CN113433904A - 一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能制造设备技术领域，具体涉及一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台及其使用方法，其包括工作台以及均设置工作台上的多个相互独立的功能模块，包括管理调度模块、自动上下料模块、传动运输模块、定制加工模块、智能仓储模块、虚拟教学模块，所述自动上下料模块、传动运输模块、定制加工模块、智能仓储模块、虚拟教学模块均与管理调度模块信号相连；各模块可单独实验教学，也可集成为大模块综合实验教学；采用虚实结合的方式，突破时空局限，使教师、学生随时随地可进行智能制造相关知识和操作学习，能够满足个性化、特殊性的教学需求。

Description

一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台及其使 用方法

技术领域

本发明涉及智能制造设备技术领域，具体涉及一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台。

背景技术

近年来，各企业设备维护、维修和管理类设备保全人才普遍存在数量不足、综合技能不强等问题，出现了设备发展和技能型人才脱节，企业“将军难打无兵之仗”的现象，智能制造生产的应用与维护技能人才的需求尤为突出。同时，制造业人才培养与企业实际需求脱节，产教融合不够深入、工程教育实践环节薄弱，学校和培训机构基础能力建设滞后，这使得一批普通本科高校向应用技术型高校转型。然而智能制造设备数量不足，一般仅用于参观示范，且由于受时间、人力、物力、财力的限制，学生动手实践的机会并不多，教学效果不佳；另外现有的智能产线只有单一的加工逻辑，无法组装、拆卸成不同的教学模块，学生无法学习到完整系统的智能制造知识。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台：

1、可以实现模块化架构，各模块可单独实验教学，也可集成为大模块，实现综合实验教学；

2、可以虚实结合，突破时空局限，使教师、学生随时随地可进行智能制造相关知识和操作学习，能够满足个性化、特殊性的教学需求。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台，所述的智能机器人综合实验教学平台包括工作台以及均设置在工作台上的相互独立的功能模块，功能模块包括管理调度模块、自动上下料模块、传动运输模块、定制加工模块、智能仓储模块、虚拟教学模块，所述自动上下料模块、定制加工模块、传动运输模块、智能仓储模块、虚拟教学模块均与管理调度模块实现信号相连。

进一步地，所述管理调度模块包含扫描仪、工业MES(制造执行系统，ManufacturingExecutionSystem)系统、监控显示屏、中控电脑，所述扫描仪将所扫描数据上传至中控电脑，所述工业MES系统安装于中控电脑，平台基于工业MES系统下单调度，接收自定义订单，进行个性化生产，工业MES系统批量采集、分析数据并将数据传输到监控显示屏进行展示，其中工业MES系统结合RFID(射频识别，Radio Frequency Identification)读写器，实时跟踪生产进度，并进行生产进度管理，实时监控生产进度和作业状态，及时发现故障和问题，其中监控显示屏可虚拟显示加工过程和立体仓库状态，使得信息显示更加清晰、透明。

进一步地，所述自动上下料模块包括上料四轴机器人、下料四轴机器人、原料盒、传送带、PLC控制器、RFID读写器、视觉检测设备，所述原料盒放置于所述上料四轴机器人附近，所述RFID读写器安装于上料四轴机器人、下料四轴机器人的输出端，用于实施；上料四轴机器人、下料四轴机器人用于原料的上下料；所述PLC控制器安装于工作台上并用于控制所述四轴机器人工作；传送带用于传送上料四轴机器人挑选的原料。

进一步地，所述传动运输模块包括AGV(自动导引运输车，AutomatedGuidedVehicle)运输通道和AGV小车，所述AGV运输通道铺设磁带，通过对导引磁感应信号的识别来实现AGV小车的导引，所述AGV小车包括车体、设于所述车体顶部的用于放置原料的储物槽及驱动机构，所述车体底部设有RFID读写器，所述AGV运输通道设有RFID标签，所述驱动机构设有直流电机和驱动轮，所述驱动轮上固定连接有齿轮，所述直流电机与齿轮间通过齿轮轴传动连接，其中AGV小车不仅承担上料四轴机器人、下料四轴机器人的搬运、六轴机器人加工、智能仓储之间的运输，还能运输质量过关的成品给用户。

