CN108922262A - 一种新型工业机器人教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型工业机器人教学系统，该系统采用分布式系统结构，包括机器人示教器、云平台和终端软件。示教器使用以太网通讯协议，可以选择单机模式，通过本地网络直接与终端设备上的软件进行连接；示教器在网络模式下，通过云平台控制机器人进行运动。终端软件中含有多种机器人工作站，且工作站中的机器人模型可通过示教器进行编程控制，末端执行器与相关工件都可被操作。云平台在网络模式下可进行访问，为用户提供多种在线学习内容。本发明综合了虚拟仿真和实践操作的新型教学系统，该系统既可用于各院校的机器人教学工作，使学生通过虚拟操作练习，对工业机器人的工作原理和运动方式有了直观深入的了解。

Description

一种新型工业机器人教学系统

技术领域

本发明涉及教学系统，尤其是一种新型工业机器人教学系统。

背景技术

在德国提出工业4.0概念后，中国也提出要实现中国制造2025的计划。随着中国从制造大国向“智造”强国的迈进，国内机器人行业呈现高速发展态势。虽然多种因素推动着我国工业机器人的发展，但一个越来越大的问题清晰地摆在我们面前，在中国推行工业机器人技术，遇到的最大瓶颈不是技术短缺，而是应用人才严重缺失。北京航空航天大学机器人所所长、机器人领域著名专家毕树生教授指出：“当前限制工业机器人技术应用和发展的关键不再是关键设备和技术，而是专业研发和应用人才的紧缺，长此以往，工业机器人行业将会畸形发展甚至未发展便萎缩。”

在工业机器人专业人才需求中，需求量最大的是基础的操作及维护人员以及掌握基本工业机器人应用技术的调试工程师和更高层次的应用工程师。中国机械工业联合会的统计数据表明，中国当前机器人应用人才缺口20万，并且以每年20％-30％的速度持续递增。因此，工业机器人专业人才的培养，要更加着力于应用型人才的培养。

职业院校中进行机器人建设以成了当务之急。由于工业机器人价格昂贵，无法大批引进。因此在教学和培训过程中，无法做到学员人手一台进行操作训练，造成实际操作不足。甚至由于学员经验不足、操作失误等原因，在操作过程中可能对其他学员或机器人系统产生危害。

发明内容

本发明目的在于提供一种新型工业机器人教学系统，该系统既可用于各院校的机器人教学工作，使学生通过虚拟操作练习，对工业机器人的工作原理和运动方式有了直观深入的了解，完成对机器人知识的储备与技能的训练；也可用于使用机器人进行生产的企业，对员工进行机器人培训，使其快速上手。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述系统采用分布式系统结构，由机器人示教器、云平台和终端软件构成；

所述机器人示教器以ARM作为核心处理器，使用以太网通讯协议，还包括显示单元、输入单元、通讯单元、急停单元；

所述机器人示教器通过本地网络与终端设备上的终端软件进行连接，通过对终端软件的控制来控制虚拟机器人或实体机器人进行动作；所述机器人示教器还可通过无线网络与云平台进行无线连接，从而远程控制接入系统的不同品牌机器人进行动作。

进一步的，所述机器人示教器中，显示单元用于显示机器人程序，显示与用户交互结果；输入单元用于用户输入命令、运动参数、控制机器人完成示教过程；通讯单元用于与终端设备进行通讯，具备有线与无线两种模式，示教器可以选择单机模式，通过本地网络直接与终端设备上的软件进行连接，也可选择网络模式，通过云平台，享受多种在线功能；急停单元在实际的现场工业环境中，用于在机器人异常或因操作失误使机器人处于危险状态时，通过急停开关切断电源，停止虚拟设备运转。本发明中机器人为虚拟机器人不会发生危险状态，急停单元的设计旨在培养用户良好的安全意识。

进一步的，所述的终端软件由虚拟现实软件开发设计，上位机软件界面背景按照建筑比例建模，厂房建筑、街道布景等最大程度还原真实性；终端软件可运行在多平台上，如Windows，Mac，Android等，用户将不局限于PC机终端，便携式移动设备也可以运行终端软件。所示的终端软件中含有多种不同的机器人工作站，其中包括且不限于：码垛工作站、焊接工作站、喷涂工作站、打磨工作站、装配工作站。工作站中的机器人模型可通过示教器进行编程控制，末端执行器与相关工件都可被操作。用户可对终端软件的界面进行拉伸、旋转等操作改变视角，从而实现从任意角度查看机器人运动细节。

