CN113393729A - 一种模块化可重构的工业机器人实训平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模块化可重构的工业机器人实训平台及其重构处理方法，包括机械模块、电气硬件模块、上位机和嵌入式控制模块；所述机械模块包括平台基座以及工业机械臂、工装台、夹具库和模拟输送线；电气硬件模块包括电控柜、控制面板以及电源接线单元和网络通讯单元；上位机通过网络通讯单元与机械模块和电气硬件模块通讯控制；嵌入式控制模块为基于单片机系统设计；方法是上位机接收任务出发，将接收到的任务对应的功能需求划分得出各子模块，各子模块与底层硬件相关联进行评价，为强关系上位机向底层硬件发出装配任务。该平台从各层多维度展开，多模块化、可重构设计，为快速重构功能提供基础保障，从而达到更为适用于工业智能机器人教学实训。

Description

一种模块化可重构的工业机器人实训平台

技术领域

本发明涉及工业智能机器人教学实训平台结构技术领域。

背景技术

在国家提倡素质教育的大背景下，机器人教育作为其中一环，发挥着重要作用。但目前市场上常见的教育机器人受于其构形限制，仅能完成单种教学任务，仅适合于普通层级学生的演示搭建型机器人，面对高层级学生对机器人系统组成、编程控制、功能实现、传感器技术等较深层次的了解与实验需求无法满足。为了实现工业机器人实训平台多教学任务的高频切换，需要实训平台的物理空间跟随任务空间进行快速重构响应。这意味着学校或培训机构需要收集、比对、实验寻找多种机器人用于教学，甚至在教学过程中大动干戈地调整实训平台的布局和结构，需要耗费大量时间、精力，这也导致机器人教育难以成为学校主干课程，普及度不高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种各层多维度展开，多模块化，能够实现可拓展可重构，达到更为适用于工业智能机器人教学实训的一种模块化可重构的工业机器人实训平台。

本发明的另一目的在于提供上述一种模块化可重构的工业机器人实训平台的重构处理方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种模块化可重构的工业机器人实训平台，其特征在于，包括机械模块、电气硬件模块、嵌入式控制模块和上位机；

所述机械模块包括用于固定组装部件设备的平台基座以及经过位置布局安装在平台基座上的用于进行装配作业的工业机械臂、提供配件装配动作工位的工装台、用于放置多种装配夹具的夹具库和可实现变频输送装配件的模拟输送线；

所述电气硬件模块用于实现各模块之间的通电和通讯，包括供元器件布局安装布线连接的电控柜、进行人机交互的控制面板以及布局安装在电控柜内用于给各模块供电的电源接线单元和实现网络通讯的网络通讯单元；

所述上位机通过网络通讯单元与机械模块和电气硬件模块通讯控制；所述嵌入式控制模块为基于单片机系统设计的嵌入式控制模块安装设置在电控柜内。

所述工装台为具有多工装位的工位盘并且工位盘通过可带动其旋转工作的旋转机构安装设置的旋转工装台，所述工位盘上的各工装位为沿工位盘圆周布设并且各工位为不同类型工装夹具的工装位。

所述夹具库为一个或呈阶梯状排列设置的多个，所述夹具库包括龙门架和并排固定安装在龙门架横梁上的多个架设板，所述架设板的一端为U型嵌入槽延伸在龙门架横梁的一侧之外，所述架设板上表面在U型嵌入槽U型两竖臂边沿上凸设有定位架设钉，所述定位架设钉的上端为锥形结构；用于进行装配的装配夹具上设有连接部，所述连接部上设有供两定位架设钉穿入定位的定位孔；所述工业机械臂的作业末端上设有供与连接部连接的气动阀连接头。

所述模拟输送线包括用于输送装配的装配件的履带输送装置，导向限位架、物料盘和视觉识别装置，所述导向限位架包括设置在履带输送装置的履带两侧边的导向杆和对应设置在履带输送装置的输送方向末端的阻挡杆，所述阻挡杆的两端分别连接两导向杆的端部，所述物料盘对应两导向杆的两侧边分别设有供对应导向杆嵌入的台阶沿，所述视觉识别装置包括固定安装的支架、安装在支架上用于拍摄履带输送装置上的物料盘的视觉相机和安装在支架上的补光灯。

