基于多自由度機(jī)器人仿真工作站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜海

（鄭州信息工程職業(yè)學(xué)院，河南鄭州，450121）

0 引言

RobotStudio 軟件是ABB 工業(yè)機(jī)器人公司推出的一款機(jī)器人離線編程與仿真的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序，它的獨(dú)特之處在于它下載到實(shí)際機(jī)器人控制器的過(guò)程中沒有翻譯階段。在實(shí)際構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)之前，RobotStudio 可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成項(xiàng)目的優(yōu)化。

在企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，不同的產(chǎn)線或工位間需要物料的轉(zhuǎn)移，傳統(tǒng)采用人工方式既耗時(shí)又費(fèi)力，特別對(duì)于體積較大，重量較重的物料，人工搬運(yùn)存在一定的安全隱患。在機(jī)器換人的背景下，更多的企業(yè)引入碼垛機(jī)器人。智能碼垛機(jī)器人集成了傳感器技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)物料按設(shè)定的方式進(jìn)行堆放與取出。碼垛機(jī)器人替代人工搬運(yùn)及碼垛，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

本文圍繞搬運(yùn)碼垛工作站為例詳細(xì)闡述多自由度工業(yè)機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)思路以及整體布局，為能夠更好地滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需要，以提高工作效率為前提，幫助企業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)中提供更加扎實(shí)的理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 工作站的搭建

■1.1 工作站設(shè)計(jì)方案

多自由度機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)是基于多自由度機(jī)器人與RoboStudio 離線仿真相結(jié)合實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)任務(wù)，該工作站既可以利用機(jī)器人在線示教編程實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也可以結(jié)合工業(yè)機(jī)器人仿真平臺(tái)進(jìn)行離線編程。工作站選用了以ABB 工業(yè)機(jī)器人為主，并利用RoboStudio 仿真作為搭建平臺(tái)，以物料搬運(yùn)為任務(wù)載體詳細(xì)闡述工作站布局、Smart組件的設(shè)置及應(yīng)用。

■1.2 工作站工作流程

工作站利用Smart 組件模擬動(dòng)態(tài)輸送鏈，當(dāng)左傳送帶有物料到達(dá)目標(biāo)抓取位置時(shí)，傳感器輸出信號(hào)控制工業(yè)機(jī)器人抓取左傳送帶物料到達(dá)左堆放區(qū)域。當(dāng)右傳送帶有物料到達(dá)目標(biāo)抓取位置時(shí)，傳感器輸出信號(hào)控制工業(yè)機(jī)器人抓取右傳送帶物料到達(dá)右堆放區(qū)域。兩側(cè)物料堆放區(qū)設(shè)置存放物料上限為15件物料，分別按照指定位置有序擺放。堆放完成后，工業(yè)機(jī)器人返回傳送帶上方等待，堆放好的物料由叉車?yán)椭林付ㄎ锪洗娣艆^(qū)域。

該工作站具體工作流程如圖1 所示。

圖1 工作流程圖

■1.3 物料放置設(shè)計(jì)

工作站的物料遵循在工業(yè)生產(chǎn)中常見的大型箱體物料，箱體選用長(zhǎng)600mm、寬400mm、高300mm 作為仿真對(duì)象。兩側(cè)物料堆放區(qū)分別設(shè)置為三層，每層擺放5 件物料，擺放按照豎2 橫3 的布局形式，各層擺放布局如圖2 所示。

圖2 碼垛布局圖

■1.4 工作站布局

工作站主要由多自由度機(jī)器人及傳送系統(tǒng)組成，主要包括多自由度機(jī)器人、機(jī)器人控制柜、夾持式末端執(zhí)行器、傳送帶、物料托盤、托盤垛、機(jī)器人底座、物料、電動(dòng)叉車等，為保證整體作業(yè)安全工作站加裝有安全防護(hù)裝置。詳細(xì)布局分布如圖3 所示。

圖3 工作站布局圖

1.4.1 機(jī)器人

工作站選用ABB IRB460 型工業(yè)機(jī)器人，它是ABB 最快的碼垛機(jī)器人。該機(jī)器人為四軸機(jī)器人是ABB 同類機(jī)器人中速度最快的，它占地面積小，非常適合現(xiàn)有的包裝生產(chǎn)線，主要應(yīng)用于碼垛、拆垛及物料搬運(yùn)。為了提高機(jī)器人工作范圍及活動(dòng)空間，在機(jī)器人底部加裝尺寸為950mm×750mm×800mm 的底座。

1.4.2 末端執(zhí)行器

高性能夾具對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的碼垛工作來(lái)講，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，比較常用的碼垛機(jī)器人末端夾具包括多種，例如組合式、吸附式、夾板式等。在具體應(yīng)用的過(guò)程之中，必須結(jié)合產(chǎn)品的各種類型，選取不同的夾具。例如吸附式夾具一般應(yīng)用在質(zhì)量小，并且表面相對(duì)比較平整的工件之上；抓取式夾具一般應(yīng)用在袋裝物的碼放上。應(yīng)用夾具之后，可以有效擴(kuò)寬碼垛的應(yīng)用范圍。