进一步地，所述定制加工模块包括六轴机器人、六轴机器人导轨、PLC控制器、RFID读写器、视觉检测设备、激光内雕机、激光雕刻机，所述六轴机器人导轨安装于工作台上，所述RFID读写器安装于六轴机器人的输出端，所述PLC控制器安装于工作台上并用于控制所述六轴机器人工作，所述激光内雕机和激光雕刻机相邻，其中机器人导轨用于带动六轴机器人来回于系统各个加工工位之间，与六轴机器人组成一个灵活上下料智能作业装置，其中用PLC控制激光内雕机完成在原料内部的雕刻人脸或手掌的加工，用PLC控制激光雕刻机完成在原料外表面的用户姓名或名言雕刻的加工，实现了个性化定制，更具特色。

进一步地，所述视觉检测设备包括光源、工业相机、光学镜头、图像采集卡及计算机终端，光源用于照亮目标，提高亮度，克服环境光干扰，形成有利于图像处理的效果；工业相机用于将光信号转换成有序的电信号；光学镜头用于光学成像；图像采集卡及计算机终端用于对相机信号进行A/D转换，完成图像处理；视觉检测设备能够对静态原料的颜色、形状识别抓取模块可以实现从原料盒中正确识别用户选取的原料，其中原料质量检测模块可以实现确保原料质量，避免后续加工产生问题。

进一步地，所述智能仓储模块包括立体仓库货架、巷道堆垛机、立体仓库管理系统，所述立体仓库货架设有物料传感器、RFID读写器，所述巷道堆垛机设有可前后伸缩的双向货叉、堆垛机控制器，所述堆垛机控制器设有PLC控制器、交流伺服电机，物料传感器用于检测货架占用情况；RFID读写器用于货物信息读取；可前后伸缩的双向货叉用于快速存放或取出仓库中任意库位的货物；堆垛机控制器用于控制堆垛机完成上位机指令；PLC控制器用于控制交流伺服电机；交流伺服电机用于定位货叉位置并驱动货叉工作；

智能立体仓库管理系统可立体存放加工成品并实现物流追溯管理，其中巷道堆垛机通过合理区域规划能够有效堆垛码放。

进一步地，所述虚拟教学模块包括三维仿真系统、学生操作端、控制平台和教师评价端，所述学生操作端设有VR眼镜、操作工具和存储设备，所述三维仿真系统、学生操作端、控制平台和教师评价端通过物联网连接，三维仿真系统用于建立智能机器人教学平台的三维场景，VR眼镜用于显示所述的三维仿真场景，操作工具用于数据的输入，存储设备将学生经历的三维场景及数据的输入作为学生实习任务进行保存，控制平台用于根据学生操作端的权限及教学目的，选择性的将所述的三维场景中的部分展现到对应的学生操作端，教师评价端用于调用学生操作端所存储的实习任务，根据学生输入的数据进行打分和评价，基于虚拟现实技术和网络协同技术，将MES系统中的实际运作的数据通过虚拟场景在PC端展示出来，突破时空局限，使得教师、学生能随时随地进行虚拟操作和学习。

一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台的使用方法，其方法包括以下步骤：

S1.扫描仪扫描用户人脸或手掌，同时用户在终端设备输入个人信息，如名字或名句，并选择原料的形状和颜色，实现“个性化定制”功能，将扫描数据和个人信息传送到中控电脑，实现“远程下单”功能；

