基于RoboDK Python編程的工業(yè)機(jī)器人工作站工件生成及搬運(yùn)仿真

朱小利，王夢(mèng)茹

(安徽郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

隨著“工業(yè)4.0”概念在德國的提出，以“智能工廠、智能制造”為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命已經(jīng)悄然來臨。工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在其中發(fā)揮了不可替代的作用。隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)以及智能水平的提高，工業(yè)機(jī)器人已在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。未來幾年，隨著行業(yè)的需要和勞動(dòng)力成本的不斷提高，中國機(jī)器人市場(chǎng)增長(zhǎng)潛力巨大[1]。工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的人才需求也會(huì)愈來愈強(qiáng)烈?；诖似鯔C(jī)，我院順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流，開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人專業(yè)。新事物的產(chǎn)生會(huì)帶來一系列的變革，同時(shí)也會(huì)面臨發(fā)展初期的困境。如在實(shí)訓(xùn)室建設(shè)方面，由于工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)備普遍較為昂貴，且設(shè)備的使用維護(hù)成本也較高，在資金有限的情況下，實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量難以滿足實(shí)訓(xùn)要求[2]。為解決此問題，各院校采用機(jī)器人虛擬仿真軟件配合真實(shí)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)。采用虛擬仿真軟件可以形象地對(duì)工業(yè)機(jī)器人各種實(shí)際的工作案例進(jìn)行仿真，能使學(xué)生即使沒條件去工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)也能了解工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際工作過程，并且安全可靠，不會(huì)出現(xiàn)實(shí)際的實(shí)訓(xùn)設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)的碰撞、損壞等情況。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本較低，只需在相應(yīng)機(jī)房安裝仿真軟件即可，且維護(hù)成本較低[3]。為工業(yè)機(jī)器人專業(yè)學(xué)生從學(xué)校走向企業(yè)提供了良好過渡，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才提供支撐。

為此，各國都在開發(fā)研制工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真軟件，目前市面上比較著名的且應(yīng)用較為廣泛的有ABB公司的RobotStudio、KUKA公司的KUKASim、Fanuc公司的RoboGuide以及一些第三方公司的仿真軟件，如RoboDK、RobotMaster、ROBCAD等[4]。與其他軟件相比RoboDK有許多優(yōu)勢(shì)，各個(gè)公司生產(chǎn)的仿真軟件只能對(duì)其本品牌的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行仿真，如RobotStudio只能仿真ABB品牌的機(jī)器人，KUKASim只能仿真KUKA品牌的機(jī)器人。而RoboDK可以仿真市面上大多數(shù)品牌的機(jī)器人，如ABB、KUKA、安川、匯博、埃夫特等，還可在軟件中創(chuàng)建機(jī)器人，且仿真功能強(qiáng)大，支持基于Python的編程仿真，并支持和機(jī)器人的通訊，可將在軟件中編制好的程序下載到機(jī)器人本體，以便于更好、更方便調(diào)試實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人工作站的功能[5]。

本文將在RoboDK中創(chuàng)建工作站，完成工作站、機(jī)器人、工具以及工件等的加載與布局，并采用Python編程來實(shí)現(xiàn)工件的生成與布局、工件的搬運(yùn)等功能任務(wù)。

1 系統(tǒng)任務(wù)要求

要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)如下。首先，打開RoboDK新建工作站，并完成工作站、機(jī)器人、吸盤工具、工件的加載及位置布局，如圖1所示；之后編制Python程序，將圖1碼盤1中的1個(gè)工件復(fù)制生成9個(gè)工件，并放置到碼盤1對(duì)應(yīng)的卡槽中；最后，編制Python程序，實(shí)現(xiàn)9個(gè)工件的搬運(yùn)任務(wù)，將碼盤1中的9個(gè)工件搬運(yùn)到碼盤2對(duì)應(yīng)的卡槽位置中，且搬運(yùn)程序可反復(fù)無誤地運(yùn)行，2個(gè)碼盤及碼盤中卡槽位置如圖2所示。

圖1 工作站系統(tǒng) 圖2 碼盤及卡槽位置

2 模型的導(dǎo)入及布局

表1 模型位置坐標(biāo)值 mm

打開RoboDK新建工作站，將事先用其他三維軟件創(chuàng)建好的保存在本地的工作站模型、吸盤工具模型、ABB-120系列機(jī)器人模型加載進(jìn)來，并根據(jù)表1所示坐標(biāo)值對(duì)它們進(jìn)行位置的布局。模型導(dǎo)入及布局后效果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)布局 圖4 工件坐標(biāo)系及工件布局

