基于RobotStudio的教学示教板设计与应用

叶元杰

（广州城市职业学院 机电工程学院，广东 广州510405）

随着先进制造业的发展，工业机器人应用领域不断扩大。为满足市场相关人才需求，职业院校相关专业已广泛开设工业机器人课程。但工业机器人实训设备昂贵，维修维护成本高，工业机器人仿真软件的教学应用使学生可在电脑上完成工业机器人操作、编程、调试相关实训内容。仿真软件不仅有效减少了教学成本，也提高了人员和设备的安全性［1］。

当前，ABB工业机器人是国内主流应用产品之一，其配套的RobotStudio软件是重要的工业机器人仿真软件。基于该软件，能够搭建工业机器人工作站及其工业现场环境的模型，实现离线编程对机器人的工作路径控制及操作。而工业机器人Smart组件设计是搭建工业机器人工作站的设计难点和设计重点。Smart组件设计功能繁杂，逻辑关系不够直观，因此设计新的教学方法，研究新的教学手段显得尤为必要［2－3］。

一、RobotStudio软件教学难点

在RobotStudio仿真软件中，Smart组件能赋予几何模型或机械结构设备属性、信号连接、逻辑关系等，实现几何模型或机械结构根据外部信号进行动态仿真的功能。Smart组件是一系列功能组件的统称，其中包含信号与属性、参数建模、传感器、动作、本体、控制器、物理等多种类别［4］。

Smart组件设计过程：首先是通过软件建模功能绘制几何结构，导入机器人模型；其次选取Smart组件种类，关联几何结构；最后设计属性连接表、信号连接表将Smart组件彼此关联，形成逻辑关系。

Smart组件设计难点：软件中共有67种Smart组件，130种组件连接方式。每种Smart组件对应不同的连接方式，在同一项目里每种组件都可以和其他组件同时产生6至9种连接［5］。

如图1案例所示，源对象 “LineSensor” 是一种Smart组件，表示 “检测是否有任何对象与线段相交” 功能，其源信号 “SensorOut” 表示该Smart组件I/O信号，表示 “检测输出信号” 。目标对象 “QueueBuffer” 是另一种Smart组件，表示 “为对象的队列，可作为组操纵” ，其目标信号 “Enqueue” 表示 “添加后面的对象到队列中” 。从源信号到目标信号可表示 “检测对象加入到队列中进行统一操控” 的逻辑关系。

图1 Smart组件连接表案例

对于学生而言，Smart组件功能类似而不易区分，组件连接方式较多而容易混淆。在设计较为复杂的工业机器人工作站时，排查错误也较为困难。

二、教学示教板的设计思路

教学示教板基本思路是将每种Smart组件所对应的属性类别和信号类别组合成单一模块，由表格式的建立连接关系转变为模块化的建立连接关系。

以 “LinSensor” 组件为例，说明教学示教板设计思路。 “LinSensor” 组件是Smart组件之一，主要功能是仿真模拟传感器功能。 “LinSensor” 属性类别包含Start、End、Radius、Sensedpart、SensedPoint； “LinSensor” 的信号类别包含输入Active，输出Sen⁃sorOut。因此，LinSensor组件共有7个连接点可与其他组件发生逻辑关联。现将7个连接点整合成一个模块，如图2所示。

图2 单向运动传送带模块化设计样例

Smart组件整合成模块后，Smart组件的设计方法由原先的属性连接、信号连接转变成模块连接。以单向运动传送带的设计为例，单向运动传送带一般包括Source组件、LinearMover组件、Lin⁃Sensor组件、Queue组件。LinSensor组件感知外加信号，Source组件实现自动复制传送带工件，Queue组件实现工件组成队列，LinearMover组件实现队列沿固定直线运动。原有的设计方法包含数十条属性连接和信号连接，需要定义或选择每一个组件下方的属性或信号，连接至其他组件的属性或信号。经过模块化设计，现转变为几个组件之间的连接。

模块化设计方法与软件功能结合后，实现优化设计过程，简化逻辑层次的目的。有利于学生快速地掌握复杂的组件设计步骤，同时也辅助教师表达教学内容。

三、教学示教板的结构介绍

基于以上设计思路，教学示教板共包含输入端口、输出端口、启动开关、6块手写板、6组接线端子、6组属性提示灯、6组信号提示灯、端子连接线以及相关配套部件，如图3所示。

