機器人教學平臺及其教學方法與流程

2023-10-11 17:50:34 2

本發明涉及機器人教學領域，尤其是一種機器人教學平臺及其教學方法。

背景技術：

機器人作為工業4.0時代的核心力量，正在各個領域發揮巨大作用。機器人進入工廠，需要人操作才能投入使用。但目前適合企業的人才並不多，據相關調研結果，相關人才缺口達百萬人。另一方面，當前開設機器人專業的院校較少，教學設備也與實際工業應用級設備相距甚遠，造成了機器人教學工作效率低下、脫離實際。

國內在機器人教學設備方面，主要有兩個問題：

1)院校設備側重機器人組成及原理，涉及應用較少，限制了學生動手操作的機會；

2)市場現有培訓設備，要麼完全進口，造價高昂、售後困難，要麼功能單一，無法實現崗前培訓的效果。

技術實現要素：

為了解決現有技術的不足，本發明提出了一種機器人教學平臺及其教學方法。本發明能夠推廣工業機器人，同時，注重實操、功能全面。

本發明採用如下技術方案：

本發明公開了機器人教學平臺，包括小型工業機器人系統和具備框架結構的機櫃。

小型工業機器人系統包括關節型機器人本體、機器人控制櫃、示教器；

所述關節型機器人本體的末端安裝有防碰撞傳感器，防碰撞傳感器末端安裝快換裝置，快換裝置安裝有可更換的功能模塊；

所述關節型機器人本體安裝在機櫃內，所述機器人控制櫃設置在機櫃內，所述示教器設在機櫃外；

所述機櫃內設有外部控制模塊，外部控制模塊連接PC，PC向機器人控制櫃傳遞並下載程序。

進一步地，所述機櫃分為用覆蓋件隔開的上層空間和下層空間，上層空間背部、頂部有玻璃擋板，頂部擋板下方有照明燈，頂部擋板上方有報警燈，前部、左右兩側有安全門；所述外部控制模塊安裝在下層空間。

機器人教學平臺還包括氣動模塊，氣動模塊包括用於產生壓力氣源的空壓機、用於氣路通斷與壓力控制的閥、用於氣體乾燥與過濾的過濾器、用於系統壓力檢測的壓力開關，空壓機外置於機櫃外，閥、過濾器、壓力開關安裝在下層空間內。

所述關節型機器人本體的軸數為六軸，內置有電磁閥、氣動接口、傳感器信號通訊接口。

優選地，所述上層空間的關節型機器人本體前方設有變位機，變位機包括電機、減速機、連接法蘭、法蘭盤，所述變位機與關節型機器人本體聯動；

變位機連接有變位機控制櫃，變位機控制櫃放置在下層空間機器人控制柜上方，變位機控制櫃實現變位機電機的驅動與控制。

優選地，所述外部控制模塊包括PLC控制器、電源組件、人機界面和通訊接口。

優選地，所述功能模塊包括教學模塊、雕刻模塊、繪畫模塊。

根據上述機器人教學平臺的教學方法，包括如下步驟：

(1)確定機器人教學平臺的教學任務；

(2)選擇不同的功能模塊，並將功能模塊安裝在關節型機器人本體的末端，並啟動機器人教學平臺，執行教學方法；

(3)完成指定的教學任務，停止機器人教學平臺。

所述步驟(2)中的教學方法包括焊接、切割作業模擬；碼垛、拆垛作業模擬；塗膠、拋光打磨作業模擬；離線編程教學培訓；雕刻作業培訓；繪畫作業培訓；外部控制與通訊教學培訓。

所述焊接、切割作業模擬中，將氣動夾具安裝在關節型機器人本體末端的法蘭上，抓取筆型演示工具模擬機器人安裝焊槍或切割頭工具，通過在線示教編程控制演示工具末端沿工件表面一定軌跡運行，模擬焊接、切割作業；

所述碼垛、拆垛作業模擬中，將氣動夾具安裝在關節型機器人本體末端的法蘭上，從工具掛架物料庫中抓取標準塊按順序擺放至教學臺架碼垛區域，模擬碼垛作業，機器人執行碼垛的反向動作，完成拆垛作業模擬；

所述塗膠、拋光打磨作業模擬中，用提供的弧形工件模擬待塗膠或待打磨的工件，用提供的教學圖畫標示工件上需運行的軌跡，使用機器人抓取工件在外部工具上走軌跡，模擬塗膠、拋光打磨作業；

