一种机器人教学平台控制系统和控制方法与流程

1.本发明涉及教学设备技术领域，具体涉及一种机器人教学平台控制系统和控制方法。


背景技术：

2.目前，市面上的工业机器人教学平台大多只能通过可编程逻辑控制器对单一的机器人操作台进行控制，缺乏贴近于工业生产现场的一体化生产线控制系统。教学过程中学生以观摩为主，缺乏对工业机器人的实际操作训练，因此不能为学习者提供一个学习机械设计、电气自动化、自动控制、机器人技术、计算机编程和仿真、传感器技术、物流信息管理等多方面知识的平台，也不能使使用者对电机驱动与控制、机器视觉、可编程逻辑控制的设计与应用等技能得到实际的训练。
3.因此，需要一种工业机器人教学平台控制系统，能够应用多种不同结构和功能的机器人实现自动化上料、加工、分拣、装配等一体化生产协作任务的教学实训控制，以解决以上现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种机器人教学平台控制系统和控制方法。
5.根据本发明的一个方面，提供一种机器人教学平台控制系统，主控模块、可编程逻辑控制器、传感器模块、驱动模块和执行模块，所述主控模块的工控机显示屏上设置有人机交互界面，其特征在于，所述主控模块、可编程逻辑控制器和驱动模块通过profinet网络连接，所述主控模块适于向所述可编程逻辑控制器发送执行模块的运动控制指令并通过人机交互界面实时显示系统运行参数；所述可编程逻辑控制器通过i/o接口与所述传感器模块连接，适于接收所述传感器模块检测的工件信息并向所述驱动模块发送执行模块的运动控制指令，以便控制驱动模块驱动执行模块执行预设的动作。
6.可选地，执行模块包括同一生产线上多个协同作业的机器人，所述预设的动作包括上料、加工、输送、分拣、转运和装配。
7.可选地，主控模块包括操作台，所述操作台上设置有联机单机模式切换按钮、启动按钮、停机按钮，所述人机交互界面适于接收用户输入的机器人各个关节的位置和方向，并利用虚拟仿真软件对机器人各个关节进行三维可视化动态旋转和平移，以便对机器人实现离线编程控制。
8.可选地，执行模块包括沿生产线依次设置的上料单元、加工单元、输送单元、分拣单元、转运单元和装配单元，所述上料单元包括直线模组机器人、第一推料气缸和第一伺服电机，所述加工单元包括scara机器人和激光切割机，所述输送单元包括输送带和第二伺服电机，所述分拣单元包括delta机器人，所述转运单元包括变位机和第三伺服电机，所述装配单元包括第一协作机器人和第二协作机器人。
9.可选地，传感器模块包括设置于上料单元处第一料仓的第一光电开关、设置在上料单元和加工单元之间待加工区的第二光电开关、设置在加工单元处加工区的第三光电开关、设置在加工单元末端第二料仓的第四光电开关、设置在delta机器人前端的第一工业相机、设置在第二协作机器人前端的第二工业相机。
10.可选地，可编程逻辑控制器适于在接收到第一光电开关检测到的第一料仓有料信号时，向上料机器人发送上料指令；适于在接收到第二光电开关检测到待加工区有料信号、第三光电开关检测到加工区无料信号时，向第一推料气缸发送推料指令；适于在接收到第三光电开关检测到加工区有料信号时，向scara机器人发送加工指令；适于在接收到第四光电开关检测到第二料仓已满信号时，向第二推料气缸发送推料指令；适于在接收到delta机器人发送的工件形状信息和放料信号时，控制第三伺服电机驱动变位机旋转180度并将工件形状信息发送给第一协作机器人；适于在接收到第一协作机器人发送的下料信号时，将工件形状信息和装配信号发送给第二协作机器人，以便第二协作机器人根据工件形状信息更换相应的夹具，再根据第二工业相机获取的工件位置信息对工件进行装配。
11.可选地，直线模组机器人适于根据可编程逻辑控制器发送的上料指令，将工件从第一料仓抓取到待加工区；所述第一推料气缸适于根据可编程逻辑控制器发送的推料指令将工件从待加工区推送到加工区；所述scara机器人适于根据所述可编程逻辑控制器发送的加工指令对加工区的工件进行激光雕刻加工；所述第二推料气缸适于根据可编程逻辑控制器发送的推料指令将加工后的工件从第二料仓推送到输送带；所述第一伺服电机适于驱动输送带将加工后的工件运送到分拣区；所述delta机器人适于根据可编程逻辑控制器发送的工件形状信息和位置信息将合格工件夹取到变位机；所述第二伺服电机适于驱动变位机旋转180度；所述第一协作机器人适于根据可编程逻辑控制器发送的转运指令将合格工件夹取到转运区并将放料完成信号反馈给可编程逻辑控制器；所述第二协作机器人适于根据可编程逻辑控制器发送的装配指令和第二工业相机获取的工件的形状和位置信息对合格工件进行装配，并将装配完成的指令反馈给可编程逻辑控制器。
12.根据本发明的另一个方面，提供一种机器人教学平台控制方法，包括：将主控模块上的联机单机模式切换按钮设置为联机模式，根据用户在操作台的启动指令，启动系统工作；当可编程逻辑控制器接收到第一光电开关检测到有料信号时，控制直线模组机器人将工件从第一料仓抓取到待加工区，当可编程逻辑控制器接收到第二光电开关检测到有料信号、第三光电开关检测到无料信号时，控制第一推料气缸将工件推送到加工区；当可编程逻辑控制器接收到第三光电开关检测到有料信号时，控制scara机器人和激光切割机对工件加工，加工完成后的工件落入第二料仓中；当可编程逻辑控制器接收到第四光电开关检测到所述第二料仓已满信号时，控制第二推料气缸将加工后的工件推送到输送带，以便所述输送带在第二伺服电机的驱动下将加工后的工件输送到分拣区；当可编程逻辑控制器接收到第一相机检测到的已加工工件的形状和位置信息时，控制delta机器人基于已加工工件的形状和位置信息将工件抓取到变位机；当可编程逻辑控制器接收到delta机器人发送的放料信号时，控制第三伺服电机驱动变位机旋转180度，并将工件的形状信息发送给第一协作机器人，以便第一协作机器人
