Использование промышленного робота fanuc в учебном процессе

Использование промышленного робота FANUC в учебном процессе

Т.А. Лепихин,
Санкт-Петербургский государственный университет, факультет Прикладной математики – процессов управления
Timurek82@gmail.com

Факультет ПМ-ПУ успешно ведет подготовку высококвалифицированных специалистов, способных решать сложные прикладные задачи с использованием математических и компьютерных методов [1]. В связи с непрерывным развитием информационных технологий на факультете производится постоянная корректировка учебного процесса, вовлечение новых идей и методов, а также осуществляется создание целых программно-аппаратных комплексов, на базе которых планируется проводить предметную подготовку востребованных специалистов в области компьютерных и информационных технологий.

В рамках российско-немецкого сотрудничества факультету был передан промышленный робот FANUC M-20iA и программный комплекс Roboguide, предназначенный для моделирования и управления роботами, которые вошли в основу лаборатории мехатронных систем.

Целью данной статьи является рассмотрение возможностей использования указанного программно-аппаратного комплекса в учебном и научном процессе факультета.

В настоящее время робототехнический комплекс состоит из робота-манипулятора FANUC M-20iA, контроллера R-30iA и специализированного компьютерного класса с установленным программным комплексом Roboguide.

Приведем краткие технические характеристики комплекса. Робот-манипулятор FANUC M-20iA относится к линейке средне-размерных промышленных роботов. Его характеристики представлены в таблице 1, а сам он изображен на рис. 1.
Таблица 1 Характеристики робота FANUC M-20

Рис. 1 Робот FANUC M-20

1. 
   разгрузка, загрузка грузов весом до 20 кг;
   
2. 
   перемещение объектов/материалов, управление, манипулирование;
   
3. 
   монтажные работы/сборка;
   
4. 
   работы по склеиванию, герметизации;
   
5. 
   может резать, гравировать, точить, шлифовать, полировать.
   

Контроллер R-30iA, показанный на рис. 2 (справа) базируется на модулях, каждый из которых сходен с обычным персональным компьютером. В зависимости от количества подключенных модулей (от 1 до 4) такое количество роботов возможно подключить к одному контроллеру. С помощью Ethernet-технологии к контроллеру, а именно к каждому модулю можно подключить персональный компьютер. Такая возможность актуальна в случаях, если требуется вмешательство программиста в коды исполняемых роботом программам, либо для работы с дополнительно подключенным оборудованием, например, видеокамерой. В этом случае на экране ноутбука (ПК) можно будет наблюдать что видит робот, и, следовательно, отследить правильность выполнения конкретной программ.

Рис. 2 Инструмент «захват» и контроллер R-30iA

Заметим, что указанный робот представляет собой достаточно сложную систему с функциональной точки зрения. Кроме того, продуктивно работать с объектом одновременно могут не более трех человек, поскольку каждый должен прочувствовать все нюансы общения с робототехнической системой. В то время как, система Roboguide не требует особых усилий по техническому обслуживанию, т.к. устанавливается на любой персональный компьютер, подходящий по системным требованиям. Это определяет возможность ее использования в учебном процессе на математическом факультете как достаточно содержательную и позволяющую решать вопросы управления сложных робототехнических систем при нулевых затратах на содержание. Пример системы Roboguide приведен на рис. 3.

Рис. 3 Система имитационного моделирования Roboguide

Робот-манипулятор FANUC M-20ia представляет собой очень сложный механизм, управляемый шестью высокоточными сервоприводами с обратной связью. Каждый сервопривод оснащен специальным устройством – Pulsecoder, предназначенным для запоминания позиции и передачи ее обратно в контроллер.

Выполнение программ роботом осуществляется следующими способами:

1. 
   С пульта управления в режиме Т1;
   
2. 
   С пульта управления в режиме Т2;
   
3. 
   В режиме «AUTO» автоматического выполнения программы;
   

Режим Т2 предназначен для проверки программы с реальной «промышленной» скоростью, достигающей 2500 мм/с. Однако в указанном режиме сохраняется возможность оператору вмешаться в программу в ходе ее выполнения для внесения соответствующих корректив.

Режим «AUTO» предназначен для автономного выполнения программ роботом с заданной скоростью. Указанный режим обычно применяется на производстве, когда все программы уже отлажены и готовы к применению. В случае если оператор хочет вмешаться в ход выполнения текущей задачи, он может остановить робот, переключить режим на контроллере, внести коррективы в программу, затем переключить режим обратно и запустить программу сначала. Переключение режимов осуществляется специальным ключом на блоке контроллера.

