本发明涉及一种教学实训平台，特别是涉及一种工业机器人教学实训平台。
背景技术：
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，其能自动执行工作，依靠自身动力和控制能力来实现各种功能，既可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行。
随着生产力的不断发展和进步，越来越多的高重复型、高密集型的工作不断被工业机器人所替代。因此，越来越多的企业开始应用工业机器人从事生产相关工作。行业的快速发展与工业机器人应用型人才的紧缺使得越来越多的高职院校开始开设工业机器人相关专业。工业机器人专业是一个需要理论联系实际的专业，既需要循序渐进的理论学习，又需要实际动手操作。因此，现有技术中，通过采用工业机器人教学实训设备来进行工业机器人的教学。
但是，现有的工业机器人教学实训设备仅能初步解决工业机器人的实际操作教学问题，仍然具有以下缺陷：
(1)工业机器人的教学与实际操作存在一定的偏差，或过于偏重教学，与真实应用脱节；或过于偏重真实，导致教学困难；
(2)实验教具单一，知识点覆盖不全；
(3)知识系统更新缓慢；
(4)按照工业自动化中常见的非标方式设计制造，人机工程学考虑不周，用户体验较差；
(5)扩展性较差。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种工业机器人教学实训平台，通过可分离设置的教学支撑平台和教具供操作者实际操作工业机器人，以完成一些工业机器人的基础操作和自动化应用，同时还可以根据需要扩展需要的教具，用户体验良好。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种工业机器人教学实训平台，包括教学支撑平台、工业机器人、电气控制模块、机器人控制模块、人机交互模块和教具；所述教具可拆卸地设置在所述教学支撑平台上；所述电气控制模块用于在所述人机交互模块的控制下，提供所需的电气连接；所述机器人控制模块用于在所述人机交互模块的控制下，控制所述工业机器人针对所述教具所执行的操作；所述人机交互模块用于与所述电气控制模块和所述机器人控制模块进行交互。
于本发明一实施例中，所述教学支撑平台为多边结构。
于本发明一实施例中，所述教学支撑平台包括支撑底座、下平台支撑骨架、上平台支撑骨架、面板支撑骨架和面板；
所述支撑底座包括底板、由底板向下垂直延伸的若干支脚，每个支脚底部设有带调整块脚轮；
所述下平台支撑骨架固定设置在所述支撑底座上，包括若干对称分布的支撑杆和设于相邻支撑杆间的门板，所述底板、所述门板和所述支撑杆在所述底板上方形成第一容纳空间；
所述上平台支撑骨架可拆卸地设置在所述下平台支撑骨架上，包括封闭连接的若干个侧面，若干侧面形成第二容纳空间；
所述面板支撑骨架固定设置在所述支撑底座上，用于支撑所述面板以及穿过所述面板上的镂空部支撑所述工业机器人；
所述面板中央设有镂空部，固定设置在所述面板支撑骨架上，表面设有若干个螺纹孔。
于本发明一实施例中，所述第一容纳空间用于放置所述电气控制装置、所述机器人控制装置以及所述教具。
于本发明一实施例中，所述电气控制模块中的电气挂板设置在所述第一容纳空间，所述电气挂板所对应的门板内侧设置有两块移动板，所述移动板可向外移动至所述教学支撑平台外部，且表面设有若干螺纹孔。
于本发明一实施例中，第一容纳空间内设置有照明设备，所述门板上设置有控制所述照明设备的感应开关。
于本发明一实施例中，所述上平台支撑骨架的侧面设置有若干可拆卸抽屉，所述可拆卸抽屉向内延伸至所述第二容纳空间；所述可拆卸抽屉包括示教器存放抽屉、机器视觉和电动执行器控制抽屉、教具用真空元件抽屉、机器人末端执行器控制抽屉、总线阀岛抽屉、自定义电气控制抽屉中的一种或多种组合。
于本发明一实施例中，所述支撑底座、所述下平台支撑骨架、所述上平台支撑骨架和所述面板支撑骨架均为钣金工艺制作，表面均使用喷粉工艺处理；所述上平台支撑骨架的边缘采用高光倒角处理。