将工件转运到转运区；当可编程逻辑控制器接收到第一协作机器人在转运区的放料信号时，控制第二协作机器人更换相应的夹具，并将工件从转运区运送到成品区；当可编程逻辑控制器接收到第二相机在成品区检测到的工件的位置信息时，控制第二协作机器人对工件完成装配。
13.可选地，在上述方法中，在启动系统工作之前，可以接收用户在人机交互界面上输入的机器人各个关节的位置和方向，并利用虚拟仿真软件对机器人各个关节进行三维可视化动态旋转和平移，完成对机器人的离线编程控制。
14.可选地，在上述方法中，可以将主控模块上的联机单机模式切换按钮设置为单机模式，通过执行模块中各机器人对应的手持示教器控制机器人各个关节的位置和方向，对各个关节进行旋转和平移操作完成预设的动作。
15.根据本发明的方案，通过集成多种机器人形成一个柔性教学平台，通过联机和单机运行模式的切换可以满足多种教学应用场景，降低了综合教学成本；本系统能够真实还原生产场景，既可以用于实际生产制造，又可承担实训教学任务。
16.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
17.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1示出了根据本发明一个实施例的机器人教学平台控制系统100的结构示意图；图2示出了根据本发明一个实施例的执行模块150的结构示意图；图3示出了根据本发明一个实施例的机器人教学平台控制方法300的流程示意图。
具体实施方式
18.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
19.随着制造业的自动化和智能化转型，企业对自动化控制人才的需求也随之提升。现有的工业机器人教学实训系统设备类型较单一，自动化程度较低，无法完成高度还原真实生产场景的一体化生产任务，且无法对自动化生产设备进行开放性定制和开发。因此，本方案提供一种机器人教学平台控制系统，能够对多种类型的工业机器人进行自动化控制和开放性开发定制，同时满足对智能制造相关人才的综合知识和技能的培训需求。
20.图1示出了根据本发明一个实施例的机器人教学平台控制系统100的结构示意图。如图1所示，该控制系统100包括主控模块110、可编程逻辑控制器120、传感器模块130、驱动模块140和执行模块150。其中，主控模块110和可编程逻辑控制器120构成多级控制，主控模
块110中预先安装有集成控制软件，设置有人机交互界面和控制按钮，控制按钮可以包括启动按钮和联机单机模式切换按钮；人机交互界面可以接收用户输入的控制指令对系统进行三维可视化动态仿真和离线编程控制并实时显示系统运行参数,按照预设的程序进行联机控制。为了保证数据通讯的实时性，本发明实施例中主控模块110、可编程逻辑控制器120和驱动模块140通过基于profinet工业总线进行可靠的网络连接。可编程逻辑控制器120通过i/o接口与传感器模块130连接，可以实时接收传感器模块130检测的工件信息并向驱动模块140发送控制指令，以便控制驱动模块140驱动执行模块150执行上料、加工、输送、分拣、转运和装配等预设的动作。
21.在真实生产场景中，同一工位处往往需要多个机器人互相配合、联动完成预设的动作，为了完成上料、加工、分拣、转运、装配等各个流程协同工作。图2示出了根据本发明一个实施例的执行模块150的结构示意图，如图2所示，执行模块150可以包括沿生产线依次设置的上料单元、加工单元、输送单元、分拣单元、转运单元和装配单元。上料单元可以包括直线模组机器人、第一推料气缸和第一伺服电机。加工单元包括scara机器人和激光切割机，输送单元包括第二推料气缸、输送带和第二伺服电机，所述分拣单元包括delta机器人，所述转运单元包括变位机和第三伺服电机，所述装配单元包括第一协作机器人和第二协作机器人，第一协作机器人和第二协作机器人分别用于完成转运和装配工作。为了对物料进行识别和定位，在生产线的各个执行模块中需要设置多个传感器，在本发明的一个实施例中，传感器模块130可以包括设置于第一料仓（第一料仓设置在上料单元）的第一光电开关、设置在待加工区（待加工区设置在上料单元与加工单元的连接处）的第二光电开关、设置在加工区（加工区设置在加工单元）的第三光电开关、设置在第二料仓（第二料仓设置在分拣单元的末端）的第四光电开关、设置在delta机器人前端的第一工业相机、设置在第二协作机器人前端的第二工业相机。