При первых двух режимах функционирования системы оператор на пульте управления держит нажатым специальный рычаг «контроль оператора», показанный на рис. 4.

Рис. 4 Рычаги контроля оператора (желтые)

Написание сложных программ с помощью пульта управления довольно неудобно и требует много времени. Поэтому существует возможность использования для этих целей персонального компьютера с помощью специального языка KAREL, и последующей загрузки программ в контроллер по локальной сети или через USB-порт.

При использовании комплекса в учебном процессе студенты учатся создавать математические модели различной сложности. В данном случае, на примере манипулятора можно формировать объекты управления с различным количеством осей поворота. Для бакалавриата и магистратуры по направлению «Информационные технологии» взаимодействие с таким объектом сводится к различным аспектам программирования необходимых движений и обмена информацией с роботом-манипулятором в ходе реализации этих движений. В предельном варианте возможно построение «умного» манипулятора с элементами искусственного интеллекта. Для осуществления возможности «умного» манипулятора предусмотрено подключение видеокамеры как к самому роботу, так и просто на подвесе. В обоих случаях манипулятор сможет распознавать изображение и соответствующим образом реагировать.

В данное время к робототехническому стенду подключен ноутбук и ЖК-панель, на которую выводится вся информация, которая показывается на пульте управления оператора. Так студенты, непосредственно не работающие с роботом тоже могут участвовать в процессе обучения.

С помощью робототехнического комплекса лаборатории мехатронных систем возможно создание многочисленных лабораторных работ по следующим направлениям:

• 
  программирование движений различной сложности с использованием разнообразных инструментов в форме лабораторных работ для студентов младших курсов;
  
• 
  математическое моделирование многозвенных управляемых механизмов в форме научных исследований и лабораторных работ для студентов старших курсов, бакалавров и магистрантов.
  

1. 
   проводимые непосредственно с роботом FANUC M-20:
   

• 
  задачи по перемещению грузов до 20 кг с использованием инструмента «захват»;
  
• 
  задачи по использованию инструмента «кисть» в плоскости и объеме;
  

2. 
   проводимые с помощью системы имитационного моделирования Roboguide, предоставляющей следующие возможности:
   

• 
  работа с несколькими роботами одновременно;
  
• 
  доступны все виды инструментов (пневматические и механические захваты, вакуумные захваты, инструменты покраски, инструменты сварки, резки металла, гравировки и т. д.);
  
• 
  подключение всевозможного дополнительного оборудования
  

б) внешняя видеокамера;

в) конвейер;

г) позиционер;

В качестве примера одной из лабораторных работ приведем программу, реализующую функции инструмента «кисть». Код этой программы подготовлен к празднованию 40-летия факультета ПМ-ПУ. Результат ее выполнения и пример кода программы приведены на рис. 5:

Рис. 5 Результат и код программы

Указанная программа содержит около ста строк кода. Каждая строка соответствует отдельной позиции робота. В случае, если программа имеет очень большое число строк, то разумно разбить ее на подпрограммы, и затем, в главной программе подключить все необходимые подпрограммы.

В дальнейшем планируется расширение комплекса другими моделями роботов, в том числе большими и маленькими, дополнительными устройствами и различными датчиками, чтобы была возможность ставить и решать более сложные задачи управления с обратной связью. В частности, на текущий момент робот не может распознавать предметы, с которыми он работает.

• 
  Портативная видеокамера [3]. Может применяться для решения задачи распознавания используемых в работе предметов. Также при всевозможных монтажных работах.
  
• 
  Конвейер. В сочетании с видеокамерой может использоваться для решения задачи распознавания динамических объектов в зоне работы камеры.
  
• 
  Позиционер. Динамический объект, с закрепленным предметом, подвергающимся обработке роботом.
  
• 
  Силовой датчик [3]. Определяет степень сжимания захвата робота. Возможна постановка задач, в которых имеет значение сила сдавливания предмета в захвате. Например, задача сбора урожая.
  
• 
  Возможность обработки детали несколькими роботами одновременно.
  

1. 
   Андрианов С.Н., Веремей Е.И. О ходе подготовки бакалавров по направлению «Информационные технологии» на факультете ПМ-ПУ СПбГУ. //Тр. Первой международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование». – М.:МАКС Пресс, 2005. – С. 92–98.
   
2. 
   W. Schollenberger. Training Manual Operating and programming basic course. Trainingcenter FANUC Robotics Deutschland GmbH. Neuhausen. 2008.
   
3. 
   T. Braunl. Embedded Robotics. Mobile Robot Design and Application with Embedded Systems. Second Edition. – Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006.