机器人教学平台及其教学方法与流程

本发明涉及机器人教学领域，尤其是一种机器人教学平台及其教学方法。

背景技术：

机器人作为工业4.0时代的核心力量，正在各个领域发挥巨大作用。机器人进入工厂，需要人操作才能投入使用。但目前适合企业的人才并不多，据相关调研结果，相关人才缺口达百万人。另一方面，当前开设机器人专业的院校较少，教学设备也与实际工业应用级设备相距甚远，造成了机器人教学工作效率低下、脱离实际。

国内在机器人教学设备方面，主要有两个问题：

1)院校设备侧重机器人组成及原理，涉及应用较少，限制了学生动手操作的机会；

2)市场现有培训设备，要么完全进口，造价高昂、售后困难，要么功能单一，无法实现岗前培训的效果。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种机器人教学平台及其教学方法。本发明能够推广工业机器人，同时，注重实操、功能全面。

本发明采用如下技术方案：

本发明公开了机器人教学平台，包括小型工业机器人系统和具备框架结构的机柜。

小型工业机器人系统包括关节型机器人本体、机器人控制柜、示教器；

所述关节型机器人本体的末端安装有防碰撞传感器，防碰撞传感器末端安装快换装置，快换装置安装有可更换的功能模块；

所述关节型机器人本体安装在机柜内，所述机器人控制柜设置在机柜内，所述示教器设在机柜外；

所述机柜内设有外部控制模块，外部控制模块连接PC，PC向机器人控制柜传递并下载程序。

进一步地，所述机柜分为用覆盖件隔开的上层空间和下层空间，上层空间背部、顶部有玻璃挡板，顶部挡板下方有照明灯，顶部挡板上方有报警灯，前部、左右两侧有安全门；所述外部控制模块安装在下层空间。

机器人教学平台还包括气动模块，气动模块包括用于产生压力气源的空压机、用于气路通断与压力控制的阀、用于气体干燥与过滤的过滤器、用于系统压力检测的压力开关，空压机外置于机柜外，阀、过滤器、压力开关安装在下层空间内。

所述关节型机器人本体的轴数为六轴，内置有电磁阀、气动接口、传感器信号通讯接口。

优选地，所述上层空间的关节型机器人本体前方设有变位机，变位机包括电机、减速机、连接法兰、法兰盘，所述变位机与关节型机器人本体联动；

变位机连接有变位机控制柜，变位机控制柜放置在下层空间机器人控制柜上方，变位机控制柜实现变位机电机的驱动与控制。

优选地，所述外部控制模块包括PLC控制器、电源组件、人机界面和通讯接口。

优选地，所述功能模块包括教学模块、雕刻模块、绘画模块。

根据上述机器人教学平台的教学方法，包括如下步骤：

(1)确定机器人教学平台的教学任务；

(2)选择不同的功能模块，并将功能模块安装在关节型机器人本体的末端，并启动机器人教学平台，执行教学方法；

(3)完成指定的教学任务，停止机器人教学平台。

所述步骤(2)中的教学方法包括焊接、切割作业模拟；码垛、拆垛作业模拟；涂胶、抛光打磨作业模拟；离线编程教学培训；雕刻作业培训；绘画作业培训；外部控制与通讯教学培训。

所述焊接、切割作业模拟中，将气动夹具安装在关节型机器人本体末端的法兰上，抓取笔型演示工具模拟机器人安装焊枪或切割头工具，通过在线示教编程控制演示工具末端沿工件表面一定轨迹运行，模拟焊接、切割作业；

所述码垛、拆垛作业模拟中，将气动夹具安装在关节型机器人本体末端的法兰上，从工具挂架物料库中抓取标准块按顺序摆放至教学台架码垛区域，模拟码垛作业，机器人执行码垛的反向动作，完成拆垛作业模拟；

所述涂胶、抛光打磨作业模拟中，用提供的弧形工件模拟待涂胶或待打磨的工件，用提供的教学图画标示工件上需运行的轨迹，使用机器人抓取工件在外部工具上走轨迹，模拟涂胶、抛光打磨作业；