S2.工业MES系统根据中控电脑中接收到的数据进行生产调度；

S3.根据用户选择的原料，上料四轴机器人根据自动上下料模块的视觉检测设备从原料盒中检测出质量好且正确的原料；

S4.根据中控电脑的信号控制，AGV小车到达起点位置，下料四轴机器人把传送带上原料搬运至AGV小车用于放置原料的储物槽中；

S5.AGV小车沿着AGV运输通道铺设的磁带来到定制加工模块，六轴机器人抓取原料，并放置在激光内雕机相应的“内雕”位置，根据人脸或手掌扫描数据进行“内雕”；

S6.“内雕”完成后，六轴机器人沿六轴机器人导轨把加工后的原料搬运至激光雕刻机相应的“打标”位置，根据用户输入的个人信息进行“打标”；

S7.“打标”完成后，若用户选择购买成品，六轴机器人沿六轴机器人导轨将加工后的原料搬运到AGV小车上，AGV小车沿着磁带将成品运送到用户处，此时，成品可由用户拿走；

S8.若用户选择不购买成品，六轴机器人将成品放置于立体仓库货架的成品区，完成一轮成品的生产制造。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

(1)本发明提出的一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台采用模块架构，每一个模块可单独教学应用也可集成为大模块，可独立开发完成实验教学，也可集成组成大的教学方案，针对不同的加工工艺逻辑，甚至搭建出一套完整的智慧工厂系统，实现综合教学，另外也可以通过智能工厂自动化系统、工业MES系统、互联网平台分平台实验教学。

(2)本发明提出的一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台集成度高，占地面积小，易维护，产品均采用常用的工业化机器人、伺服系统、示教系统等，低功耗，无开发危险性，且产品可组装、可拆卸，无需额外的维护成本。

(3)本发明提出的一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台采用VR技术，按1:1实现了数值化和虚拟操作和学习，突破时空局限，使教师、学生能在任何时候、任何地点都能学习智能制造相关的知识和操作。

附图说明

图1为本发明的一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台的结构示意图。

图2为本发明的一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台的功能示意图。

图中：1工作台、2管理调度模块、3自动上下料模块、4传动运输模块、5定制加工模块、6视觉检测设备、7智能仓储模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。实施例1：

本发明提供了一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台，如图1所示，其包括工作台1以及均设置工作台上的多个相互独立的功能模块，包括管理调度模块2、自动上下料模块3、传动运输模块4、定制加工模块5、智能仓储模块7、虚拟教学模块，所述自动上下料模块、定制加工模块、传动运输模块、智能仓储模块、虚拟教学模块均与管理调度模块信号相连。

管理调度模块2包含扫描仪、工业MES系统、监控显示屏1、中控电脑，其中扫描仪扫描用户人脸或手掌，同时用户在终端设备输入个人信息，如名字或名句，并选择原料的形状和颜色，终端设备可以是手机、PC机、平板电脑等，将这些数据上传至中控电脑，进行个性化下单；其中工业MES系统安装于中控电脑，平台基于MES系统下单调度，接收自定义订单，进行个性化生产，MES系统批量采集、分析数据并将数据传输到监控显示屏进行展示，工业MES系统紧密结合RFID系统，实时跟踪生产进度，并进行生产进度管理，实时监控生产进度和作业状态，及时发现故障和问题；监控显示屏可虚拟显示加工过程和立体仓库状态，其中“内雕”和“打标”过程可通过智能相机全程拍摄，播放于显示屏上，也可通过Unity3D实现虚拟化或数字化，将虚拟化的成品加工过程在大屏幕上显示，使得信息显示更加清晰、透明。

自动上下料模块3设有上料四轴机器人、下料四轴机器人、原料盒、传送带、PLC控制器、RFID读写器、视觉检测设备6，其中原料盒放置于上料四轴机器人附近；其中上料四轴机器人配合视觉检测设备6从原料盒中根据颜色或形状识别出用户所需的原料，并放置于传送带上，下料四轴机器人将传送带上原料搬运至AGV小车上；其中RFID读写器安装于四轴机器人的输出端，向系统写入本模块的产品工艺信息；其中PLC控制器安装于工作台上并用于控制所述四轴机器人工作。