所述離線編程教學培訓中，將雕刻作業所需的關節型機器人本體、變位機、物料的3D模型導入離線編程軟體，設置相對位置、工具坐標、基坐標，軟體能夠自動計算刀具路徑，並指示該路徑上可能與物料發生碰撞的位置，進行手動、自動防碰撞路徑調整，通過後處理，生成能夠在機器人系統直接執行的程序；

所述雕刻作業中，雕刻作業包括浮雕、立體雕刻，通過快換裝置用電主軸替換機器人末端工具，將物料裝夾在機器人前方，啟動離線編程生成的浮雕程序，機器人自動運行至電主軸軸線垂直於浮雕部件的姿態，實現浮雕作業，進行立體雕刻作業時，將物料裝夾在機器人前方的變位機法蘭盤表面，啟動離線編程生成的立體雕刻程序，機器人與變位機能夠自動同步聯動運行，實現立體雕刻作業；

所述繪畫作業中，使用教學平臺提供的攝像頭實現圖像素材獲取，使用提供的圖像處理軟體對圖像進行處理，得到離線編程軟體能夠識別的圖紙文件格式，並據此得到繪畫程序，通過快換裝置用畫筆替換機器人末端工具，啟動程序，完成繪畫作業；

所述外部控制與通訊教學培訓中，使用外部控制模塊的通訊接口與教學平臺PLC通訊，使用人機界面實現PLC與機器人數字量、模擬量通訊的操作與演示。

採用如上技術方案取得的有益技術效果為：

機器人教學平臺結構簡單，運行控制合理，能完成多項教學任務。

本發明包含的離線編程教學培訓，使用離線編程技術進行加工前的仿真與程序的自動生成，能夠大大簡化編程難度、提高精確度；無需依託機器人進行編程作業，有效降低編程成本；提前獲知發生碰撞的位置並進行姿態調整加以規避，提高程序的安全性。該技術應用廣泛，代表了未來機器人各個行業應用編程的發展方向與發展趨勢，是機器人規模化應用、解放人力資源的必經之路，進行該技術的教學培訓保證了教學內容的時效性。

附圖說明

圖1為機器人教學平臺結構示意圖。

圖2為圖1區別視角示意圖。

圖3為關節型機器人本體安裝電主軸工具示意圖。

圖4為關節型機器人本體安裝畫筆工具示意圖。

圖5為機櫃框架結構示意圖。

圖6為氣動模塊結構示意圖。

圖7為防撞傳感器結構示意圖。

圖8為外部控制模塊結構示意圖。

圖9為氣動夾具結構示意圖。

圖10為工具掛架結構示意圖。

圖11為教學臺架結構示意圖。

圖中，1、關節型機器人本體，2、玻璃擋板，3、外部框架，4、供電接口，5、氣源接口，6、腳輪，7、進風口過濾網，8、變位機，9、氣動夾具，10、快換裝置，11、防碰撞傳感器，12、照明燈，13、安全門，14、電主軸，15、自鎖式急停按鈕，16、通訊接口，17、人機界面，19、示教器，20、教學臺架，21、工具掛架，22、筆型演示工具，23、報警燈，24、繪畫畫筆。

具體實施方式

結合附圖1至11對本發明的具體實施方式做進一步說明：

機器人教學平臺，本發明公開了機器人教學平臺，包括小型工業機器人系統、具備框架結構的機櫃、框架與安全模塊、外部控制模塊、教學模塊、雕刻模塊、繪畫模塊。

小型工業機器人系統包括關節型機器人本體1、機器人控制櫃、示教器19；所述關節型機器人本體1的末端安裝有防碰撞傳感器11，防碰撞傳感器11末端安裝快換裝置10，快換裝置10安裝有可更換的功能模塊；所述關節型機器人本體安裝在具備框架結構的機櫃內，所述機器人控制櫃設置在機櫃內，所述示教器19設在機櫃外；所述機櫃內設有外部控制模塊，外部控制模塊連接PC，PC向機器人控制櫃傳遞並下載程序。

如圖1所示，機器人教學平臺，由外部框架3構成支撐結構，分為上下兩層，之間用覆蓋件隔開，避免上層作業時產生的粉塵落入下層；機櫃底部設有進風口過濾網7。上層背部、頂部有玻璃擋板2，頂部擋板下方有照明燈12，前部、左右兩側有安全門13，擺放機器人、教學模塊、雕刻模塊、繪畫模塊；繪畫模塊包括繪畫畫筆24。下層擺放控制櫃，前部為安裝面板，安裝有外部控制模塊，後部與左右兩側有鋼鐵材質的門；頂部有報警燈23。具體包括小型工業機器人系統、框架與安全模塊、外部控制模塊、教學模塊、雕刻模塊、繪畫模塊。