所述离线编程教学培训中，将雕刻作业所需的关节型机器人本体、变位机、物料的3D模型导入离线编程软件，设置相对位置、工具坐标、基坐标，软件能够自动计算刀具路径，并指示该路径上可能与物料发生碰撞的位置，进行手动、自动防碰撞路径调整，通过后处理，生成能够在机器人系统直接执行的程序；

所述雕刻作业中，雕刻作业包括浮雕、立体雕刻，通过快换装置用电主轴替换机器人末端工具，将物料装夹在机器人前方，启动离线编程生成的浮雕程序，机器人自动运行至电主轴轴线垂直于浮雕部件的姿态，实现浮雕作业，进行立体雕刻作业时，将物料装夹在机器人前方的变位机法兰盘表面，启动离线编程生成的立体雕刻程序，机器人与变位机能够自动同步联动运行，实现立体雕刻作业；

所述绘画作业中，使用教学平台提供的摄像头实现图像素材获取，使用提供的图像处理软件对图像进行处理，得到离线编程软件能够识别的图纸文件格式，并据此得到绘画程序，通过快换装置用画笔替换机器人末端工具，启动程序，完成绘画作业；

所述外部控制与通讯教学培训中，使用外部控制模块的通讯接口与教学平台PLC通讯，使用人机界面实现PLC与机器人数字量、模拟量通讯的操作与演示。

采用如上技术方案取得的有益技术效果为：

机器人教学平台结构简单，运行控制合理，能完成多项教学任务。

本发明包含的离线编程教学培训，使用离线编程技术进行加工前的仿真与程序的自动生成，能够大大简化编程难度、提高精确度；无需依托机器人进行编程作业，有效降低编程成本；提前获知发生碰撞的位置并进行姿态调整加以规避，提高程序的安全性。该技术应用广泛，代表了未来机器人各个行业应用编程的发展方向与发展趋势，是机器人规模化应用、解放人力资源的必经之路，进行该技术的教学培训保证了教学内容的时效性。

附图说明

图1为机器人教学平台结构示意图。

图2为图1区别视角示意图。

图3为关节型机器人本体安装电主轴工具示意图。

图4为关节型机器人本体安装画笔工具示意图。

图5为机柜框架结构示意图。

图6为气动模块结构示意图。

图7为防撞传感器结构示意图。

图8为外部控制模块结构示意图。

图9为气动夹具结构示意图。

图10为工具挂架结构示意图。

图11为教学台架结构示意图。

图中，1、关节型机器人本体，2、玻璃挡板，3、外部框架，4、供电接口，5、气源接口，6、脚轮，7、进风口过滤网，8、变位机，9、气动夹具，10、快换装置，11、防碰撞传感器，12、照明灯，13、安全门，14、电主轴，15、自锁式急停按钮，16、通讯接口，17、人机界面，19、示教器，20、教学台架，21、工具挂架，22、笔型演示工具，23、报警灯，24、绘画画笔。

具体实施方式

结合附图1至11对本发明的具体实施方式做进一步说明：

机器人教学平台，本发明公开了机器人教学平台，包括小型工业机器人系统、具备框架结构的机柜、框架与安全模块、外部控制模块、教学模块、雕刻模块、绘画模块。

小型工业机器人系统包括关节型机器人本体1、机器人控制柜、示教器19；所述关节型机器人本体1的末端安装有防碰撞传感器11，防碰撞传感器11末端安装快换装置10，快换装置10安装有可更换的功能模块；所述关节型机器人本体安装在具备框架结构的机柜内，所述机器人控制柜设置在机柜内，所述示教器19设在机柜外；所述机柜内设有外部控制模块，外部控制模块连接PC，PC向机器人控制柜传递并下载程序。

如图1所示，机器人教学平台，由外部框架3构成支撑结构，分为上下两层，之间用覆盖件隔开，避免上层作业时产生的粉尘落入下层；机柜底部设有进风口过滤网7。上层背部、顶部有玻璃挡板2，顶部挡板下方有照明灯12，前部、左右两侧有安全门13，摆放机器人、教学模块、雕刻模块、绘画模块；绘画模块包括绘画画笔24。下层摆放控制柜，前部为安装面板，安装有外部控制模块，后部与左右两侧有钢铁材质的门；顶部有报警灯23。具体包括小型工业机器人系统、框架与安全模块、外部控制模块、教学模块、雕刻模块、绘画模块。