3 創(chuàng)建工件坐標(biāo)系

表2 工件坐標(biāo)系 mm

為實(shí)現(xiàn)將碼盤1中的9個(gè)工件搬運(yùn)到碼盤2中對(duì)應(yīng)的9個(gè)卡槽位置中，可分別以碼盤1及碼盤2的左上邊角為坐標(biāo)系原點(diǎn)創(chuàng)建2個(gè)工件坐標(biāo)系Frame1和Frame2。這樣，碼盤1中的1～9個(gè)卡槽的中心點(diǎn)位置相對(duì)于坐標(biāo)系Frame1的原點(diǎn)位置偏移量與碼盤2中的1～9個(gè)卡槽的中心點(diǎn)位置相對(duì)于坐標(biāo)系Frame2的原點(diǎn)位置偏移量是相同的，利用此特點(diǎn)，可使9個(gè)工件的搬運(yùn)程序指令簡(jiǎn)化，具體實(shí)現(xiàn)在后面詳細(xì)介紹。

由第三方軟件測(cè)得，碼盤1和碼盤2左上邊角相對(duì)于機(jī)器人基座標(biāo)系原點(diǎn)偏移量見表2。根據(jù)此偏移量創(chuàng)建坐標(biāo)系Frame1和Frame2，之后導(dǎo)入紅色三角形工件，并根據(jù)表2中的位置值進(jìn)行布局，如圖4所示。

4 工件的生成

在RoboDK中創(chuàng)建Python程序，命名為“生成工件”，調(diào)用相關(guān)函數(shù)，編寫相關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)將1個(gè)紅色工件復(fù)制成9個(gè)，并放置到碼盤1相應(yīng)的卡槽中。用第三方軟件測(cè)得新生成的8個(gè)工件在碼盤1中相對(duì)于參考坐標(biāo)系Frame1的原點(diǎn)位置偏移量(表3)。為實(shí)現(xiàn)此功能，將調(diào)用工件的復(fù)制函數(shù)iPart.Copy()，此函數(shù)的功能是將工件iPart進(jìn)行復(fù)制；并將調(diào)用工件的粘貼函數(shù)fFrame.Paste()，此函數(shù)的功能是將復(fù)制的工件粘貼到fFrame坐標(biāo)系下；除此之外，還需調(diào)用函數(shù)iNewPart.setName( )，對(duì)新生成的工件名稱進(jìn)行設(shè)置；最后調(diào)用iNewPart.setPose()函數(shù)。根據(jù)表3中的位置偏移量對(duì)新生成的工件進(jìn)行布局。

表3 新工件位置 mm

具體程序指令如下所示：

首先導(dǎo)入API模塊RoboDK和Robolink：from robolink import * # RoboDK API

from robodk import * # Robot toolbox

RDK = Robolink()

然后對(duì)工作站中的對(duì)象進(jìn)行定義：

1)iPart=RDK.Item('工件1')#定義工件。

2)fFrame1=RDK.Item('Frame1')#定義編碼盤1的工件坐標(biāo)系。

之后調(diào)用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行工件的生成及布局，具體程序指令如下：

iPart.Copy()#復(fù)制工件

iNewPart1=fFrame1.Paste()#粘貼工件

iNewPart2=fFrame1.Paste()#粘貼工件

iNewPart3=fFrame1.Paste()#粘貼工件

iNewPart4=fFrame1.Paste()#粘貼工件

iNewPart5=fFrame1.Paste()#粘貼工件

iNewPart6=fFrame1.Paste()#粘貼工件

iNewPart7=fFrame1.Paste()#粘貼工件

iNewPart8=fFrame1.Paste()#粘貼工件

iNewPart1.setName('工件2')#設(shè)置工件的名字

iNewPart2.setName('工件3')#設(shè)置新工件的名字

iNewPart3.setName('工件4')#設(shè)置新工件的名字

iNewPart4.setName('工件5')#設(shè)置新工件的名字

iNewPart5.setName('工件6')#設(shè)置新工件的名字

iNewPart6.setName('工件7')#設(shè)置新工件的名字

iNewPart7.setName('工件8')#設(shè)置新工件的名字

iNewPart8.setName('工件9')#設(shè)置新工件的名字

iNewPart1.setPose(transl(58.5,23,3))#設(shè)置新工件的位置

iNewPart2.setPose(transl(100,23,3))#設(shè)置新工件的位置

iNewPart3.setPose(transl(25,53,3)*rotz(-pi))#設(shè)置新工件的位置

iNewPart4.setPose(transl(66,53,3)*rotz(-pi))#設(shè)置新工件的位置

iNewPart5.setPose(transl(108,53,3)*rotz(-pi))#設(shè)置新工件的位置

iNewPart6.setPose(transl(17,83,3))#設(shè)置新工件的位置

iNewPart7.setPose(transl(58.5,83,3))#設(shè)置新工件的位置

iNewPart8.setPose(transl(100,83,3))#設(shè)置新工件的位置

運(yùn)行程序，進(jìn)行新工件的生成及布局，如圖5所示。

圖5 新工件的生成及布局 圖6 工件的初始化

5 工件的搬運(yùn)