传动运输模块4设有AGV运输通道和AGV小车，其中AGV运输通道铺设磁带，通过对导引磁感应信号的识别来实现AGV小车的导引；其中AGV小车包括车体、设于所述车体顶部的用于放置原料的储物槽及驱动机构，车体底部设有RFID读写器，运输通道设有RFID标签，向系统写入本模块的产品工艺信息；其中驱动机构设有直流电机和驱动轮，驱动轮上固定连接有齿轮，直流电机与齿轮间通过齿轮轴传动连接；AGV小车有专门的路径规划软件，可通过AGV路径规划软件进行运行路线设定，可实现与AGV管理软件的无线实时传输，运行中系统管理软件可实时监控到AGV小车的状态信息；AGV小车不仅承担四轴机器人搬运、六轴机器人加工、智能仓储之间的运输，还能运输质量过关的成品给用户。

定制加工模块5设有六轴机器人、机器人导轨、PLC控制器、RFID读写器、视觉检测设备6、激光内雕机、激光雕刻机，其中六轴机器人导轨安装于工作台上，机器人导轨用于带动六轴机器人来回于系统各个加工工位之间，与六轴机器人组成一个灵活上下料智能作业装置；其中RFID读写器安装于六轴机器人的输出端，向系统写入本模块的产品工艺信息；其中PLC控制器安装于工作台上并用于控制所述六轴机器人工作；激光内雕机和激光雕刻机相邻，其中用PLC控制激光内雕机完成在原料内部的雕刻人脸或手掌的加工，用PLC控制激光内雕机完成在原料外表面的用户姓名或名言雕刻的加工，实现了个性化定制，更具特色。

视觉检测设备6包括对静态原料的颜色、形状识别抓取模块和原料质量检测模块，视觉检测设备6设有光源、工业相机、光学镜头、图像采集卡及计算机终端；其中对静态原料的颜色、形状识别抓取模块可以实现从原料盒中正确识别用户选取的原料；其中原料质量检测模块可以实现确保原料质量，避免后续加工产生问题，原料质量检测模块主要是对原料表面进行缺陷检测，如裂纹、损伤和渣状包裹体，若检测出为不合格原料将重新选取原料。

智能仓储模块7设有立体仓库货架、巷道堆垛机、立体仓库管理系统，其中立体仓库货架设有物料传感器、RFID读写器；其中巷道堆垛机设有可前后伸缩的双向货叉、堆垛机控制器；其中堆垛机控制器设有PLC控制器、交流伺服电机；其中智能立体仓库及管理系统可立体存放加工成品并实现物流追溯管理；巷道堆垛机通过合理区域规划能够有效堆垛码放。

虚拟教学模块设有三维仿真系统、学生操作端、控制平台和教师评价端，其中学生操作端设有VR眼镜、操作工具和存储设备，三维仿真系统、学生操作端、控制平台和教师评价端通过物联网连接；其中三维仿真系统用于建立智能机器人教学平台的三维场景；其中VR眼镜用于显示所述的三维仿真场景，操作工具用于数据的输入，存储设备将学生经历的三维场景及数据的输入作为学生实习任务进行保存；其中控制平台用于根据学生操作端的权限及教学目的，选择性的将所述的三维场景中的部分展现到对应的学生操作端；其中教师评价端用于调用学生操作端所存储的实习任务，根据学生输入的数据进行打分和评价；基于虚拟现实技术和网络协同技术，将MES系统中的实际运作的数据通过虚拟场景在PC端展示出来，突破时空局限，使得教师、学生能随时随地进行虚拟操作和学习。

一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台的使用方法，其方法运行流程如图2所示：

S1.扫描仪扫描用户人脸或手掌，同时用户在终端设备输入个人信息，如名字或名句，并选择原料的形状和颜色，实现“个性化定制”功能，将扫描数据和个人信息传送到中控电脑，实现“远程下单”功能；