22.图3示出了根据本发明一个实施例的机器人教学平台控制方法300的流程示意图。如图3所示，首先是系统上电启动，具体地，可以将主控模块上的联机单机模式切换按钮设置为联机模式，根据用户在人机交互界面的启动指令或者在工控机操作台的启动指令，启动系统工作：当主控模块接收到第一光电开关检测到有料信号时，启动plc上料流程，plc控制上料机器人（直线模组机器人）将工件从第一料仓抓取到待加工区，当主控模块接收到第二光电开关检测到有料信号、第三光电开关检测到无料信号时，控制第一推料气缸将工件推送到加工区，上料完成，启动plc加工流程：当主控模块接收到第三光电开关检测到有料信号时，控制加工机器人（scara机器人和激光切割机）对工件加工，加工完成后的工件落入第二料仓中。当主控模块接收到第四光电开关检测到第二料仓已满信号时，控制第二推料气缸将加工后的工件推送到输送带，以便输送带在第二伺服电机的驱动下将加工后的工件输送到分拣区，完成加工，启动plc分拣流程：当主控模块接收到第一工业相机检测到的已加工工件的形状和位置信息时，控制分拣机器人（delta机器人）基于已加工工件的形状和位置信息将工件抓取到变位机；当主控模块接收到delta机器人发送的放料信号时，控制第三伺服电机驱动变位机旋转180度，并将工件的形状信息发送给转运机器人（第一协作机器人），以便第一协作机器人将工件转
运到转运区，完成转运，并启动plc下料流程：当主控模块接收到第一协作机器人在转运区的放料信号时，控制下料机器人（第二协作机器人）更换相应的夹具，并将工件从转运区运送到成品区；当主控模块接收到第二工业相机在成品区检测到的工件的位置信息时，控制第二协作机器人对工件进行装配，完成装配后，整个工作流程结束。
23.具体地，当第一光电开关检测到第一料仓中有料时向主控模块反馈有料信号，主控模块根据第一传感器发送的有料信号向直线模组拆垛机器人发送上料指令。直线模组拆垛机器人可以根据主控单元的上料指令将第一料仓上的物料抓取到待加工区。当设置在待加工区的第二光电开关检测到有料同时设置于加工区的第三传感器检测到无料时，主控模块向第一伺服电机发送推料指令，使第一伺服电机驱动第一推料气缸将物料从待加工区推送到加工区。当第三光电开关检测到加工区有料时，主控模块向scara机器人发送加工指令，scara机器人带动激光雕刻机对物料进行加工，加工后的物料自动落入第二料仓中。当第四光电开关检测到第二料仓已满时，主控模块向第二推料气缸发送推料指令，使第二推料气缸将加工后的物料从第二料仓推送到输送带，输送带在第二伺服电机的带动下将加工后的物料运输到分拣区。位于delta机器人支架上的第一光电相机采集位于分拣区的加工后工件的形状和位置信息，delta机器人根据工件的位置信息抓取合格工件到变位机，并将放料信号和合格工件的形状信息发送给主控模块。主控模块在接收到delta机器人发送的放料信号后，控制第三伺服电机驱动变位机旋转180度同时将合格工件的形状信息发送给转运机器人。转运机器人根据接收到的合格工件的形状信息更换相应的夹具，夹取合格工件到转运区，放料完成后将放料信号发送给主控模块。主控模块接收到转运机器人发送的放料信号后，向装配机器人发送装配信号，装配机器人根据位于装配机器人前端的第二工业相机采集的合格工件的形状信息，将工件放置在相应的位置完成装配，并将装配完成信号反馈给主控模块。工业机器人在编程调试过程中利用轨迹关联技术，可以在同一三维环境下导入多个不同品牌、不同型号的工业机器人，并对每一个工业机器人进行轨迹编程，可实现多个机器人之间轨迹的联动控制，从而达到完全模拟真实环境。
24.为了实现对执行模块中各个机器人动作的独立控制，可以将主控模块上的联机单机模式切换按钮设置为单机模式，通过执行模块中各机器人对应的手持示教器控制机器人各个关节的位置和方向，对各个关节进行旋转和平移操作完成预设的动作。
25.需要说明的是，在应用过程中，可以在主控模块的工控机上安装mes系统，可用于相关设备的控制、实时数据采集、数据传输和监控，并在mes系统中下达生产订单指令，通过主控模块和plc分级控制以及profinet总线实时传输控制指令和反馈信号，保证控制的实时性。
26.根据本发明提供的方案，通过将机器人编程控制、视觉检测技术、plc控制技术融合形成一个自动化生产线柔性仿真系统，既符合工业自动化实际生产需求又能够满足高校自动化专业实训教学需求。
27.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
28.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在
上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
29.本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
30.本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
31.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
32.此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。
33.如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
34.尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。
35.因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。