關節型機器人本體1，軸數6軸，體積小、質量輕，易於安裝；手臂內置電磁閥，並配置了氣動接口、傳感器信號通訊接口，在連接末端工具時無需再穿管配線，使用方便。

機器人控制櫃，安裝在下層空間，內部高度集成，櫃體尺寸緊湊，質量輕易於安裝，提供了包括供電、編碼器、USB、profinet、外部軸、DVI、ethercat、數字量I/O在內的豐富接口，易於連接與配置；提供千兆乙太網的快速通信；一體化集成存儲卡，保證重要系統數據安全存儲。

外部控制模塊包括PLC控制器、電源組件、人機界面17和通訊接口16。

示教器19，擺放在下層前部安裝面板上，觸摸式彩色顯示屏，觸控板擁有上下文敏感的浮動窗口，使得操作更直觀；通過單獨的運行鍵直接控制八根軸/附加軸，無需來回切換；可直接在其上上儲存和讀取配置；支持熱插拔。

軟體系統界面，採用歷經驗證的基於計算機的控制技術；擴展的指令集便於更具用戶友好性的軌跡編程；軟體安裝在PC上之後，能夠實現PC與機器人的通訊連接，實現機器人數據讀取與修改。

機櫃設有腳輪6，安裝在底部，複合型腳輪，能夠實現支腳高度調節、萬向轉動。機櫃內設有工具掛架21，工具掛架21上設有具有彈性的筆型演示工具22。

機櫃設有報警燈23，報警燈安裝在頂面外部，分紅黃綠三色，觸發急停信號時紅色燈亮並伴有蜂鳴器聲音報警，機器人動作停止，需復位後重新運行；無故障運行顯示綠色，機器人正常運行；運行中出錯顯示黃色，機器人暫停運行，消除故障後繼續運行。

氣動模塊，包括空壓機、閥、過濾器、壓力開關，空壓機外置，其餘部件安裝在下層空間內，分別用於一定壓力氣源供應、氣路通斷與壓力控制、氣體乾燥與過濾、系統壓力檢測，當系統壓力低於設定值時，觸發急停信號。氣路連接氣源接口5，氣源接口5與電源接口4均設置在機櫃下部一側。

防碰撞傳感器安裝在機器人末端，連接機器人軸法蘭與工具，通過調節輸入氣體的壓力，可以改變其碰撞觸發力矩，碰撞發生時，自帶的信號輸出端狀態改變，觸發急停信號。

安全門開關傳感器安裝在上層門上端，在機器人開始運行前，需要將門關閉，否則機器人無法運行；機器人運行過程中，一旦門開啟，則傳感器輸出端狀態改變，觸發急停信號。

外部急停裝置安裝在下層前部安裝面板上，自鎖式急停按鈕15開關，能夠在任意狀態下手動停止機器人運行。

通風扇使用軸流風機，安裝在下層門板出風口，抽取下層空間內的空氣排至室外，與安裝在進風口的過濾組件配合使用，通過空氣循環實現下層空間冷卻。

PLC、外部I/O、電源組件安裝在下層空間內部專用安裝板上，使用DIN導軌集成安裝，具有節省安裝空間、模塊化設計的特點；CPU可以實現非常短的機器循環時間；建立在模塊式的組態上，無需I/O模塊的插槽規則；集成的PROFINET接口可以實現控制器的網絡化；能夠把CPU與ethercat/PROFINET接口、集成的工藝功能或故障防護設計集成在一起。

人機界面安裝在下層空間前部安裝面板上，寬屏顯示，真彩色，包括PROFINET和PROFIBUS接口，內置數字量教學、模擬量教學、繪畫圖像、外部自動界面，能夠自由切換。

指示燈安裝在下層前部安裝面板上，包括帶燈按鈕開關、LED指示燈。

通訊接口安裝在下層前部安裝面板上，包括USB、DVI、ethercat、PROFINET接口，實現控制柜上的接口外引，便於連接外部設備。

氣動夾具9安裝在機器人末端快換裝置前部，兩指平行式氣動夾具，配套磁性開關、光電傳感器共同使用，磁性開關能夠指示手指打開的位移，作為手指是否抓取到或物料是否完全放下的指示；光電傳感器能夠發射光源，一旦機器人運行過程中物料意外跌落，則觸發傳感器信號輸出，觸發急停信號。