关节型机器人本体1，轴数6轴，体积小、质量轻，易于安装；手臂内置电磁阀，并配置了气动接口、传感器信号通讯接口，在连接末端工具时无需再穿管配线，使用方便。

机器人控制柜，安装在下层空间，内部高度集成，柜体尺寸紧凑，质量轻易于安装，提供了包括供电、编码器、USB、profinet、外部轴、DVI、ethercat、数字量I/O在内的丰富接口，易于连接与配置；提供千兆以太网的快速通信；一体化集成存储卡，保证重要系统数据安全存储。

外部控制模块包括PLC控制器、电源组件、人机界面17和通讯接口16。

示教器19，摆放在下层前部安装面板上，触摸式彩色显示屏，触控板拥有上下文敏感的浮动窗口，使得操作更直观；通过单独的运行键直接控制八根轴/附加轴，无需来回切换；可直接在其上上储存和读取配置；支持热插拔。

软件系统界面，采用历经验证的基于计算机的控制技术；扩展的指令集便于更具用户友好性的轨迹编程；软件安装在PC上之后，能够实现PC与机器人的通讯连接，实现机器人数据读取与修改。

机柜设有脚轮6，安装在底部，复合型脚轮，能够实现支脚高度调节、万向转动。机柜内设有工具挂架21，工具挂架21上设有具有弹性的笔型演示工具22。

机柜设有报警灯23，报警灯安装在顶面外部，分红黄绿三色，触发急停信号时红色灯亮并伴有蜂鸣器声音报警，机器人动作停止，需复位后重新运行；无故障运行显示绿色，机器人正常运行；运行中出错显示黄色，机器人暂停运行，消除故障后继续运行。

气动模块，包括空压机、阀、过滤器、压力开关，空压机外置，其余部件安装在下层空间内，分别用于一定压力气源供应、气路通断与压力控制、气体干燥与过滤、系统压力检测，当系统压力低于设定值时，触发急停信号。气路连接气源接口5，气源接口5与电源接口4均设置在机柜下部一侧。

防碰撞传感器安装在机器人末端，连接机器人轴法兰与工具，通过调节输入气体的压力，可以改变其碰撞触发力矩，碰撞发生时，自带的信号输出端状态改变，触发急停信号。

安全门开关传感器安装在上层门上端，在机器人开始运行前，需要将门关闭，否则机器人无法运行；机器人运行过程中，一旦门开启，则传感器输出端状态改变，触发急停信号。

外部急停装置安装在下层前部安装面板上，自锁式急停按钮15开关，能够在任意状态下手动停止机器人运行。

通风扇使用轴流风机，安装在下层门板出风口，抽取下层空间内的空气排至室外，与安装在进风口的过滤组件配合使用，通过空气循环实现下层空间冷却。

PLC、外部I/O、电源组件安装在下层空间内部专用安装板上，使用DIN导轨集成安装，具有节省安装空间、模块化设计的特点；CPU可以实现非常短的机器循环时间；建立在模块式的组态上，无需I/O模块的插槽规则；集成的PROFINET接口可以实现控制器的网络化；能够把CPU与ethercat/PROFINET接口、集成的工艺功能或故障防护设计集成在一起。

人机界面安装在下层空间前部安装面板上，宽屏显示，真彩色，包括PROFINET和PROFIBUS接口，内置数字量教学、模拟量教学、绘画图像、外部自动界面，能够自由切换。

指示灯安装在下层前部安装面板上，包括带灯按钮开关、LED指示灯。

通讯接口安装在下层前部安装面板上，包括USB、DVI、ethercat、PROFINET接口，实现控制柜上的接口外引，便于连接外部设备。

气动夹具9安装在机器人末端快换装置前部，两指平行式气动夹具，配套磁性开关、光电传感器共同使用，磁性开关能够指示手指打开的位移，作为手指是否抓取到或物料是否完全放下的指示；光电传感器能够发射光源，一旦机器人运行过程中物料意外跌落，则触发传感器信号输出，触发急停信号。