所述工业机械臂为两台，一台在平台基座上固定位置安装，另一台通过直线模组安装在平台基座上；所述旋转工装台设有两台；所述夹具库为具有多个夹具放置工位的结构设置；两旋转工装台并排安装在平台基座上，两工业机械臂安装在两旋转工装台并排的相对两侧，所述直线模组的直线移动方向与两旋转工装台并排方向一致，所述夹具库分别对应两工业机械臂作业可及的侧边位置安装设置，所述模拟输送线在两工业机械臂作业可及的位置安装设置。

所述嵌入式控制模块的处理器为单片机处理器，所述工业机械臂的气动阀、旋转工装台的驱动器以及直线模组的驱动器和限位开关分别连接单片机处理器，所述模拟输送线的变频器通过集线器连接单片机处理器；所述电源单元包括交流电源子单元和交流转直流的隔离电源子单元，所述旋转工装台的旋转机构的电机驱动器、直线模组的电机驱动器、模拟输送线的电机驱动器和工业机械臂由交流电源子单元直接供电，所述隔离电源子单元用于低压用电器的供电；所述网络通讯单元以有线网络接入多接口的交换机进行网络规划，所述工业机械臂通过交换机的以太网接口实现与上位机通讯，所述旋转工装台、直线模组、集线器等通过单片机处理器连接交换机来与上位机通讯。

所述单片机处理器为STM32单片机处理器,将其输入输出接口和通讯接口划分为多模块并分别预留有扩展接口模块，所述集线器为485HUB集线器，所述模拟输送线的变频器与485HUB集线器的RS485通讯接口连接。

上述一种模块化可重构的工业机器人实训平台的重构处理方法，其特征在于，重构处理的方法步骤是这样的：

一、上位机接收任务出发，

二、上位机将接收到的任务对应的功能需求划分，划分包括功能分解和结构分解，得出各子模块，

三、上位机将各子模块与底层硬件相关联，

四、对各子模块与底层硬件之间的关联强弱关系进行评价，

五、关联强弱关系的评价为强关系，上位机向底层硬件发出装配任务，底层硬件接收控制指令完成控制指令动作；

所述步骤一任务的来源包括有，第一种是通过人工判断装配任务在上位机的任务库中选择出对应任务项，或者，自动识别装配件匹配出上位机的任务库中的对应任务项，第二种是自动识别装配件得出新的任务项加入上位机的任务库；

所述第二种的任务来源的方法步骤是这样的：

1.1)、通过视觉设备和/或传感设备自动识别装配件特征，获得装配件图像和/或传感数据；

1.2)、对装配件图像和/或传感数据进行模糊聚类的模块划分和评价体系的评价确定出装配件装配执行所对应的装配工具，得出执行装配任务的任务项加入上位机预设定的任务库中；

所述步骤三的各子模块与底层硬件相关联的方法步骤是这样的：

2.1)将各子模块进行关联性映射的识别，得到识别结果；

2.2)根据识别结果确定各子模块的关联性映射关系的权重系数和关联系数；

2.3)构建模糊等价矩阵，将权重系数和关联系数代入模糊等价矩阵计算，得到耦合度数据和内聚度数据；

所述步骤四的关联强弱关系评价是这样的，根据步骤2.3)的耦合度数据和内聚度数据通过预设定的评价指标进行评价，评价分数高的说明关联性为强关系，反之则弱关系；在关联性强弱关系的计算中，应用的计算公式如下：

式中，r_ij表示第i,j模块之间的相关度，

为模块的功能相关度，

为模块的结构相关度，

为第k个结构相关度指标，i,j为各模块号，w₁为权重系数；

所述步骤五中关联强弱关系的评价为强关系时，即能够得到任务对应所述的功能模块，得到功能模块所需的结构模块，上位机系统从而来对要进行装配任务的任务调度重组得到最终装配任务过程，并向底层硬件发出。