工具掛架安裝在上層空間內機器人前方一定距離處，鋼鐵材質，由鋼板通過螺栓連接組成窄而高的廂式結構，安裝有物料庫盛放演示塊、筆架。

標準演示塊，擺放在工具掛架21的物料庫內，鋁合金材質正方體塊，所有邊緣打磨光滑倒角，表面拋光鏡面。

有彈性的筆型演示工具，擺放在工具掛架21的筆架內，由鋁合金殼體、彈簧、鋼製筆芯構成，有彈性，在筆尖意外碰撞到其他部件時起到緩衝作用。

教學臺架20安裝在上層空間內機器人前方一定距離處，由鋼板焊接而成，表面有平面、弧面，實現2D平面、3D空間編程練習。

外部工件擺放在教學臺架一側，由弧形鋼板加工而成，用於標定與演示外部工件在外部工具上作業場景。

離線編程軟體安裝在個人PC中，實現平面、立體雕刻的仿真與程序輸出，只需將所需雕刻的毛坯尺寸及其成品模型輸入軟體，能夠實現刀路自動生成與人工幹預控制。

電主軸14、刀具安裝在機器人末端快換裝置前部，圓柱形金屬殼體恆扭矩高速主軸，通過專用夾具連接在快換裝置法蘭，通過夾頭實現刀具的快速裝夾、更換。

快換裝置安裝在機器人末端防碰撞傳感器前部，分為機器人側、工具側兩部分，分別與防碰撞傳感器、末端工具連接，通過定位銷、鎖緊銷保證更換工具時的重複定位精度、牢固性，自帶氣路、電氣通道，在更換工具時，無需插拔氣管、航空插頭，使工具切換更為便捷、高效。

水冷裝置包括水冷箱、水管、自鎖快速插頭，水冷箱外置，進、排水口放置下層底部角落，水管由下層空間穿過覆蓋件連接至機器人前部電主軸，自鎖快速插頭用防水殼罩住。

除塵裝置包括空氣放大器、放大器夾具，外置的集塵箱是不鏽鋼材質製成的帶過濾出氣口、密封進氣口的筒形部件，氣管連接空氣放大器夾具與集塵箱，空氣放大器為機械式，有吸口、出口、壓縮空氣口，通過放大器夾具安裝在電主軸前部，在有壓縮空氣供應時，能夠產生與壓縮空氣流量成比例放大的吸入流量，能夠將雕刻產生的泡沫碎屑吸入到集塵箱中。

變位機8安裝在上層空間機器人前方一定距離處，由電機、減速機、連接法蘭、法蘭盤構成，能夠與機器人聯動。

變位機控制櫃放置在下層空間機器人控制柜上方，實現變位機電機的驅動與控制。

攝像頭安裝在上層空間頂部，高清彩色攝像頭，手動變焦，實現人像拍攝。

顯示器安裝在教學平臺頂部，大尺寸LED顯示屏，能夠展示機器人繪畫作業狀態。

圖像處理軟體安裝在PC上，將PC與攝像頭連接後，能夠實時獲取攝像頭拍攝的圖像，進行處理與格式轉換，最終得到能夠在機器人執行的程序；將PC與教學平臺通過ethercat電纜連接後，能夠使用示教器讀取生成的程序，並操作機器人執行繪畫作業。

繪畫畫筆安裝在機器人末端快換裝置前部，使用有機材料製造，表面光滑，外形富有美感；由殼體、彈簧、筆芯構成，保證了畫筆輕質、高韌性、一定的強度；繪畫作業時，筆尖受彈簧力作用，與畫紙保持緊密接觸，確保繪畫作業線條清晰；筆芯使用標準原子筆芯、中性筆芯，更換方便。

畫紙夾持裝置安裝在上層空間機器人前部一定距離處，使用木板製作，通過書夾實現畫紙的牢固夾持。

機器人教學平臺的教學方法如下：

1)所述焊接、切割作業模擬：

機器人焊接、切割作業原理為：機器人安裝焊槍或切割頭工具，通過編程實現工具末端沿工件表面一定軌跡運行，實現作業，作業的實現依賴於末端工具精確的沿軌跡運行。

依據這一原理，用教學平臺提供的長度不同的筆形工具模擬焊槍、切割頭工具，用提供的教學臺架模擬工件，用提供的教學圖畫標示出所需運行的軌跡，通過操作機器人抓取工具沿軌跡運行，模擬焊接、切割作業。

2)所述碼垛、拆垛作業模擬：

機器人碼垛作業原理為：機器人從物料庫某一固定位置抓取物料，按一定規則順序擺放至特定碼垛區域。

依據這一原理，用教學平臺提供的標準塊模擬物料，用提供的工具掛架模擬物料庫，用提供的教學臺架模擬擺放碼垛物料的庫，用提供的教學圖畫標示出碼垛區域，在機器人末端安裝氣動夾具，從工具掛架物料庫中抓取標準塊按順序擺放至教學臺架碼垛區域，模擬碼垛作業。