工具挂架安装在上层空间内机器人前方一定距离处，钢铁材质，由钢板通过螺栓连接组成窄而高的厢式结构，安装有物料库盛放演示块、笔架。

标准演示块，摆放在工具挂架21的物料库内，铝合金材质正方体块，所有边缘打磨光滑倒角，表面抛光镜面。

有弹性的笔型演示工具，摆放在工具挂架21的笔架内，由铝合金壳体、弹簧、钢制笔芯构成，有弹性，在笔尖意外碰撞到其他部件时起到缓冲作用。

教学台架20安装在上层空间内机器人前方一定距离处，由钢板焊接而成，表面有平面、弧面，实现2D平面、3D空间编程练习。

外部工件摆放在教学台架一侧，由弧形钢板加工而成，用于标定与演示外部工件在外部工具上作业场景。

离线编程软件安装在个人PC中，实现平面、立体雕刻的仿真与程序输出，只需将所需雕刻的毛坯尺寸及其成品模型输入软件，能够实现刀路自动生成与人工干预控制。

电主轴14、刀具安装在机器人末端快换装置前部，圆柱形金属壳体恒扭矩高速主轴，通过专用夹具连接在快换装置法兰，通过夹头实现刀具的快速装夹、更换。

快换装置安装在机器人末端防碰撞传感器前部，分为机器人侧、工具侧两部分，分别与防碰撞传感器、末端工具连接，通过定位销、锁紧销保证更换工具时的重复定位精度、牢固性，自带气路、电气通道，在更换工具时，无需插拔气管、航空插头，使工具切换更为便捷、高效。

水冷装置包括水冷箱、水管、自锁快速插头，水冷箱外置，进、排水口放置下层底部角落，水管由下层空间穿过覆盖件连接至机器人前部电主轴，自锁快速插头用防水壳罩住。

除尘装置包括空气放大器、放大器夹具，外置的集尘箱是不锈钢材质制成的带过滤出气口、密封进气口的筒形部件，气管连接空气放大器夹具与集尘箱，空气放大器为机械式，有吸口、出口、压缩空气口，通过放大器夹具安装在电主轴前部，在有压缩空气供应时，能够产生与压缩空气流量成比例放大的吸入流量，能够将雕刻产生的泡沫碎屑吸入到集尘箱中。

变位机8安装在上层空间机器人前方一定距离处，由电机、减速机、连接法兰、法兰盘构成，能够与机器人联动。

变位机控制柜放置在下层空间机器人控制柜上方，实现变位机电机的驱动与控制。

摄像头安装在上层空间顶部，高清彩色摄像头，手动变焦，实现人像拍摄。

显示器安装在教学平台顶部，大尺寸LED显示屏，能够展示机器人绘画作业状态。

图像处理软件安装在PC上，将PC与摄像头连接后，能够实时获取摄像头拍摄的图像，进行处理与格式转换，最终得到能够在机器人执行的程序；将PC与教学平台通过ethercat电缆连接后，能够使用示教器读取生成的程序，并操作机器人执行绘画作业。

绘画画笔安装在机器人末端快换装置前部，使用有机材料制造，表面光滑，外形富有美感；由壳体、弹簧、笔芯构成，保证了画笔轻质、高韧性、一定的强度；绘画作业时，笔尖受弹簧力作用，与画纸保持紧密接触，确保绘画作业线条清晰；笔芯使用标准圆珠笔芯、中性笔芯，更换方便。

画纸夹持装置安装在上层空间机器人前部一定距离处，使用木板制作，通过书夹实现画纸的牢固夹持。

机器人教学平台的教学方法如下：

1)所述焊接、切割作业模拟：

机器人焊接、切割作业原理为：机器人安装焊枪或切割头工具，通过编程实现工具末端沿工件表面一定轨迹运行，实现作业，作业的实现依赖于末端工具精确的沿轨迹运行。

依据这一原理，用教学平台提供的长度不同的笔形工具模拟焊枪、切割头工具，用提供的教学台架模拟工件，用提供的教学图画标示出所需运行的轨迹，通过操作机器人抓取工具沿轨迹运行，模拟焊接、切割作业。

2)所述码垛、拆垛作业模拟：

机器人码垛作业原理为：机器人从物料库某一固定位置抓取物料，按一定规则顺序摆放至特定码垛区域。

依据这一原理，用教学平台提供的标准块模拟物料，用提供的工具挂架模拟物料库，用提供的教学台架模拟摆放码垛物料的库，用提供的教学图画标示出码垛区域，在机器人末端安装气动夹具，从工具挂架物料库中抓取标准块按顺序摆放至教学台架码垛区域，模拟码垛作业。