进一步的，所述的云平台为云端主机系统，为用户提供电子教室、项目实例、团队空间、考核系统四个模块；在电子教室中，用户通过终端软件的屏幕进行在线学习；在电子教室中，屏幕被分为三大板块，包括教师区、程序区、场景区。项目实例为用户提供多套工业机器人解决方案，可详细学习工业机器人在实际生产过程中的工作流程、与其他设备之间的工序配合等。团队空间为用户提供在线交流平台，多个在线用户可组成一队，申请团队空间，用户在团队空间内进行文件共享、技术讨论等活动；在考核系统中，用户需要按照考核内容要求，对机器人的程序进行编写。

进一步的，所述的工作站中的机器人可有多种坐标系选择，包括关节坐标系、工具坐标系、工件坐标系、基坐标系。

进一步的，所述云平台中的服务为一种按需服务，用户在使用云平台中的功能时，系统根据用户在线学习时间进行扣费。用户可根据软件终端内的充值接口，对账户余额进行充值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、在应用于机器人教学时，学生和企业员工不但可以清楚的看到的具体过程，从而对整个环节有一个更直观的认识，且有助于学习者对相关专业的学习和掌握。

2、具备操作、控制的功能，可以让学生或企业员工利用工作站或实例空间操作机器人，进行项目试验。

3、由于本教学系统的机器人为虚拟模型，不会因用户操作失误而发生危险或造成损伤，安全性高，且维护成本极低。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的示教器外观示意图。

图3是本发明的软件终端内的焊接工作站示意图。

图4是本发明的云平台功能示意图。

图5是本发明的项目实例中汽车生产线的装配环节示意图。

图6是本发明的电子教室功能示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示是本发明的总体结构示意图。该图清晰地展示了整个系统的总体结构。本系统主要包含有三大模块。它是由机器人示教器、云平台和终端软件构成；

所述的机器人示教器机器人示教器包括以下几个部分：显示单元：主要用于显示机器人程序，显示与用户交互结果；输入单元：主要用于用户输入命令、运动参数、控制机器人完成示教过程等；急停单元：用于在机器人异常或因操作失误使机器人处于危险状态时，通过急停开关切断电源，停止虚拟设备运转；通讯单元：主要用于与终端设备进行通讯，具备有线与无线两种模式；

示教器可以选择单机模式，通过本地网络直接与终端设备上的软件进行连接，也可选择网络模式，通过云平台，享受多种在线功能。该示教器可控制软件终端内虚拟机器人动作,实现示教编程，还可以控制本地实体机器人，并可以通过云平台远程控制接入系统的不同品牌机器人。

所述的终端软件由虚拟现实软件开发设计，可运行在多平台上，如Windows，Mac，Android等，用户将不局限于PC机终端，便携式移动设备也可以运行终端软件。终端软件中含有多种机器人工作站，包括：码垛工作站、焊接工作站、喷涂工作站、打磨工作站、装配工作站。工作站中的机器人模型可通过示教器进行编程控制，末端执行器与相关工件都可被操作。用户可对终端软件的界面进行拉伸、旋转等操作改变视角，从而实现从任意角度查看机器人运动细节。

所述的云平台可为用户提供多种在线服务，其中包括：电子教室、实例项目、团队空间、考核系统。在电子教室中，用户可通过终端软件的屏幕进行在线学习。在电子教室中，屏幕被分为三大板块，包括教师区、程序区、场景区。实例项目为用户提供了多套工业机器人解决方案，可详细学习工业机器人在实际生产过程中的工作流程、与其他设备之间的工序配合等。团队空间为用户提供了在线交流平台，多个在线用户可组成一队，申请团队空间。用户在团队空间内进行文件共享、技术讨论等活动。在考核系统中，用户需要按照考核内容要求，进行完成对机器人的程序编写。考核系统会对用户的学习时间、历史成绩等进行统计分析，计算其能力短板，通过弹窗提示，使用户有目标性的学习；同时考核系统用户成绩进行大数据分析，总结普遍存在的问题，再分配教师进行重点分析、讲解。

图2是本发明的示教器的示意图。本发明中示教器：显示单元：主要用于显示机器人程序，显示与用户交互结果；输入单元：主要用于用户输入命令、运动参数、控制机器人完成示教过程等；急停单元：用于在机器人异常或因操作失误使机器人处于危险状态时，通过急停开关切断电源，停止虚拟设备运转；通讯单元：主要用于与终端设备进行通讯，具备有线与无线两种模式，示教器可以选择单机模式，通过本地网络直接与终端设备上的软件进行连接，也可选择网络模式，通过云平台，享受多种在线功能。

在本地模式下，用户可通过有线或无线方式连入终端软件，并通过示教器控制工作站内机器人动作。软件内含有码垛工作站、焊接工作站、喷涂工作站、打磨工作站、装配工作站等。下面以焊接工作站为例进行说明。