機器人拆垛作業原理為：機器人執行碼垛的反向動作，即從碼垛區域分別抓取物料，擺放至物料庫中。

依據這一原理，在機器人末端安裝氣動夾具，從碼垛區域中按順序抓取標準塊擺放至工具掛架物料庫內，模擬拆垛作業。

3)所述塗膠、拋光打磨作業模擬：

塗膠、拋光打磨作業原理：將外部工具固定在機器人作業範圍內，包括執行塗膠的膠槍工具、執行打磨的磨頭工具，由機器人抓取待塗膠或待打磨的工件(如待塗膠的汽車擋風玻璃)，將工件表面軌跡沿外部工具運行，完成塗膠、打磨作業。

依據這一原理，用教學平臺提供的工具掛架上的尖端模擬外部工具，用提供的弧形工件模擬待塗膠或待打磨的工件，用提供的教學圖畫標示工件上需運行的軌跡，使用機器人抓取工件在外部工具上走軌跡，模擬塗膠、拋光打磨作業。

4)所述離線編程教學培訓：

離線編程原理：將雕刻作業所需的機器人、變位機、物料的3D模型導入離線編程軟體，設置相對位置、工具坐標、基坐標，軟體能夠自動計算刀具路徑，並指示該路徑上可能與物料發生碰撞的位置，進行手動、自動防碰撞路徑調整。通過後處理，生成能夠在機器人系統直接執行的程序。

依據這一原理，將教學平臺提供的離線編程軟體安裝在PC，結合配套提供的教材、練習素材，可組織開展軟體操作的線上教學，便於機房中集中實施。實現機器人坐標系變換、姿態調整、外部軸編程的教學培訓，實現焊接軌跡、切割軌跡、雕刻、繪畫作業離線編程。

5)所述雕刻作業：

雕刻作業包括浮雕、立體雕刻。

浮雕原理為：機器人安裝電主軸，裝夾所需的刀具，浮雕物料固定不動，刀具軸線始終垂直於浮雕物料表面，通過刀具在物料表面所在平面內各個方向運動、沿刀具軸線的上下運動，形成刀具與物料的相對笛卡爾坐標運動，完成雕刻作業，刀具路徑為直線。

立體雕刻原理為：機器人安裝電主軸，裝夾所需的刀具，雕刻物料固定在聯動變位機上，刀具軸線與物料底座軸線垂直相交，通過刀具沿物料底座軸線上下運動、變位機帶動物料繞變位機軸線旋轉運動，形成刀具與物料的相對螺旋運動，完成雕刻作業，刀具路徑為螺旋線。

依據這一原理，教學平臺浮雕作業過程為：通過快換裝置用電主軸替換機器人末端工具，將物料裝夾在機器人前方，啟動離線編程生成的浮雕程序，機器人自動運行至電主軸軸線垂直於浮雕部件的姿態，實現浮雕作業。

進行立體雕刻作業時，將物料裝夾在變位機法蘭盤表面，啟動離線編程生成的立體雕刻程序，機器人與變位機能夠自動同步聯動運行，實現立體雕刻作業。

作業過程中配合冷卻、除塵系統共同使用，實現電主軸冷卻、雕刻碎屑的收集。

6)所述繪畫作業：

繪畫作業原理：通過攝像頭拍攝獲取繪畫的素材，將其導入圖像處理軟體，經過輪廓提取、矢量化、格式轉換、離線編程等步驟，生成繪畫程序，由機器人系統執行。

依據這一原理，首先，使用教學平臺提供的攝像頭實現圖像素材獲取，使用提供的圖像處理軟體對圖像進行處理，得到離線編程軟體能夠識別的圖紙文件格式，並據此得到繪畫程序；其次，通過快換裝置，用畫筆替換機器人末端工具，啟動程序，完成繪畫作業。

7)所述外部控制與通訊教學培訓：

外部控制與通訊原理：以機器人為從，外部控制系統為主，通過兩者之間的通訊，包括通訊協議設置、數字量與模擬量輸入輸出，並實現機器人程序的外部控制運行。

依據這一原理，使用機器人控制櫃的通訊接口可實現與教學平臺PLC的通訊，使用人機界面可實現PLC與機器人數字量、模擬量通訊的操作與演示。

當然，以上說明僅僅為本發明的較佳實施例，本發明並不限於列舉上述實施例，應當說明的是，任何熟悉本領域的技術人員在本說明書的指導下，所做出的所有等同替代、明顯變形形式，均落在本說明書的實質範圍之內，理應受到本發明的保護。