通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：上述工业机器人实训平台的从机械、电气硬件、机械控制和上位控制这些层面展开进行可区分为多模块化的结构设计，在底层硬件和软件的各单模块单元都有其对应独有的功能，并且每个模块之间均需保持着一定的独立性，促使模块更加专业化，能够同时存在多种工作任务，且有利于系统对新任务进行底层硬件的重新组合达到任务重构；同时，各单模块之间的机械接口和电气接口不仅要进行可靠连接，还实现可快速拆换，保持其简单性和操作的便捷性，为实现工业机器人实训平台的快速重构功能提供基础保障，从而达到本发明能够实现其任务工作可拓展可重构，

上述工业机器人实训平台的重构处理方法从接收任务到完成底层硬件的重新组合完成新任务重构这过程中将任务进行识别、分解、分类，关联等的处理，实质也是分为了多块的处理进行，且在上述多模块的设计结构基础上，该方法的进行更为合理有效，相应快，能够为任务的重构提供一个较为可靠的处理方法。

综上，本发明的工业机器人实训平台及其重构处理方法，不仅提供了一种新结构设计的实训平台，还可以让教师能够在有限的时间内完成教学任务的切换，提高教学效率，另外，还可降低实训平台在硬件设备、生产制造上的投入成本，降低采购成本。

附图说明

图1是本发明涉及的一种模块化可重构的工业机器人实训平台中机械模块结构示意图；

图2是本发明涉及的一种模块化可重构的工业机器人实训平台中旋转工装台的结构示意图；

图3是本发明涉及的一种模块化可重构的工业机器人实训平台中夹具库的结构示意图；

图4是本发明涉及的一种模块化可重构的工业机器人实训平台中模拟输送线的结构示意图；

图5是本发明涉及的一种模块化可重构的工业机器人实训平台中供电结构框图；

图6是本发明涉及的一种模块化可重构的工业机器人实训平台中网络括扑结构框图；

图7是本发明涉及的一种模块化可重构的工业机器人实训平台中控制关系结构框图。

图中：

平台基座1；基座支撑架11；平台表面12；

工业机械臂2；气动阀连接头21；直线模组3；

旋转工装台4；工位盘41；旋转机构42；工装位43；

夹具库5；龙门架51；架设板52；U型嵌入槽53；定位架设钉54；

装配夹具6；连接部61；定位孔62；

模拟输送线7；履带输送装置71；导向限位架72；导向杆721；阻挡杆722；物料盘73；台阶沿731；视觉识别装置74；支架741；补光灯742。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

本实施例公开的一种模块化可重构的工业机器人实训平台，可分为四层，分别是装配任务动作执行的机械机构层、实现各层之间通电通讯的电气硬件层、起到控制执行反馈连接桥梁作用的嵌入式控制层和搭载实训平台系统的上位控制层，一一对应下面描述的分别为机械模块、电气硬件模块、嵌入式控制模块和上位机，下面结合附图详细描述各层结构设计和连接关系。

所述机械模块，如图1、图2、图3和图4所示，包括，平台基座1、工业机械臂2、工装台、夹具库5和模拟输送线7，还可包括其他辅助模块，本实施例未示出。

平台基座1用于固定组装部件设备，本实施例图中其采用带锁固槽的单槽或多槽型材拼装形成基座支撑架11和供部件固定组装的平台表面12，这种材料型材拼装的结构设置，支撑架11的结构可快速扩展、可加强，可用于增加安装放置空间，同样的平台表面12可快速延伸，部件设备安装的位置可布局区域广，部件固定安装方便。

工业机械臂2为多轴机械臂，安装在平台表面12上用于完成工件、工装以及夹具的移动，并在工装台上完成工件的装配作业，现有产品可市场上采购得到，是一种技术日益成熟的工业智能制造常见机器人，本实施例中所述工业机械臂2为两台，一台在平台基座1上固定位置安装，另一台通过直线模组3(现有产品，采用伺服控制和驱动，市场上能够直接采购得到)安装在平台基座1上，即另一台可在直线模组3的行程范围内任意位置停靠，实现在相对平台表面12、工装台移动位置，实现增大工业机械臂2的作业空间，直线模组3通过其上的限位开关传感安装骑上的工业机械臂2的位置；还有，两工业机械臂2的作业末端上设有气动阀连接头21。