于本发明一实施例中，所述面板采用黑色阳极氧化处理的高强度铝合金面板，所述面板上嵌有若干螺纹孔。
于本发明一实施例中，所述电气控制装置包括电气挂板、航空插头和气路接口。
于本发明一实施例中，所述机器人控制模块包括机器人控制柜和现场总线模块。
于本发明一实施例中，所述人机交互模块包括机器人控制按钮、触摸屏、电气控制按钮和若干急停按钮。
于本发明一实施例中，所述教具包括平面轨迹板组件、曲面轨迹板组件、TCP针组件、轨迹针组件、圆盘吸取搬运组件、正方体夹持搬运组件、圆环组件、安全光栅组件、气动振动托盘组件、气动滑台、机床上下料组件、机器快换组件、机器视觉组件、伺服控制组件、立体仓库组件、六面体装配与分拆组件中的一种或多种组合。
于本发明一实施例中，所述机器快换组件包括快换支架，以及分别位于所述快换支架两端的两个机器人末端执行器；所述机器人末端执行器包括有夹持部和真空吸取部。
于本发明一实施例中，所述六面体装配与分拆组件包括六面体装配平台支撑组件、六面体装配区、物料升降平台、圆盘工件、六面体翻转台和六面体工件。
如上所述，本发明的工业机器人教学实训平台，具有以下有益效果：
(1)既立足于工业机器人的实际操作教学，又面向真实工业应用；
(2)通过教学支撑平台能够实现多人同时学习，实用性强；
(3)将教学支撑平台与教具分离，使得未来对模块化教具进行扩展成为可能，以适应不断发展的工作机器人操作技术；
(4)教具包括基础教学教具、进阶教学教具和高级教学教具，由浅入深、由个体到组合，层层递进，使得操作者可以循序渐进的学习，并满足不同水平的操作者的教学需求；
(5)配备有产品说明书、教材、实验指导书、配套程序、教学视频等教学资料，以便于进一步进行工业机器人教学实训。
附图说明
图1显示为本发明的教学实训平台的一个优选实施例的轴测图；
图2显示为本发明的教学实训平台的优选实施例中教学支撑平台的轴测图；
图3显示为本发明的教学实训平台的优选实施例中教学支撑平台的俯视图；
图4显示为本发明的教学实训平台的优选实施例中支撑底座与下平台骨架的轴测图；
图5显示为本发明的教学实训平台的优选实施例中上平台支撑骨架的轴测图；
图6显示为本发明的教学实训平台的优选实施例中面板支撑骨架的轴测图；
图7显示为本发明的教学实训平台的优选实施例中面板的轴测图；
图8显示为本发明的教学实训平台的优选实施例中两指机器人末端执行器的轴测图；
图9显示为本发明的教学实训平台的优选实施例中六面体装配工作台的轴测图。
元件标号说明
10 教学支撑平台
101 支撑底座
1011 底板
1012 支脚
102 下平台支撑骨架
1021 支撑杆
1022 门板
1023 凸出部
103 上平台支撑骨架
1031 侧面
1032 示教器存放抽屉
1033 机器视觉和电动执行器控制抽屉
1034 教具用真空元件抽屉
1035 机器人末端执行器控制抽屉
1036 总线阀岛抽屉
1037 自定义电气控制抽屉
104 面板支撑骨架
1041 竖直支撑骨架
1042 平面支撑骨架
105 面板
1051 镂空部
20 工业机器人
30 电气控制模块
301 电气挂板
302 航空插头
303 气路接口
40 机器人控制模块
401 机器人控制柜
50 人机交互模块
501 机器人控制按钮
502 触摸屏
503 电气控制按钮
504 急停按钮
60 教具
601 平面轨迹板组件
602 TCP针组件
603 轨迹针组件
604 圆盘吸取搬运组件
605 安全光栅组件
606 机器快换组件
6061 快换支架
6062 机器人末端执行器
60621 夹持部
60622 真空吸取部
607 机器视觉组件
608 六面体装配与分拆组件
6081 六面体装配平台支撑组件
6082 六面体装配区
6083 物料升降平台
6084 圆盘工件
6085 六面体翻转台
6086 六面体工件
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
