RobotStudio二次开发在药瓶搬运中的应用
2022-06-27孔艳艳
孔艳艳
(闽江师范高等专科学校 机电工程系，福建 福州 350018)
在智能制造大环境下，我国医药行业产值虽然逐年增长，但是智能化低、专业人才缺口大等问题，已成为必须要解决的难题。疫情期间，许多制造类企业都在产业升级，朝着智能化方向发展。文献[1] 在药品包装自动化方面进行了研究，采用模块化结构，由PLC、触摸屏(HMI)、动力驱动装置等实现泡罩药品自动化包装；但存在包装的药品单一，无法满足市场上包装多样化的需求。文献[2-3]采用RobotStudio仿真软件搭建工作站，Smart组件动画模拟工厂产线。这2种生产线在应用行业还是智能制造，工业机器人技术人才是有储备的；但在医药行业，工业机器人的应用较少，相关技术人员更是紧缺。在这种情况下，医药包装行业即使有相应资金采购机器人，也会因为编程与调试人员的紧缺，短时间内无法通过修改机器人的RAPID程序满足包装工艺的多样性。
本文基于药瓶搬运工艺的实际生产要求，采用RobotStudio仿真软件，结合PC SDK二次开发包和Visual Studio编程软件，实现多样化药瓶搬运的二次开发，操作人员只需要在二次开发界面输入相应工艺参数，即可满足多种规格的药瓶包装，对降低操作人员的调试难度、提高包装效率的研究具有指导意义。
1 编程软件二次开发框架
RobotStudio是ABB机器人的仿真软件，它是建立在ABB虚拟控制器之上，相当于一个机器人生产运行的精确副本，能非常逼真地模拟生产运行。
ABB机器人为用户提供了大量便捷的二次开发和应用工具。对于它的二次开发，通讯模式的选择非常关键，主要的通讯方式有5种：套接字通讯(Socket)、PC SDK、消息队列RAPID Message Queue(RMQ)、Robot Web Service(RWS)、OPC Server[4]。本文采用PC SDK通讯，可以实现PC与IRC5间的通讯，主要用到其Controller API，采用逐级访问的方式，调用控制器的某个功能，实现在二次开发界面上扫描和连接机器人、轨迹规划、变量设置和事件日志等功能。RobotStudio二次开发总体框架如图1所示。
图1 RobotStudio二次开发框架
2 二次开发流程
2.1 界面设计
2.1.1 开发接口引用
要实现控制ABB机器人的前提是：在C#建立的基于.NET的二次开发窗体应用程序中引用3个动态链接库文件：ABB.Robotics.Controllers.PC.dll、Robotstudio.Services.RobApi.dll和Robotstudio.Services.RobApi.Desktop.dll。
然后，在二次开发窗体应用程序的全局变量声明中声明要使用的功能，其声明方式如下：
using ABB.Robotics;
using ABB.Robotics.Controllers;
using ABB.Robotics.Controllers.Discovery;
using ABB.Robotics.Controllers.EventLogDomain;
using ABB.Robotics.Controllers.RapidDomain ;
using ABB.Robotics.Controllers.MotionDomain;
using ABB.Robotics.Controllers.FileSystemDomain;
2.1.2 窗口布局
根据药瓶搬运的控制要求，主要包括：药瓶搬运、变量设置和事件日志3部分。其中，药瓶搬运有3个区域：控制器通讯区、轨迹规划区和目标点数据显示区。主要用到的窗体控件有：ListView、Button、DataGridView和TextBox等。在控制器通讯区，扫描控制器按钮可以搜索到现有的机器人控制器信息，并将机器人控制器信息显示在列表里。连接控制器按钮可以实现用户选择的机器人登录和注销。轨迹规划区，是根据控制要求设置取放瓶轨迹参数。目标点数据显示区，显示的是机器人工作站在轨迹规划参数设置完成后，机器人运动的坐标点。二次开发后的窗口布局如图2所示。
图2 二次开发窗体布局
2.2 PC SDK通信：数据交互
为实现二次开发系统与机器人端数据交互，机器人系统配置时，必须在通信类选项中勾选“616-1 PC Interface”选项，它是PC机上开发用户界面来控制机器人的选项。
ABB机器人使用的机器语言是RAPID，易学易用，灵活性强，包含了一连串控制机器人的指令，这些指令可以移动机器人、设置输出、读取输入等。PC SDK二次开发包不支持直接调用机器人中的运动指令，而是通过修改RAPID程序中的变量间接控制机器人。
2.3 运动流程分析
当二次开发的系统界面与机器人端实现了数据交互，就可以用Robotstudio预编写的RAPID程序完成药瓶搬运的任务。
2.3.1 目标点位姿数据
对ABB机器人来说，其运动轨迹是由若干个目标点按次序连线组成，即
CONSTrobtargetputini:=
目标点数据类型由4部分组成：trans、rot、robconf和extax。其中：trans组件表示工具中心点TCP(Tool Center Point)的位置；rot组件表示当前点位时工具姿态；robconf组件表示机械臂的轴配置； extax组件表示附加轴的位置。
