據(jù)工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)虛擬仿真平臺的工作流程，設(shè)計(jì)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(diào)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(chuàng)建的工具數(shù)據(jù)、工件數(shù)據(jù)同步到RAPID，方便程序的后續(xù)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(huán)指令；

zhuaqu; ∕∕調(diào)用搬運(yùn)程序；

fangzhi; ∕∕調(diào)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(yùn)機(jī)器人的仿真結(jié)果與分析

在程序編寫和點(diǎn)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(jìn)行機(jī)器人搬運(yùn)虛擬仿真平臺工作流程的仿真測試，運(yùn)行效果如圖5 所示。由圖可知，工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)虛擬仿真平臺中的機(jī)器人能夠按照設(shè)計(jì)程序要求完成規(guī)定的搬運(yùn)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(yùn)。其中，對于工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)虛擬仿真平臺中真空吸盤的機(jī)器人裝載、卸載動作，以及每個搬運(yùn)的起始點(diǎn)和搬運(yùn)的終止點(diǎn)都是依靠預(yù)設(shè)的程序來完成。整個過程的模擬實(shí)現(xiàn)了物料的搬運(yùn)，真實(shí)反映了運(yùn)動過程，驗(yàn)證了工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真平臺的正確性和有效性。

圖5 機(jī)器人搬運(yùn)虛擬仿真平臺運(yùn)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(xiàn)場示教的方式進(jìn)行操作，并與工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)虛擬仿真平臺在所用時間、準(zhǔn)確放入數(shù)量方面進(jìn)行對比分析，得到如表3所示數(shù)據(jù)。由表分析得出：現(xiàn)場示教的方式易受到物料形狀的影響，對于復(fù)雜的形狀如正六棱柱和橢圓柱分別有2個和1個未能準(zhǔn)確放入對應(yīng)的槽內(nèi)，而離線仿真不受物料形狀的影響，16 個物料全部放入對應(yīng)的槽內(nèi)。在所用時間上，離線仿真的方式所用119 s，現(xiàn)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(yōu)于示教操作。

表3 現(xiàn)場示教與虛擬仿真平臺對比分析

4 結(jié)束語

利用RobotStudio建立了機(jī)器人搬運(yùn)虛擬仿真平臺，依次完成了工作站的導(dǎo)入、工作站布局、Smart組件的創(chuàng)建、工作站邏輯創(chuàng)建、I∕O信號仿真以及軌跡編程等工作流程，并設(shè)計(jì)了機(jī)器人搬運(yùn)物料的主程序、抓取程序和放置程序，成功模擬了機(jī)器人搬運(yùn)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(tài)效果，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人搬運(yùn)平臺工作過程的仿真，并與現(xiàn)場示教操作的方式進(jìn)行對比，其離線仿真的方式在所用時間與準(zhǔn)確率上明顯優(yōu)于示教操作，有效驗(yàn)證了該虛擬仿真平臺的正確性和高效性，為搬運(yùn)機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的運(yùn)行起到仿真模擬的作用，可代替真實(shí)平臺進(jìn)行程序編寫和調(diào)試，有助于提高工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用和編程效率，降低了企業(yè)的成本，對于推動工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)、制造領(lǐng)域有一定的實(shí)際意義。