参照图1，本发明的工业机器人教学实训平台包括教学支撑平台10、工业机器人20、电气控制模块30、机器人控制模块40、人机交互模块50和教具60。工业机器人20、电气控制模块30、机器人控制模块40、人机交互模块50和教具60均设置在教学支撑平台10上。
教具60和工业机器人20均可拆卸地设置在教学支撑平台10上。
电气控制模块30用于在人机交互模块50的控制下，提供所需的电气连接。
机器人控制模块40用于在人机交互模块50的控制下，控制工业机器人20针对教具60所执行的操作。
人机交互模块50用于与电气控制模块30和机器人控制模块40进行交互。具体地，人机交互模块50向电气控制模块30发送电气控制指令，向机器人控制模块40发送机器人控制指令，以及接收电气控制模块30、机器人控制模块40和教具60的反馈信息。
优选地，教学支撑平台10为多边结构，以提供多个工位供教学实训。如图1-图3所示，教学支撑平台10为六边结构，可以同时供六人进行工业机器人的教学实训，从而提高了教学能力和教学效率。
于本发明的一实施例中，教学支撑平台10包括支撑底座101、下平台支撑骨架102、上平台支撑骨架103、面板支撑骨架104和面板105。
如图2、图4所示，支撑底座101包括底板1011、由底板1011向下垂直延伸的若干支脚1012，每个支脚1012底部设有带调整块脚轮。优选地，若干支脚1012对称设置，以保证教学支撑平台10的稳定性。下平台支撑骨架102固定设置在支撑底座101上，包括若干对称分布的支撑杆1021和设于相邻支撑杆间的门板1022，底板1011、门板1022和支撑杆1021在底板1011上方形成第一容纳空间。第一容纳空间用于放置电气控制模块30、机器人控制模块40以及教具60。具体地，可将第一容纳空间通过镀锌板分为第一空间和第二空间两个部分。第一空间为电气控制区，用于放置电气控制模块30的电气挂板301等组件。第二空间为机器人控制区和物料存放区，用于放置机器人控制模块40和教具60。更为优选地，第一容纳空间内设置有照明设备，门板1022上设置有控制照明设备的感应开关。当门板1022开启时，感应开关控制照明设备打开，从而照亮容纳空间内部，便于操作电气挂板上的电气开关、存取教具、操作机器人控制模块等。另外，在电气挂板所对应的门板内侧设置有两块移动板，可向外移动至教学支撑平台10外部，移动板上设有若干螺纹孔，如25个M4螺纹孔。该移动板为冗余设计，为以后的平台扩展留出空间和接口。优选地，移动板向外拉出约250mm。优选地，下平台支撑骨架102通过焊接固定在支撑底座上，门板为双开门板。优选地，下平台支撑杆骨架102外侧还设有向外延伸的凸出部1023，以便于通过该凸出部1023移动整个工业机器人教学实训平台。
如图5所示，上平台支撑骨架103可拆卸地设置在下平台支撑骨架102上，包括封闭连接的若干个侧面1031，若干侧面形成第二容纳空间。其中，一个侧面对应一个教学工位。优选地，上平台支撑骨架103与下平台支撑骨102架通过螺丝固定连接，故上平台支撑骨架103与下平台支撑骨架102可拆卸开来。之所以将上平台支撑骨架103和下平台支撑骨架102可拆卸地设置，是因为上平台支撑骨架103上还需设置人机交互模块50、照明设备等组件。可拆卸的连接方式，便于上述组件的安装。待上述组件安装完成，再将上平台支撑骨架103固定连接在下平台支撑骨架102上。优选地，上平台支撑骨架103包括一横向延伸部，人机交互模块50设置在该横向延伸部上。上平台支撑骨架103的顶部设有照明设备，如白色LED灯。
优选地，如图3所示，上平台支撑骨架103的侧面设置有若干可拆卸抽屉，向内延伸至第二容纳空间。其中，可拆卸抽屉包括示教器存放抽屉1032、机器视觉和电动执行器控制抽屉1033、教具用真空元件抽屉1034、机器人末端执行器控制抽屉1035、总线阀岛抽屉1036、自定义电气控制抽屉1037中的一种或多种组合。