工装台，安装在平台表面12上提供配件装配动作工位，所述工装台为具有多工装位的工位盘41并且工位盘41通过可带动其旋转工作的旋转机构42安装设置的旋转工装台4，该结构的工装台通过旋转匹配任务需求的工装位置，所述工位盘41上的各工装位为沿工位盘41圆周布设并且各工位为不同类型工装夹具的工装位43，如图中所示。本实施例中，所述旋转工装台4在平台表面12上固定安装设有两台，通过两台旋转工装台3的工装位43组合形成任务需求的新工装位置。

所述夹具库5，为具有多个夹具放置工位的结构设置用于放置多种装配夹具，可涵盖了所有任务需求的夹具，固定安装在平台表面12上；本实施例中如图中所示，为一个或呈阶梯状排列设置的多个，所述夹具库5包括由带锁固槽的型材拼装而成龙门架51和并排固定安装在龙门架51横梁上的多个架设板52，所述架设板52的一端为U型嵌入槽53延伸在龙门架51横梁的一侧之外，所述架设板52上表面在U型嵌入槽53U型两竖臂边沿上凸设有定位架设钉54，所述定位架设钉54的上端为具有利于快速定位架设导入作用的锥形结构，对应的，用于进行装配的装配夹具6上设有连接部61供与工业机械臂2上的气动阀连接头21快速连接，工业机械臂2可从夹具库5中快速更换到任务需求的夹具6，所述连接部61上设有供两定位架设钉54穿入定位的定位孔62。

所述模拟输送线7，安装在平台表面12上可实现变频输送装配件，其结构如图中所示，包括用于输送装配的装配件的履带输送装置71(本实施例为带变频器的变频输送线，其详细结构可参考现有输送线技术，这里不再详细描述)、导向限位架72、物料盘73和视觉识别装置74，所述导向限位架72包括设置在履带输送装置71的履带两侧边的导向杆721和对应设置在履带输送装置71的输送方向末端的阻挡杆722，用于阻挡输送前进的物料盘73，所述阻挡杆722的两端分别连接两导向杆721的端部，结构简易安装牢固，所述物料盘73对应两导向杆721的两侧边分别设有供对应导向杆721嵌入的台阶沿731，可达到对应物料盘73的定向放置和输送平稳，所述视觉识别装置74包括固定安装在平台表面12上L型结构的支架741(其L型结构的横臂朝上，竖臂末端固定安装)、安装在支架741的L型结构横臂上用于拍摄履带输送装置71上的物料盘73内的装配件的视觉相机(图中未示出)和安装在支架741的L型结构竖臂上并对应在视觉相机下方的圆形的补光灯742。

上述设备如图1所示，两旋转工装台3并排安装在平台表面2上，两工业机械臂2安装在两旋转工装台3并排的相对两侧，所述直线模组3的直线移动方向与两旋转工装台3并排方向一致，所述夹具库5分别对应两工业机械臂2作业可及的侧边位置安装设置，所述模拟输送线7在两工业机械臂2作业可及的位置安装设置，本发明机械结构设置可见各模块的可拓展性、可重构性设计，采用基于构件的功能特征、构形特征和接口特征实现模块划分，再利用“搭积木”的思想完成各模块的连接。