S2.MES系统根据中控电脑中接收到的数据进行生产调度；

S3.根据用户选择的原料，上料四轴机器人根据视觉检测设备6从原料盒中检测出质量好且正确的原料；

S4.根据中控电脑的信号控制，AGV小车到达起点位置1，下料四轴机器人把传送带上原料搬运至AGV小车用于放置原料的储物槽中；

S5.AGV小车沿着铺设的磁带来到定制加工模块，也就是AGV小车位置2，六轴机器人在位置1从AGV小车上抓取原料，并放置在激光内雕机相应的“内雕”位置，根据人脸或手掌扫描数据进行“内雕”；

S6.“内雕”完成后，六轴机器人把加工后的原料搬运至激光雕刻机相应的“打标”位置，也就是六轴机器人位置2，根据用户输入的个人信息进行“打标”；

S7.“打标”完成后，若用户选择购买成品，六轴机器人将加工后的原料搬运到AGV小车上，AGV小车沿着磁带将成品运送到用户处，即AGV小车位置5，此时，成品可由用户拿走；

S8.若用户选择不购买成品，六轴机器人移动至六轴机器人位置3，将成品放置于立体仓库货架的成品区，完成一轮成品的生产制造。

Claims (2)

1.一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台，其特征在于，所述的智能机器人综合实验教学平台包括工作台以及均设置在工作台上的相互独立的功能模块，功能模块包括管理调度模块、自动上下料模块、传动运输模块、定制加工模块、智能仓储模块、虚拟教学模块，所述自动上下料模块、定制加工模块、传动运输模块、智能仓储模块、虚拟教学模块均与管理调度模块实现信号相连；

所述管理调度模块包含扫描仪、工业MES系统、监控显示屏、中控电脑，所述扫描仪将所扫描数据上传至中控电脑，所述工业MES系统安装于中控电脑，平台基于工业MES系统下单调度，接收自定义订单，进行个性化生产，工业MES系统批量采集、分析数据并将数据传输到监控显示屏进行展示，其中工业MES系统结合RFID读写器，实时跟踪生产进度，并进行生产进度管理，实时监控生产进度和作业状态，及时发现故障和问题，其中监控显示屏可虚拟显示加工过程和立体仓库状态，使得信息显示更加清晰、透明；

所述自动上下料模块包括上料四轴机器人、下料四轴机器人、原料盒、传送带、PLC控制器、RFID读写器、视觉检测设备，所述原料盒放置于所述上料四轴机器人附近，所述RFID读写器安装于上料四轴机器人、下料四轴机器人的输出端，用于实施；上料四轴机器人、下料四轴机器人用于原料的上下料；所述PLC控制器安装于工作台上并用于控制所述四轴机器人工作；传送带用于传送上料四轴机器人挑选的原料；

所述传动运输模块包括AGV运输通道和AGV小车，所述AGV运输通道铺设磁带，通过对导引磁感应信号的识别来实现AGV小车的导引，所述AGV小车包括车体、设于所述车体顶部的用于放置原料的储物槽及驱动机构，所述车体底部设有RFID读写器，所述AGV运输通道设有RFID标签，所述驱动机构设有直流电机和驱动轮，所述驱动轮上固定连接有齿轮，所述直流电机与齿轮间通过齿轮轴传动连接，其中AGV小车不仅承担上料四轴机器人、下料四轴机器人的搬运、六轴机器人加工、智能仓储之间的运输，还能运输质量过关的成品给用户；

所述定制加工模块包括六轴机器人、六轴机器人导轨、PLC控制器、RFID读写器、视觉检测设备、激光内雕机、激光雕刻机，所述六轴机器人导轨安装于工作台上，所述RFID读写器安装于六轴机器人的输出端，所述PLC控制器安装于工作台上并用于控制所述六轴机器人工作，所述激光内雕机和激光雕刻机相邻，其中机器人导轨用于带动六轴机器人来回于系统各个加工工位之间，与六轴机器人组成一个灵活上下料智能作业装置，其中用PLC控制激光内雕机完成在原料内部的雕刻人脸或手掌的加工，用PLC控制激光雕刻机完成在原料外表面的用户姓名或名言雕刻的加工，实现了个性化定制，更具特色；