rot即机器人姿态采用四元数来表示，是为了避免机器人姿态运动学方程在大角度时出现奇异现象。四元法是实数和复数以及三维空间点矢量的扩充。其表达式为
q=q4+q1i+q2j+q3k，
(2)
对于Z-Y-X变换，转换表达式为
(3)
展开得
式中：α、β、γ分别为绕Z、Y、X轴的旋转角。
2.3.2 流程图
近年来，持续稳产的原油量使得已经饱和的油田电网负荷越来越大，每年油田电网的变电站数量不断增加，导致传统的油田电网模式已经不能适应，因此，需要拥有智能化、信息化、数字化和自动化的全新管理模式来提高工程效率，降低工程成本。采用智能变电站技术不仅可以实现油田电网无人值守、进一步推行电网调度变自动化，在调整管理模式后，有效减少岗位用工紧张问题。另一方面，因为油田电网规模的不断扩大，全面检修工作量不断增大，也很难保证质量，利用自动化的变电站技术后，科学的对停电时间进行设定，打造可靠、坚强的供电电网，提升油气生产供电工程。
药瓶搬运流程如图3所示，由主程序(main)、PC SDK通讯、初始化子程序、算法子程序和运行轨迹子程序等组成。
图3 药瓶搬运流程
3 虚拟仿真
3.1 布局仿真工作站
药瓶包装工作站所需要的模型由SOLIDWORKS建模，并保存后缀名为*.step格式，导入到RobotStudio仿真环境下。按要求布局的工作站如图4所示，主要包括ABB IRB120机器人、传感器、药盒、药瓶、药瓶分拣输送链、药盒输送链以及光栅报警装置等。
1—ABB IRB120机器人；2—传感器；3—光栅报警装置； 4—药瓶分拣输送链；5—药瓶；6—药盒；7—药盒输送链图4 仿真工作站布局
3.2 创建工具和工件坐标系
在仿真软件下，建立工具坐标系，目的是将工具坐标系置于真空吸盘的中心处，便于机器人工作过程中TCP的姿态调整。在对应的吸盘工具坐标系下，创建工件坐标系，采用的是三点法，确定坐标系原点、X正方向和Y正方向，再根据右手定则判断Z正方向。
3.3 Smart组件创建动态效果
1) 创建动态输送链。
建立输送Smart组件(sc-infeeder)，所需要的组件有：Source、Queue、PlaneSensor和LogicGate[NOT]。其工作流程为：启动信号(start)置1，触发1次Source，使其产生1个药瓶(YP)复制品。产生的药瓶复制品自动加入到设定好的队列Queue中，则药瓶复制品随着Queue一起沿着输送链运动。药品复制品到达输送链末端，触发面传感器(PlaneSensor)，退出队列Queue，并将产品到位信号do_ok置1。通过非门的中间连接，实现当药瓶被机器人搬运走后，自动触发Source再产生1个药瓶复制品，进入下一个循环。IO设置如表1所示。
表1 输送链组件 I/O连接
2) 创建动态吸盘工具。
吸盘Smart组件是仿真吸盘工具，实现吸放动作，需要的子组件有：LineSensor、Attacher、Detacher、LogicGate[NOT]和LogicSRLatch，如图5所示。
图5 吸盘Smart组件
3.4 工作站逻辑设定
完成Smart组件的动态效果后，需要设定Smart组件与机器人端的信号通信，才能实现药瓶搬运的仿真动画[5]。图6是工作站的逻辑设定，其工作流程为：发出启动输送链信号，药瓶传送；药瓶到位后，机器人开始运动；机器人到达抓取点，Y4置1，并将信号传送给Smart-xipan的输入INY4，吸盘吸取药瓶；机器人到达放置点，Y4置0，吸盘放下药瓶。信号传送给机器人输入X1，等待下一次运行指令。
图6 工作站逻辑设定
3.5 仿真轨迹优化
1) 合理规划目标点。首先，目标点运动指令的选择遵循：不需要保证直线运动的路径，尽量用MoveJ指令代替MoveL指令。抓放点前后的非作业点，不仅要使用MoveJ指令，还要统一使用较大的转弯半径，减少转角时的速度衰减。其次，在保证安全的前提下，尽量减少中间过渡点、合理选择安全点到取放瓶点间距。
2) 调整机器人位姿。在保证避开奇异点的情况下，以最少的关节运动到达目标点。
3) 合理使用延时指令。在IO信号与运动指令之间，适当增加延时指令，保证抓放的准确率。
经过优化和反复调试，1个药瓶搬运轨迹可缩短4.5 s。仿真结果表明，这种优化方法是可行的，可以在有限的时间内，规划出相对合理的工艺路线。
4 调试验证
完成药瓶搬运的二次开发后，验证仿真结果。首先，在机器人仿真示教器中，打到“自动模式”档，加载二次开发的窗体。在出现如图7(a)所示运行界面下，扫描控制器，选中需要连接的控制器，一键连接，出现“登录成功”提示。然后，就可以按要求的药瓶和药盒尺寸，规划相应的运动轨迹。如图7(b)所示，在机器人运动过程中，RobotStudio会监控机器人的位姿和IO信号，可根据运动要求和输出的事件日志，调整相应参数。如图7(c)所示，经过反复验证：仿真环境与现场环境虽然有误差，但通过编辑工具和工件坐标系，纠正仿真与现场之间的误差，并不影响规定尺寸药盒的包装；抓放瓶准确率高。
(a) 窗体运行
(b) 抓取药瓶点运动
(c) 放置药瓶点运动图7 二次开发仿真调试验证
5 结语
本文以药瓶搬运工艺为例，阐述了RobotStudio二次开发的思路及开发过程。通过二次开发，可以将工业机器人编程过程中的繁琐部分智能化，有效缩短了调试周期，降低操作员操作难度的同时，增加产线柔性。经现场验证：准确率高，操作简单，效率高，完全满足企业生产实际需求，对实现医药包装的智能化发展具有一定的参考意义。