图3 教学示教板结构示意图

“手写板” 在教学示教板的中心位置。 “手写板” 可根据仿真内容，书写Smart组件的名称、属性类别以及信号类别。根据教学示教板上的 “手写板” 的摆放顺序，清晰表达Smart组件之间的前后逻辑关系。

其中， “属性提示灯” 在 “手写板” 上方左右布置，每个 “属性提示灯” 配置一个 “接线端子” ， “接线端子” 可插入导线，实现电信号传递。当 “手写板” 之前连接上导线后，可展示Smart组件属性之间的传递连接关系。

“信号提示灯” 在 “手写板” 下方左右布置，每个 “信号提示灯” 配置一个 “接线端子” ， “接线端子” 可插入导线，实现电信号传递。当 “手写板” 之前连接上导线后，可展示Smart组件信号之间的传递连接关系。

“输入端口” 与 “输出端口” 模拟整体项目对外的信号传递，做提示类作用。同时， “输入端口” 在教学示教板中做供电端，带36V电压，为各类信号灯提供电源。

Smart组件示教板的电气部分包含漏电保护器、断路器、熔断器、各接线端子以及信号灯等部件，如图4所示。电气部分较为简单，主要包含对各接线端子、信号灯的连接控制。其中，各组内接线端子与信号灯相互串联，每组接线端子相互并联，并通过保护电器对Smart组件示教板进行漏电、短路等保护。

图4 教学示教板电气原理图

四、教学示教板的应用案例

以RobotStudio “单向运动传送带” 仿真项目中教学示教板的应用过程为例。教学示教板的应用过程与教学过程深度结合，共分以下5个步骤。

第一步， “单向运动传送带” 仿真项目共涉及Source组件、LinearMover组件、LinSensor组件、Queue组件，授课过程中首先讲解这4种Smart组件的功能，之后在教学示教板中 “手写板” 上按顺序写上4种Smart组件名称。依据顺序，帮助学生掌握组件之间逻辑关系。

第二步， “单向运动传送带” 仿真项目会应用到Source组件的 “copy” 属性，以及Queue组件的 “back” 属性。在 “手写板” 上对应位置写上属性名称，并通过导线连接两种属性。实现复制并加入队列的功能。

第三步， “单向运动传送带” 仿真项目会应用到Source组件 “Executed” 信号以及Queue组件的 “En⁃queue” 信号。在 “手写板” 上对应位置写上信号名称，并通过导线连接两种信号，实现复制并触发队列动作的功能。以此类推，实现其他信号的连接。

第四步，导线连接完毕后，教学示教板通电。根据信号灯的提示，观察信号关联是否正确，初步验证设计是否合理。

第五步，通过教学示教板上的导线连接，在RobotStudio中建立属性连接表与信号连接表。

教学示教板的应用案例效果如图5所示，其作用的核心在于梳理设计步骤，简化设计逻辑，便于教学过程的展示。

图5 教学示教板应用案例

五、教学示教板应用效果反馈

教学示教板已应用于相关专业中 “工业机器人离线编程与仿真” 等课程。该教学工具在解决课程教学重难点问题时，发挥显著作用。其创新性与实用性主要体现在以下几个方面：

对于教师而言，讲解过程易于展示。传统软件教学课程以 “软件界面操作演示” 作为教学手段，不利于展开设计过程的讨论，教学示教板有利于营造课堂氛围，增加师生交流。

对于学生而言，学习过程逻辑更为清晰。教学示教板的应用有利于学生以团队形式进行小组任务完成，并能对Smart组件的应用过程由 “整体” 到 “局部” 的学习顺序，更为高效地掌握教学重难点。

对于设计过程而言，教学示教板提供了实体平台，使得Smart组件设计过程便于修改和更新。同时有利于排查故障错误，通过信号灯可观察属性和信号是否正确连接。

综上，教学示教板尝试由 “计算机界面” 向 “实体界面” 转型，在同类型工业软件教学中具备一定推广价值，对同类型软件课程均有借鉴作用。