图3是本发明的焊接工作站的示意图。焊接工作站有弧焊机器人、焊机、送丝机、焊枪及清枪装置、保护气体设备、工作台、工装夹具、变位机、安全系统(围栏、光栅、自动门、门锁等)。通过工作站，用户可学习到一个完整的焊接工作站所包含模块、工作流程。

在网络模式下，用户通过云平台与软件终端相连。在网络模式下，用户可使用云平台中的电子教室、实例项目、团队空间、考核系统功能。

图4是本发明的云平台功能示意图。电子教室为用户提供在线课堂、实时问答、视频回放的功能。团队空间可使多个在线用户组成一个兴趣小组，通过分组学习和讨论，将独立的用户划分成小团队，进行团队内部分工、资料共项等。项目实例为用户提供经典的高综合性机器人训练例程，包括车身装配系统、白车身焊接系统、车体喷涂系统等。考核系统为用户提供能力评估测试，同时考核系统用户成绩进行大数据分析，总结普遍存在的问题，再分配教师进行重点分析、讲解。

图5是本发明的项目实例中车身装配系统示意图。在车身装配系统中，用户通过编写程序控制机器人。项目实例是包含多种工作站和生产加工工序的复杂项目，体现了一个产品的生产、加工、装配周期的过程。

图6是本发明的云平台中电子教室的示意图。在电子教室中，用户可以通过终端软件进行在线学习。在线学习的资料包括教师的在线课堂和视频回放。在线课堂主要是在针对大规模用户(学生、企业员工等)进行的集体培训。在在线课堂的教学过程中，终端软件界面被分为三部分，如图6所示。1号区域为虚拟机器人动作区域，主要显示虚拟机器人在不同指令下的运动方式。2号区域为教师摄像区，用于操作演示与互动等。3号区域为程序区，用于教师分析程序时进行逐条讲解。在实时讲解过程中，用户可进行提问，实现在线答疑。所有在线课堂的内容都会录像，供用户课下学习。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种新型工业机器人教学系统，其特征在于：所述系统采用分布式系统结构，由机器人示教器、云平台和终端软件构成；

所述机器人示教器以ARM作为核心处理器，使用以太网通讯协议，还包括显示单元、输入单元、通讯单元、急停单元；

所述机器人示教器通过本地网络与终端设备上的终端软件进行连接，通过对终端软件的控制来控制虚拟机器人或实体机器人进行动作；所述机器人示教器还可通过无线网络与云平台进行无线连接，从而远程控制接入系统的不同品牌机器人进行动作。

2.根据权利要求1所述的一种新型工业机器人教学系统，其特征在于：所述机器人示教器中，显示单元用于显示机器人程序，显示与用户交互结果；输入单元用于用户输入命令、运动参数、控制机器人完成示教过程；通讯单元用于与终端设备进行通讯，具备有线与无线两种模式，示教器可以选择单机模式，通过本地网络直接与终端设备上的软件进行连接，也可选择网络模式，通过云平台，享受多种在线功能；急停单元在实际的现场工业环境中，用于在机器人异常或因操作失误使机器人处于危险状态时，通过急停开关切断电源，停止虚拟设备运转。

3.根据权利要求1所述的一种新型工业机器人教学系统，其特征在于：所述的终端软件由虚拟现实软件开发设计，上位机软件界面背景按照建筑比例建模；终端软件可运行在Windows，Mac，Android平台上；所示的终端软件中含有多种不同的机器人工作站；工作站中的机器人模型可通过示教器进行编程控制，末端执行器与相关工件都可被操作；用户可对终端软件的界面进行拉伸、旋转等操作改变视角，从而实现从任意角度查看机器人运动细节。

4.根据权利要求1所述的一种新型工业机器人教学系统，其特征在于：所述的云平台为云端主机系统，为用户提供电子教室、项目实例、团队空间、考核系统四个模块；在电子教室中，用户通过终端软件的屏幕进行在线学习；项目实例为用户提供多套工业机器人解决方案；团队空间为用户提供在线交流平台；在考核系统中，用户需要按照考核内容要求，对机器人的程序进行编写。

5.根据权利要求3所述的一种新型工业机器人教学系统，其特征在于：所述的工作站中的机器人可有多种坐标系选择，包括关节坐标系、工具坐标系、工件坐标系、基坐标系。

6.根据权利要求1所述的一种新型工业机器人教学系统，其特征在于：所述云平台中的服务为一种按需服务，用户在使用云平台中的功能时，系统根据用户在线学习时间进行扣费。