5.1 工件位置的初始化

本系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的工件搬運(yùn)功能是將碼盤1中的9個(gè)工件搬運(yùn)到碼盤2對(duì)應(yīng)的卡槽中，并且每次運(yùn)行程序之初，保證9個(gè)工件在碼盤1中的9個(gè)卡槽中，即需進(jìn)行9個(gè)工件的位置初始化設(shè)置。為實(shí)現(xiàn)此功能，工件生成并如圖5所示布局后，可在Python程序中自定義初始化函數(shù)，并調(diào)用；也可先創(chuàng)建Program程序，命名為“初始化物體位置”，并添加工件的初始化指令，對(duì)工件1～9的位置進(jìn)行初始化設(shè)置，本項(xiàng)目采用后者，具體操作如圖6所示。之后在Python搬運(yùn)程序中編寫指令語句：RDK.RunProgram(‘初始化物塊位置’)，調(diào)用此Program程序，完成9個(gè)工件的位置初始化。

5.2 工件的搬運(yùn)程序編制

創(chuàng)建Python程序，命名為“搬運(yùn)”，調(diào)用相關(guān)函數(shù)，編寫語句指令，完成碼盤1中的9個(gè)工件搬運(yùn)到碼盤2對(duì)應(yīng)的卡槽中的操作。為使搬運(yùn)過程簡(jiǎn)化，已在碼盤1和碼盤2的邊角處創(chuàng)建工件坐標(biāo)系Frame1和Frame2。因碼盤1中9個(gè)卡槽中心點(diǎn)相對(duì)于Frame1坐標(biāo)系原點(diǎn)的偏移量與碼盤2中相對(duì)應(yīng)的9個(gè)卡槽中心點(diǎn)相對(duì)于Frame2坐標(biāo)系原點(diǎn)的偏移量相同，即某一工件的抓取點(diǎn)相對(duì)于Frame1坐標(biāo)系原點(diǎn)的偏移量與其放置點(diǎn)相對(duì)于Frame2坐標(biāo)系原點(diǎn)的偏移量相同。因此，在搬運(yùn)程序編寫過程中，在參考坐標(biāo)系Frame1下計(jì)算出某一工件的抓取點(diǎn)之后，只需將參考坐標(biāo)系改成Frame2即可計(jì)算出其放置點(diǎn)。工件的抓取點(diǎn)可由工件在碼盤1中的放置位置點(diǎn)(即在Frame1坐標(biāo)系下的位置偏移量)在x軸方向旋轉(zhuǎn)180°得到。因此，可用指令iPart = RDK.Item('工件'+str(i))計(jì)算出第i個(gè)工件的位置，再編寫指令target_i = iPart.Pose()*rotx(pi)計(jì)算出第i個(gè)工件的抓取點(diǎn)或放置點(diǎn)。當(dāng)參考坐標(biāo)系選擇Frame1時(shí)，target_i即為第i個(gè)工件的搬運(yùn)抓取點(diǎn)；當(dāng)參考坐標(biāo)系選擇Frame2時(shí)，target_i即為第i個(gè)工件的搬運(yùn)放置點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)9個(gè)工件的搬運(yùn)，因此i取值在1～9之間。工件的搬運(yùn)流程：機(jī)器人坐標(biāo)原點(diǎn)→第i個(gè)工件預(yù)抓取點(diǎn)→第i個(gè)工件抓取點(diǎn)→抓取工件→返回第i個(gè)工件預(yù)抓取點(diǎn)→第i個(gè)工件預(yù)放置點(diǎn)→第i個(gè)工件放置點(diǎn)→放置工件→返回第i個(gè)工件預(yù)放置點(diǎn)→第i+1個(gè)工件預(yù)抓取點(diǎn)┄┄。為簡(jiǎn)化搬運(yùn)指令，可采用for循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)9個(gè)工件的搬運(yùn)。

具體指令如下所示：

導(dǎo)入API模塊RoboDK和Robolink：

from robolink import * # RoboDK API

from robodk import * # Robot toolbox

RDK = Robolink()