該工作站采用夾板式手爪，夾板式手爪是碼垛過(guò)程中最常用的一類手爪，常見的夾板式手爪有單板式和雙板式。手爪主要用于整箱或規(guī)則盒碼垛等。為了保證仿真可實(shí)現(xiàn)性，工作站使用的夾板式手爪是利用UG 三維創(chuàng)建的幾何模型并導(dǎo)入RobotStudio 模型庫(kù)中，對(duì)導(dǎo)入的工具幾何模型需要進(jìn)行位置、姿態(tài)的調(diào)整，設(shè)置本地原點(diǎn)，然后創(chuàng)建工具坐標(biāo)框架，最后完成工具夾爪的創(chuàng)建。創(chuàng)建完成夾具后要把夾具設(shè)置為傳感器不可檢測(cè)，防止傳感器誤操作。如圖4 所示。

圖4 機(jī)器人工具圖

1.4.3 傳送帶

本工作站傳送帶選用的是RobotStudio 模型庫(kù)自帶的輸送鏈400 型號(hào)，在工業(yè)機(jī)器人左右各放置一條輸送鏈，分別對(duì)左右兩個(gè)碼盤進(jìn)行產(chǎn)品輸送。在輸送鏈的末端分別安裝有傳感器，檢測(cè)產(chǎn)品是否到位，通知工業(yè)機(jī)器人工作。

2 工作站仿真設(shè)計(jì)

■2.1 創(chuàng)建動(dòng)態(tài)輸送鏈

Smart 組件是一種在RobotStudio 中實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果的高效工具，通過(guò)Smart 組件可以設(shè)定輸送鏈產(chǎn)品源、輸送鏈運(yùn)動(dòng)屬性、限位傳感器等，從而模擬實(shí)現(xiàn)物料的生成、物料隨著輸送鏈向前運(yùn)動(dòng)、物料到達(dá)輸送鏈末端后停止運(yùn)動(dòng)、物料被移走后輸送鏈前端再次生成產(chǎn)品等動(dòng)作，依次循環(huán)。工作站左右兩側(cè)輸送鏈設(shè)置方法一致。

2.1.1 創(chuàng)建輸送鏈組件

首先從RobotStudio 模型庫(kù)中加載兩個(gè)輸送鏈400 型放置在工作站合適位置，輸送鏈放置的位置必須保證機(jī)器人機(jī)械臂的工作范圍以內(nèi)，方便實(shí)現(xiàn)物件的抓取和放置。同時(shí)方便提高后期機(jī)器人路徑選擇和示教器調(diào)試時(shí)的效率。然后創(chuàng)建新組件，將輸送鏈模型分別加載至新創(chuàng)建的組件，從而完成輸送鏈組件的創(chuàng)建。

2.1.2 創(chuàng)建輸送鏈產(chǎn)品源

輸送鏈組件內(nèi)添加子組件Source，用于當(dāng)接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)復(fù)制物料對(duì)象成為產(chǎn)品源，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)需要源源不斷地自動(dòng)生成下一個(gè)新物料，其Source 屬性設(shè)置為物料對(duì)象。

2.1.3 設(shè)置輸送鏈運(yùn)動(dòng)屬性

輸送鏈組件內(nèi)添加子組件Queue，使新復(fù)制的產(chǎn)品物料加入陣列隊(duì)伍，從而有效控制物料在陣列隊(duì)伍的位置和物料的移除。在子組件Source 的Copy 屬性與子組件Queue 的Bank屬性建立連接，實(shí)現(xiàn)每產(chǎn)生一個(gè)物料能夠加入隊(duì)列當(dāng)中。

設(shè)置LinearMover 組件指定移動(dòng)對(duì)象為Queue 組件新生成的物料實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的運(yùn)動(dòng)、方向、速度及坐標(biāo)的設(shè)定。

2.1.4 設(shè)置輸送鏈限位傳感器

為了能夠有效感應(yīng)到物料是否到達(dá)輸送鏈末端位置需要在輸送鏈末端位置添加限位傳感，工作站中使用的是PlaneSensor 面?zhèn)鞲衅?。通過(guò)該傳感器能夠使移動(dòng)的物體停止，限位傳感器一般安裝在輸送鏈末端位置，其長(zhǎng)和寬基本與輸送鏈擋板一致。在設(shè)置傳感器屬性時(shí)務(wù)必使傳感器一直處于激活狀態(tài)，并保證與傳感器接觸的周邊設(shè)備屬性設(shè)置為“不可由傳感器檢測(cè)”。