本实施例的上述结构可实现：工业机械臂2采用双工业机械臂2协作的方式，其中一台工业机械臂2底座固定，另一台工业机械臂2底座固定在直线模组3上，可跟随直线模组3进行平移动作，从而实现工业机械臂2的作业空间可依据实际的任务需求而拓展及重构；旋转工装台4包含两个独立控制的旋转工装台4，每个旋转工装台4上拥有多个工装位43，每个工装位43不仅可以独立使用，也可以与其他工装位43进行组合使用；工装位43上的工装夹具与工装位43的连接采用通用转接板的形式，工装夹具通过螺栓锁附在通用转接板上，然后整体通过定位销固定在旋转工装台4上，从而实现旋转工装台4的工装位43组合可依据实际任务需求而拓展及重构；夹具库5可包含所有任务所需的夹具6，工业机械臂2末端与夹具的之间采用气动阀完成快速取放动作；工业机械臂2根据不同的任务需求从夹具库5中选取所需要的的夹具6进行作业，通过不同夹具6的组合重构，可拓展更多的任务需求，同时，夹具6的定位销全部通用化设计；夹具库5采用模块化拼装的装配，拼接位置采用锥形销定位加蝶型螺母锁紧的方式，具备更好的拆装性和可拓展性。另外，本实施例中各装配夹具6上可分别设有唯一的二维码，上位机下发任务后，在工业机械臂2根据指令执行从夹具库5抓取装配夹具6后，需要将装配夹具先移动到视觉识别装置位置扫描二维码，扫描结果反馈上位机，确认没拿错了装配夹具6再执行后续动作，若有出入则上位机提示报警，这个主要是通过视觉识别装置识别二维码的方式实现闭环控制，避免工业机械臂2拿错装配夹具6，还有本实施例中各工装台各工装位上的工装夹具、模拟输送线7上的输送的各装配工件上也可分别设有唯一的二维码，其功能作用同上，用于扫描反馈避免拿错，实现闭环控制。

所述电气硬件模块用于实现各模块之间的通电和通讯，同样采用模块化设计的思路，包括设置在平台基座1侧边供元器件(如继电器、指示灯、电源灯、交换机、集线器、散热器、照明灯和接线、网络、电路等的元器件)布局安装布线连接的电控柜8、进行人机交互的控制面板以及布局安装在电控柜8内用于给各模块供电的电源接线单元和实现网络通讯的网络通讯单元，电控柜8内的元器件若按与机械模块的通电通讯连接区分还可包括分为工业机械臂单元、旋转工装台单元、直线模组单元、传感器单元,控制面板连接入系统,在实训平台应用时供教学操控。该模块以电控柜8为核心模块将所有模块通过电源和通讯关联在一起，电控柜8采用模块化设计思路，简化元器件布局、简化布线、减少耗材、接口及端子标准化、缩小电控柜8空间；同时，电控柜8作为底层硬件的核心模块，其抗干扰设计尤为重要，从干扰源、传输介质和敏感接收原件等因素出发，消除电磁干扰的影响，采取如屏蔽关键电气元器件、输入信号滤波、动力电源和控制电源隔离、干扰器件空间布局隔离、安装板采用镀锌板、柜门和柜体有效接地等有效措施实现对实训平台电控柜内硬件的有效保护。

所述电源单元设计遵循强弱电分离、驱动电源与控制电源分离的原则，对设备各模块进行电源分配，并对电源系统实施漏电保护、过压保护、过流保护以及过温保护等保护措施，包括交流电源子单元和交流转直流的隔离电源子单元；所述旋转工装台4的旋转机构42的电机驱动器、直线模组3的电机驱动器、模拟输送线7的电机驱动器和工业机械臂2由交流电源子单元直接供电，还有电源灯、照明灯、散热器等也可由其直接供电，具体是AC220V电源作为输入，经过断路器和模块后直接提供；所述隔离电源子单元由AC220V转DC24V的隔离电源用于低压用电器的供电，如单片机处理器、交换机、限位开关、集线器、电源灯、继电器、指示灯等。

所述嵌入式控制模块的处理器为单片机处理器(MCU)，本实施例中采用STM32单片机处理器，STM32单片机具备高能效存储扩展接口以及各种通信接口：板载光耦隔离输入，最大可支持56路输入信号；板载继电器输出，最大可支持35路输出信号；板载4路带隔离RS485通信接口、2路带2500V磁隔离CAN通讯接口、1路RS232通讯串口接口；板载2路24V电压输出、支持8～28V宽电压输入等，并以百兆以太网通讯，设计过程中将其输入输出接口和通讯接口划分为多模块并分别预留有扩展接口模块，在底层嵌入式层面实现模块化设计和可重构设计，如图5、图6和图7所示，所述工业机械臂2的气动阀接头21的气动阀、旋转工装台4的驱动器以及直线模组3的驱动器和限位开关分别连接单片机处理器，所述模拟输送线7的变频器通过集线器连接单片机处理器，本实施例中所述集线器为485HUB集线器，所述模拟输送线7的变频器与485HUB集线器的RS485通讯接口连接。