机器人拆垛作业原理为：机器人执行码垛的反向动作，即从码垛区域分别抓取物料，摆放至物料库中。

依据这一原理，在机器人末端安装气动夹具，从码垛区域中按顺序抓取标准块摆放至工具挂架物料库内，模拟拆垛作业。

3)所述涂胶、抛光打磨作业模拟：

涂胶、抛光打磨作业原理：将外部工具固定在机器人作业范围内，包括执行涂胶的胶枪工具、执行打磨的磨头工具，由机器人抓取待涂胶或待打磨的工件(如待涂胶的汽车挡风玻璃)，将工件表面轨迹沿外部工具运行，完成涂胶、打磨作业。

依据这一原理，用教学平台提供的工具挂架上的尖端模拟外部工具，用提供的弧形工件模拟待涂胶或待打磨的工件，用提供的教学图画标示工件上需运行的轨迹，使用机器人抓取工件在外部工具上走轨迹，模拟涂胶、抛光打磨作业。

4)所述离线编程教学培训：

离线编程原理：将雕刻作业所需的机器人、变位机、物料的3D模型导入离线编程软件，设置相对位置、工具坐标、基坐标，软件能够自动计算刀具路径，并指示该路径上可能与物料发生碰撞的位置，进行手动、自动防碰撞路径调整。通过后处理，生成能够在机器人系统直接执行的程序。

依据这一原理，将教学平台提供的离线编程软件安装在PC，结合配套提供的教材、练习素材，可组织开展软件操作的线上教学，便于机房中集中实施。实现机器人坐标系变换、姿态调整、外部轴编程的教学培训，实现焊接轨迹、切割轨迹、雕刻、绘画作业离线编程。

5)所述雕刻作业：

雕刻作业包括浮雕、立体雕刻。

浮雕原理为：机器人安装电主轴，装夹所需的刀具，浮雕物料固定不动，刀具轴线始终垂直于浮雕物料表面，通过刀具在物料表面所在平面内各个方向运动、沿刀具轴线的上下运动，形成刀具与物料的相对笛卡尔坐标运动，完成雕刻作业，刀具路径为直线。

立体雕刻原理为：机器人安装电主轴，装夹所需的刀具，雕刻物料固定在联动变位机上，刀具轴线与物料底座轴线垂直相交，通过刀具沿物料底座轴线上下运动、变位机带动物料绕变位机轴线旋转运动，形成刀具与物料的相对螺旋运动，完成雕刻作业，刀具路径为螺旋线。

依据这一原理，教学平台浮雕作业过程为：通过快换装置用电主轴替换机器人末端工具，将物料装夹在机器人前方，启动离线编程生成的浮雕程序，机器人自动运行至电主轴轴线垂直于浮雕部件的姿态，实现浮雕作业。

进行立体雕刻作业时，将物料装夹在变位机法兰盘表面，启动离线编程生成的立体雕刻程序，机器人与变位机能够自动同步联动运行，实现立体雕刻作业。

作业过程中配合冷却、除尘系统共同使用，实现电主轴冷却、雕刻碎屑的收集。

6)所述绘画作业：

绘画作业原理：通过摄像头拍摄获取绘画的素材，将其导入图像处理软件，经过轮廓提取、矢量化、格式转换、离线编程等步骤，生成绘画程序，由机器人系统执行。

依据这一原理，首先，使用教学平台提供的摄像头实现图像素材获取，使用提供的图像处理软件对图像进行处理，得到离线编程软件能够识别的图纸文件格式，并据此得到绘画程序；其次，通过快换装置，用画笔替换机器人末端工具，启动程序，完成绘画作业。

7)所述外部控制与通讯教学培训：

外部控制与通讯原理：以机器人为从，外部控制系统为主，通过两者之间的通讯，包括通讯协议设置、数字量与模拟量输入输出，并实现机器人程序的外部控制运行。

依据这一原理，使用机器人控制柜的通讯接口可实现与教学平台PLC的通讯，使用人机界面可实现PLC与机器人数字量、模拟量通讯的操作与演示。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。