所述视觉检测设备包括光源、工业相机、光学镜头、图像采集卡及计算机终端，光源用于照亮目标，提高亮度，克服环境光干扰，形成有利于图像处理的效果；工业相机用于将光信号转换成有序的电信号；光学镜头用于光学成像；图像采集卡及计算机终端用于对相机信号进行A/D转换，完成图像处理；视觉检测设备能够对静态原料的颜色、形状识别抓取模块可以实现从原料盒中正确识别用户选取的原料，其中原料质量检测模块可以实现确保原料质量，避免后续加工产生问题；

所述智能仓储模块包括立体仓库货架、巷道堆垛机、立体仓库管理系统，所述立体仓库货架设有物料传感器、RFID读写器，所述巷道堆垛机设有可前后伸缩的双向货叉、堆垛机控制器，所述堆垛机控制器设有PLC控制器、交流伺服电机，物料传感器用于检测货架占用情况；RFID读写器用于货物信息读取；可前后伸缩的双向货叉用于快速存放或取出仓库中任意库位的货物；堆垛机控制器用于控制堆垛机完成上位机指令；PLC控制器用于控制交流伺服电机；交流伺服电机用于定位货叉位置并驱动货叉工作；

智能立体仓库管理系统可立体存放加工成品并实现物流追溯管理，其中巷道堆垛机通过合理区域规划能够有效堆垛码放；

所述虚拟教学模块包括三维仿真系统、学生操作端、控制平台和教师评价端，所述学生操作端设有VR眼镜、操作工具和存储设备，所述三维仿真系统、学生操作端、控制平台和教师评价端通过物联网连接，三维仿真系统用于建立智能机器人教学平台的三维场景，VR眼镜用于显示所述的三维仿真场景，操作工具用于数据的输入，存储设备将学生经历的三维场景及数据的输入作为学生实习任务进行保存，控制平台用于根据学生操作端的权限及教学目的，选择性的将所述的三维场景中的部分展现到对应的学生操作端，教师评价端用于调用学生操作端所存储的实习任务，根据学生输入的数据进行打分和评价，基于虚拟现实技术和网络协同技术，将MES系统中的实际运作的数据通过虚拟场景在PC端展示出来，突破时空局限，使得教师、学生能随时随地进行虚拟操作和学习。

2.权利要求1所述的一种适用于虚实结合的智能机器人综合实验教学平台的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.扫描仪扫描用户人脸或手掌，同时用户在终端设备输入个人信息，如名字或名句，并选择原料的形状和颜色，实现“个性化定制”功能，将扫描数据和个人信息传送到中控电脑，实现“远程下单”功能；

S2.工业MES系统根据中控电脑中接收到的数据进行生产调度；

S3.根据用户选择的原料，上料四轴机器人根据自动上下料模块的视觉检测设备从原料盒中检测出质量好且正确的原料；

S4.根据中控电脑的信号控制，AGV小车到达起点位置，下料四轴机器人把传送带上原料搬运至AGV小车用于放置原料的储物槽中；

S5.AGV小车沿着AGV运输通道铺设的磁带来到定制加工模块，六轴机器人抓取原料，并放置在激光内雕机相应的“内雕”位置，根据人脸或手掌扫描数据进行“内雕”；

S6.“内雕”完成后，六轴机器人沿六轴机器人导轨把加工后的原料搬运至激光雕刻机相应的“打标”位置，根据用户输入的个人信息进行“打标”；

S7.“打标”完成后，若用户选择购买成品，六轴机器人沿六轴机器人导轨将加工后的原料搬运到AGV小车上，AGV小车沿着磁带将成品运送到用户处，此时，成品可由用户拿走；

S8.若用户选择不购买成品，六轴机器人将成品放置于立体仓库货架的成品区，完成一轮成品的生产制造。

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