MCU负责接收上位机的任务指令，并向上位机反馈底层状态和故障信息，其在上位机与执行单元之间起到连接桥梁作用；MCU连接上位机与执行单元的模式分为两种。一种是伺服控制模式：上位机将任务指令发送至MCU中，MCU处理后将运行速度、位置增量等信息通过RS485、CAN、CANopen等通信方式发送至伺服驱动器，从而控制旋转工装台4或直线模组3电机作动。同时，MCU定时查询驱动器的状态和故障信息，并将信息反馈至上位机。MCU通过IO控制实现对气动阀门、急停开关、限位开关等传感设备的监控，并将状态信息反馈至上位机；另一种是DI/DO控制模式：上位机将任务指令发送至MCU中，MCU处理后将气动阀门开关指令、指示灯开关指令通过DO控制模式下发；MCU采用DI采集模式获取限位开关、面板控制开关等传感信息，并进行5ms软件滤波，保证DI不受干扰，处理完成后反馈至上位机。上位机根据工业机器人和嵌入式底层控制器的状态，逐步运行工件装配的工艺流程步骤，每步都需要满足相应的条件才可执行下一个流程步骤。

所述网络通讯单元以有线网络接入多接口的交换机进行网络规划，所述工业机械臂2通过最通用的交换机的以太网接口实现与上位机通讯，以太网在机器人设备之间实现多通道传输，传输速度可达到百兆级别，为机器人的快速响应奠定了基础，而旋转工装台4、直线模组3、集线器等通过单片机处理器连接交换机来与上位机通讯，单片机处理器与旋转工装台4的驱动器、直线模组3的驱动器、模拟输送线7的变频器之间的通过RS485通讯接口连接实现网络通讯，并预留有RS485扩展接口，RS485通讯可实现相对封闭区域内的数十台设备的联网集中控制，传输速度可达到十兆级别，且抗噪声干扰能力强，在非标自动化设备的电气通讯系统中应用广泛。

所述上位机通过网络通讯单元与机械模块和电气硬件模块通讯控制；所述嵌入式控制模块为基于单片机系统设计的嵌入式控制模块安装设置在电控柜内。

上述一种模块化可重构的工业机器人实训平台的重构处理方法，重构处理的方法步骤是这样的：

一、上位机接收任务出发，

二、上位机将接收到的任务对应的功能需求划分，划分包括功能分解和结构分解，得出各子模块，

三、上位机将各子模块与底层硬件相关联，工作时,上位置主要是与工业机械臂和MCU进行通讯关联,上位机的任务指令发给MCU,MCU把任务分解处理发送给各单元模块(包括电源、电气硬件、机械模块等),从而达到与底层硬件的关联

四、对各子模块与底层硬件之间的关联强弱关系进行评价，

五、关联强弱关系的评价为强关系，上位机向底层硬件发出装配任务，底层硬件接收控制指令完成控制指令动作；

所述步骤一任务的来源包括有，第一种是通过人工判断装配任务在上位机的任务库中选择出对应任务项，或者，自动识别装配件匹配出上位机的任务库中的对应任务项，第二种是自动识别装配件得出新的任务项加入上位机的任务库；

所述第二种的任务来源的方法步骤是这样的：

1.1)、通过视觉设备和/或传感设备自动识别装配件特征，获得装配件图像和/或传感数据；

1.2)、对装配件图像和/或传感数据进行模糊聚类的模块划分和评价体系的评价确定出装配件装配执行所对应的装配工具，得出执行装配任务的任务项加入上位机预设定的任务库中；

所述步骤三的各子模块与底层硬件相关联是指从任务需求再到功能模块，从功能模块再到结构硬件层的模块，一层一层的关联，特定任务需要哪些功能模块、哪些结构硬件模块来支撑完成这个任务，构建他们之间的关联，其方法步骤是这样的：

2.1)将各子模块进行关联性映射的识别，得到识别结果；

2.2)根据识别结果确定各子模块的关联性映射关系的权重系数和关联系数；重系数反应了不同指标的重要程度，权重系数的准确与否直接影响到关系矩阵的准确与否，本实施例中采用模糊层次分析法计算出权重系数。