2.1.5 添加信號(hào)與連接

首先分別創(chuàng)建一個(gè)輸入信號(hào)diStart_L，用于啟動(dòng)輸送鏈運(yùn)送物料，創(chuàng)建一個(gè)輸出信號(hào)doBoxInPos_L，用于建立與機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人之間的聯(lián)系，使得機(jī)器人觸發(fā)抓取、搬運(yùn)動(dòng)作。

其次當(dāng)傳感器輸入0時(shí)，通過(guò)非門組件輸出1 來(lái)控制Source 組件使能，在仿真中的表現(xiàn)也就是當(dāng)傳送帶的盡頭物品被移開時(shí)，始端會(huì)再?gòu)?fù)制進(jìn)隊(duì)列。各組件信號(hào)連接方式及設(shè)定如圖5所示。

圖5 各組件信號(hào)連接圖

■2.2 創(chuàng)建動(dòng)態(tài)夾具

將抓取工具放置在合適的位置后，重點(diǎn)還是為夾具設(shè)置一個(gè)Smart 組件來(lái)完成抓取工具的抓取和放置的動(dòng)作。首先需要對(duì)手爪工具組件添加線傳感器LineSensor，通過(guò)該傳感器感應(yīng)物料是否被抓取，為了保證傳感器感應(yīng)靈敏度需要設(shè)置線傳感器半徑在3mm 以上，長(zhǎng)度要超出工具末端5mm。利用PoseMoveHook 組件控制手爪的張開、閉合及吊鉤動(dòng)作效果。通過(guò)Attacher 組件完成手爪拾取動(dòng)作的設(shè)定，而釋放動(dòng)作則有組件Detacher組件來(lái)完成。手爪組件的屬性設(shè)置及信號(hào)連接如圖6 所示。

圖6 各組件信號(hào)連接圖

■2.3 設(shè)置工作站邏輯

2.3.1 創(chuàng)建機(jī)器人控制信號(hào)

在RobotStudio 仿真軟件“控制”功能里的“配置”選項(xiàng)中“添加信號(hào)”設(shè)置工作站的輸入輸出信號(hào)，創(chuàng)建兩個(gè)輸入信號(hào)diBoxInpos_L 和diBoxInpos_R 分別接收左右兩側(cè)傳送帶物料是否達(dá)到目標(biāo)位置。創(chuàng)建兩個(gè)輸出信號(hào)，一個(gè)輸出信號(hào)負(fù)責(zé)控制手爪的抓取和釋放，另一個(gè)輸出信號(hào)負(fù)責(zé)還原手爪初始姿態(tài)。

2.3.2 設(shè)定工作站邏輯

在RobotStudio 仿真軟件“仿真”功能里的“工作站邏輯”中設(shè)置機(jī)器人與各設(shè)備Smart 組件進(jìn)行通信互聯(lián)。工作站輸入信號(hào)diBoxInpos_L 與傳送帶輸出信號(hào)doBoxInpos_L 相連負(fù)責(zé)接收左側(cè)傳送帶的感應(yīng)信號(hào)，工作站輸入信號(hào)diBoxInpos_R 與傳送帶輸出信號(hào)doBoxInpos_R 相連負(fù)責(zé)接收右側(cè)傳送帶的感應(yīng)信號(hào)。當(dāng)傳送帶輸出信號(hào)輸出“1”工作站接收該信號(hào)后控制機(jī)器人手爪到達(dá)目標(biāo)位置完成物料的抓取和釋放。

2.3.3 程序流程

在RobotStudio 仿真軟件中采取離線編程方式，工作站在開始進(jìn)行物料抓取作業(yè)之前需要對(duì)工業(yè)機(jī)器人工作狀態(tài)進(jìn)行初始化，需要判斷目前托盤物料數(shù)量及規(guī)劃物料抓取作業(yè)點(diǎn)位，保證作業(yè)任務(wù)能夠高效完成。工作站作業(yè)示教流程如圖7 所示。

圖7 作業(yè)示教流程圖

2.3.4 編寫程序

機(jī)器人抓取和放置物料是碼垛過(guò)程中相當(dāng)重要的一部分。機(jī)器人抓取和放置過(guò)程的部分代碼如下：

3 結(jié)語(yǔ)

利用Smart 組件是工業(yè)機(jī)器人工作站模擬仿真的有效途徑，通過(guò)仿真軟件能夠真實(shí)的還原企業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景，為企業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目前期方案論證提供可靠的可行性驗(yàn)證。

利用仿真軟件模擬開發(fā)設(shè)計(jì)機(jī)器人工作站能夠滿足當(dāng)前制造行業(yè)的發(fā)展需要，使制造行業(yè)的生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)安全性有顯著提高。就當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)而言，工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中的應(yīng)用還會(huì)向著更加高級(jí)方向發(fā)展，在制造業(yè)中的地位以及所發(fā)揮的作用越來(lái)越重要，應(yīng)用范圍也將更加廣泛，也大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。