定義工作站中的對(duì)象：

iWorkstation = RDK.Item('workstation7') #定義工作臺(tái)

iRobot = RDK.Item('ABB IRB 120-3/0.6') #定義機(jī)器人

iTool = RDK.Item('Gripper') #定義工具

iFrame1 = RDK.Item('Frame 1') #定義編碼盤1的工件坐標(biāo)系

iFrame2 = RDK.Item('Frame 2') #定義編碼盤2的工件坐標(biāo)系

定義機(jī)器人初始位置目標(biāo)點(diǎn)：

jHome = [0,0,0,0,90,0] #定義機(jī)器人初始關(guān)節(jié)值

調(diào)用Program指令“初始化物塊位置”完成9個(gè)工件的初始化設(shè)置：

RDK.RunProgram('初始化物塊位置') #定義工件的初始化程序

設(shè)置機(jī)器人的工具及運(yùn)行速度：

iRobot.setPoseTool(iTool) #設(shè)置機(jī)器人工具

iRobot.setSpeed(20,20) #設(shè)置機(jī)器人速度

編寫運(yùn)動(dòng)指令，完成9個(gè)工件的搬運(yùn)：

iRobot.MoveJ(jHome)#機(jī)器人以關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式回原點(diǎn)位置

for i in range(1,10):#采用循環(huán)語句，實(shí)現(xiàn)9個(gè)工件的搬運(yùn)

iPart = RDK.Item('工件'+str(i)) #定義待搬運(yùn)塊“工件 i”

target_i = iPart.Pose()*rotx(pi) #計(jì)算工件的抓取點(diǎn)或放置點(diǎn)

iRobot.setPoseFrame(iFrame1) #設(shè)置抓取工件的參考坐標(biāo)系

iRobot.MoveJ(target_i*transl(0,0,-50)) #機(jī)器人以關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式移動(dòng)到工件預(yù)抓取位置，即抓取位置點(diǎn)正上方50 mm的位置，也即在抓取點(diǎn)z軸方向偏移-50 mm

iRobot.MoveL(target_i) #機(jī)器人以直線運(yùn)動(dòng)方式移動(dòng)到工件抓取位置

iTool.AttachClosest() #抓取工件

iRobot.MoveL(target_i*transl(0,0,-50)) #機(jī)器人以直線運(yùn)動(dòng)方式返回工件預(yù)抓取位置

iRobot.setPoseFrame(iFrame2) #設(shè)置放置工件的參考坐標(biāo)系

iRobot.MoveL(target_i*transl(0,0,-50)) #機(jī)器人移動(dòng)到工件預(yù)放置位置

iRobot.MoveL(target_i) #機(jī)器人移動(dòng)到工件放置位置

iTool.DetachAll(iFrame2) #放置工件于iFrame2坐標(biāo)系下

iRobot.MoveL(target_i*transl(0,0,-50)) #機(jī)器人返回工件預(yù)放置位置

圖7 搬運(yùn)程序運(yùn)行結(jié)果

iRobot.MoveJ(jHome)#機(jī)器人返回原點(diǎn)位置

用Python編寫指令實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人工作站搬運(yùn)案例進(jìn)行仿真，需要先導(dǎo)入API模塊RoboDK和Robolink模塊；之后對(duì)工作站中的對(duì)象進(jìn)行定義，并調(diào)用Item函數(shù)將工作站中的對(duì)象與在Python中對(duì)其定義的變量關(guān)聯(lián)起來。并需設(shè)定工具坐標(biāo)系及工件坐標(biāo)系，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中所走路徑的目標(biāo)點(diǎn)均是在相應(yīng)的坐標(biāo)系下創(chuàng)建確定的。在編寫實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)功能的運(yùn)動(dòng)指令之前還需設(shè)置機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度。執(zhí)行搬運(yùn)指令之后的運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。

6 結(jié) 論

隨著工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)人才的需求也日益增多[6]，因此，許多院校都開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人專業(yè)，來培養(yǎng)適應(yīng)需求的工業(yè)機(jī)器人專業(yè)應(yīng)用型人才，而工業(yè)機(jī)器人仿真軟件在教學(xué)、科研及生產(chǎn)過程中起到了非常大的作用，RoboDK是一款應(yīng)用非常廣泛、功能強(qiáng)大且支持離線編程的仿真軟件[7]。

本文采用RoboDK中基于API的Python編程實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的生成及位置布局以及對(duì)多個(gè)工件的搬運(yùn)任務(wù)的仿真。采用Python編程可實(shí)現(xiàn)用Program編程無法實(shí)現(xiàn)的工件的生成功能，可方便地編寫相關(guān)指令語句實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算，省去在工作站中一個(gè)個(gè)去創(chuàng)建目標(biāo)點(diǎn)的過程。另外，采用Python中的for循環(huán)語句編程，可將多個(gè)工件的搬運(yùn)指令簡(jiǎn)化?；赗oboDK API的Python編程實(shí)現(xiàn)工件的生成與搬運(yùn)仿真可通過編制Python指令語句實(shí)現(xiàn)將1個(gè)工件生成多個(gè)工件并進(jìn)行位置的布局，同時(shí)可方便地完成多個(gè)工件的搬運(yùn)任務(wù)，且RoboDK仿真界面立體直觀，使得搬運(yùn)過程的仿真更為直觀，更有利于對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究以及教學(xué)活動(dòng)的開展。