2.3)构建模糊等价矩阵，将权重系数和关联系数代入模糊等价矩阵计算，得到耦合度数据和内聚度数据；

所述步骤四的关联强弱关系评价是这样的，根据步骤2.3)的耦合度数据和内聚度数据通过预设定的评价指标进行评价，耦合度数据和内聚度数据有大有小评价分数高的说明关联性为强关系，反之则弱关系；例如，预设定的评价相关度指标分数划分1-10十个等级，大于等于8的认为是强关联关系，某个任务与夹具库中的5号夹具分析出来的评价分数是9，那这个任务必须要用到夹具库中的5号夹具；在关联性强弱关系的计算中，应用的计算公式如下：

式中，r_ij表示第i,j模块之间的相关度，

为模块的功能相关度，

为模块的结构相关度，

为第k个结构相关度指标，i,j为各模块号，w₁为权重系数对

加以调整。

所述步骤五中关联强弱关系的评价为强关系时，即能够得到任务对应所述的功能模块，得到功能模块所需的结构模块，上位机系统从而来对要进行装配任务的任务调度重组得到最终装配任务过程，并向底层硬件发出。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (10)

1.一种模块化可重构的工业机器人实训平台，其特征在于，包括机械模块、电气硬件模块、嵌入式控制模块和上位机；

所述机械模块包括用于固定组装部件设备的平台基座以及经过位置布局安装在平台基座上的用于进行装配作业的工业机械臂、提供配件装配动作工位的工装台、用于放置多种装配夹具的夹具库和可实现变频输送装配件的模拟输送线；

所述电气硬件模块用于实现各模块之间的通电和通讯，包括供元器件布局安装布线连接的电控柜、进行人机交互的控制面板以及布局安装在电控柜内用于给各模块供电的电源接线单元和实现网络通讯的网络通讯单元；

所述上位机通过网络通讯单元与机械模块和电气硬件模块通讯控制；所述嵌入式控制模块为基于单片机系统设计的嵌入式控制模块安装设置在电控柜内。

2.如权利要求1所述的一种模块化可重构的工业机器人实训平台，其特征在于，所述工装台为具有多工装位的工位盘并且工位盘通过可带动其旋转工作的旋转机构安装设置的旋转工装台，所述工位盘上的各工装位为沿工位盘圆周布设并且各工位为不同类型工装夹具的工装位，各工装夹具上分别设有唯一的二维码。

3.如权利要求1所述的一种模块化可重构的工业机器人实训平台，其特征在于，所述夹具库为一个或呈阶梯状排列设置的多个，所述夹具库包括龙门架和并排固定安装在龙门架横梁上的多个架设板，所述架设板的一端为U型嵌入槽延伸在龙门架横梁的一侧之外，所述架设板上表面在U型嵌入槽U型两竖臂边沿上凸设有定位架设钉，所述定位架设钉的上端为锥形结构；用于进行装配的装配夹具上设有连接部，所述连接部上设有供两定位架设钉穿入定位的定位孔；所述工业机械臂的作业末端上设有供与连接部连接的气动阀连接头，各装配夹具上分别设有唯一的二维码。

4.如权利要求1所述的一种模块化可重构的工业机器人实训平台，其特征在于，所述模拟输送线包括用于输送装配的装配件的履带输送装置，导向限位架、物料盘和视觉识别装置，所述导向限位架包括设置在履带输送装置的履带两侧边的导向杆和对应设置在履带输送装置的输送方向末端的阻挡杆，所述阻挡杆的两端分别连接两导向杆的端部，所述物料盘对应两导向杆的两侧边分别设有供对应导向杆嵌入的台阶沿，所述视觉识别装置包括固定安装的支架、安装在支架上用于拍摄履带输送装置上的物料盘的视觉相机和安装在支架上的补光灯，物料盘内的各装配件上分别设有唯一的二维码。

5.如权利要求4所述的一种模块化可重构的工业机器人实训平台，其特征在于，所述工业机械臂为两台，一台在平台基座上固定位置安装，另一台通过直线模组安装在平台基座上；所述旋转工装台设有两台；所述夹具库为具有多个夹具放置工位的结构设置；两旋转工装台并排安装在平台基座上，两工业机械臂安装在两旋转工装台并排的相对两侧，所述直线模组的直线移动方向与两旋转工装台并排方向一致，所述夹具库分别对应两工业机械臂作业可及的侧边位置安装设置，所述模拟输送线在两工业机械臂作业可及的位置安装设置。

6.如权利要求1所述的一种模块化可重构的工业机器人实训平台，其特征在于，所述嵌入式控制模块的处理器为单片机处理器，所述工业机械臂的气动阀、旋转工装台的驱动器以及直线模组的驱动器和限位开关分别连接单片机处理器，所述模拟输送线的变频器通过集线器连接单片机处理器；所述电源单元包括交流电源子单元和交流转直流的隔离电源子单元，所述旋转工装台的旋转机构的电机驱动器、直线模组的电机驱动器、模拟输送线的电机驱动器和工业机械臂由交流电源子单元直接供电，所述隔离电源子单元用于低压用电器的供电；所述网络通讯单元以有线网络接入多接口的交换机进行网络规划，所述工业机械臂通过交换机的以太网接口实现与上位机通讯，所述旋转工装台、直线模组、集线器等通过单片机处理器连接交换机来与上位机通讯。

7.如权利要求6所述的一种模块化可重构的工业机器人实训平台，其特征在于，所述单片机处理器为STM32单片机处理器,将其输入输出接口和通讯接口划分为多模块并分别预留有扩展接口模块，所述集线器为485HUB集线器，所述模拟输送线的变频器与485HUB集线器的RS485通讯接口连接。

8.上述权利要求1-7任意一项的一种模块化可重构的工业机器人实训平台的重构处理方法，其特征在于，重构处理的方法步骤是这样的：

一、上位机接收任务出发，

二、上位机将接收到的任务对应的功能需求划分，划分包括功能分解和结构分解，得出各子模块，

三、上位机将各子模块与底层硬件相关联，

四、对各子模块与底层硬件之间的关联强弱关系进行评价，

五、关联强弱关系的评价为强关系，上位机向底层硬件发出装配任务，底层硬件接收控制指令完成控制指令动作。

9.如权利要求8所述的一种模块化可重构的工业机器人实训平台的重构处理方法，其特征在于，所述步骤一任务的来源包括有，第一种是通过人工判断装配任务在上位机的任务库中选择出对应任务项，或者，自动识别装配件匹配出上位机的任务库中的对应任务项，第二种是自动识别装配件得出新的任务项加入上位机的任务库；

所述第二种的任务来源的方法步骤是这样的：

1.1)、通过视觉设备和/或传感设备自动识别装配件特征，获得装配件图像和/或传感数据；

1.2)、对装配件图像和/或传感数据进行模糊聚类的模块划分和评价体系的评价确定出装配件装配执行所对应的装配工具，得出执行装配任务的任务项加入上位机预设定的任务库中。

10.如权利要求8所述的一种模块化可重构的工业机器人实训平台的重构处理方法，其特征在于，

所述步骤三的各子模块与底层硬件相关联的方法步骤是这样的：

2.1)将各子模块进行关联性映射的识别，得到识别结果；

2.2)根据识别结果确定各子模块的关联性映射关系的权重系数和关联系数；

2.3)构建模糊等价矩阵，将权重系数和关联系数代入模糊等价矩阵计算，得到耦合度数据和内聚度数据；

所述步骤四的关联强弱关系评价是这样的，根据步骤2.3)的耦合度数据和内聚度数据通过预设定的评价指标进行评价，评价分数高的说明关联性为强关系，反之则弱关系；在关联性强弱关系的计算中，应用的计算公式如下：

式中，r_ij表示第i,j模块之间的相关度，

为模块的功能相关度，

为模块的结构相关度，

为第k个结构相关度指标，i,j为各模块号，w₁为权重系数。

所述步骤五中关联强弱关系的评价为强关系时，即能够得到任务对应所述的功能模块，得到功能模块所需的结构模块，上位机系统从而来对要进行装配任务的任务调度重组得到最终装配任务过程，并向底层硬件发出。

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