如图6所示，面板支撑骨架104固定设置在支撑底座101上，用于支撑面板105以及穿过面板105上的镂空部1051支撑工业机器人20。具体地，面板支撑骨架104包括竖直支撑骨架1041和位于竖直支撑骨架顶端的平面支撑骨架1042。竖直支撑骨架1041的底端通过螺钉等方式固定设置在支撑底座101上，平面支撑骨架1042通过焊接等方式固定设置在上平台支撑骨架103以支撑面板105以及穿过面板105上的镂空部支撑工业机器人20。其中，竖直支撑骨架1041与平面支撑骨架1042由对接法兰螺钉连接，通过对接法兰削边确定方向。
优选地，支撑底座101、下平台支撑骨架102、上平台支撑骨架103和面板支撑骨架104均为钣金工艺制作，表面均使用喷粉工艺处理。其中，上平台支撑骨架103的边缘采用高光倒角处理。
如图7所示，面板105中央设有镂空部1051，通过螺钉固定在面板支撑骨架104上，表面设有若干个螺纹孔。优选地，面板105采用黑色阳极氧化处理的高强度铝合金面板，面板105上嵌有多达200多个M8的螺纹孔，并配有黑色螺纹护套。所有教具60都可通过便携式压纹旋钮经由螺纹孔与面板105连接。
如图2所示，电气控制装置30包括电气挂板301、航空插头302和气路接口303等等。于上述优选实施例中，电气挂板301靠近对应的门板设置，航空插头302和气路接口303设置在面板105所在平面上以便于操作。于本发明一实施例中，电气挂板301与门板的距离仅250mm，从而便于对电气挂板301执行操作，提高用户体验。
机器人控制模块40包括机器人控制柜401和现场总线模块，用于控制工业机器人20的实际操作。其中，机器人控制柜401中存储有视觉处理、PLC控制等编程控制软件，以通过编程实现对工业机器人20实际操作的控制。
人机交互模块50包括机器人控制按钮501、触摸屏502、电气控制按钮503和若干急停按钮504。具体地，通过机器人控制按钮501和电气控制按钮503分别向机器人控制模块40和电气控制模块30发送控制指令。触摸屏502用于显示人机交互模块50与机器人控制模块40和电气控制模块30的交互信息。于上述优选实施例中，人机交互模块50设置在上平台支撑骨架103上，以便于操作。优选地，在上平台支撑骨架103的每个侧面上均设有急停按钮504，以便于在紧急情况下，各个工位上都能及时制动。
教具60为模块化设置，其与教学支撑平台10分离设置，从而便于后续扩展。如图1所示，教具60包括平面轨迹板组件601、曲面轨迹板组件、TCP针组件602、轨迹针组件603、圆盘吸取搬运组件604、正方体夹持搬运组件、圆环组件、安全光栅组件605、气动振动托盘组件、气动滑台、机床上下料组件、机器快换组件606、机器视觉组件607、伺服控制组件、立体仓库组件、六面体装配与分拆组件608中的一种或多种组合。上述所有教具既可独立运作，又可组合构成综合实验教学。
在本发明中，将教具60分为基础教学教具、进阶教学教具和高级教学教具三部分。
基础教学教具包括平面轨迹板组件、曲面轨迹板组件、TCP针组件、轨迹针组件、圆盘吸取搬运组件、正方体夹持搬运组件、圆环组件等。基础教学教具的目标设定为初学者，通过学习，操作者可以掌握如机器人手动操作、基本运动指令、偏移等进阶指令、示教器使用、坐标系设定、程序编写、机器人搬运码垛等基础操作技巧。
进阶教学教具包括安全光栅组件、气动振动托盘组件、气动滑台、机床上下料组件等。进阶教学教具针对工业机器人的基本应用，由一个个工厂实际应用分析、组合而来，既来自于真实应用，又适合教学工作。通过实际操作，并配合实验指导书等教学资料，操作者可以掌握基本的工业自动话应用知识。
高级教学教具包括机器快换组件、机器视觉组件、伺服控制组件、立体仓库组件、六面体装配与分拆组件等。高级教学模块大部分为一些前沿而又应用广泛的技术，如机器快换技术、机器视觉技术、现场总线技术、伺服控制技术等，能够让操作者可以快速的进入自动化行业，增长见识。
因此，通过上述多种教具，可由浅入深、由个体到组合，层层递进，使得操作者可以循序渐进的学习，并满足不同水平的操作者的教学需求。随着技术的不断革新，也可以推出新的教具安装在教学支撑平台上，从而提高本发明的工业机器人教学实训平台的可拓展性，使之顺应时代发展，极具实用性。
优选地，本发明的工业机器人教学实训平台还包括配套有实验指导书、产品说明书等指导材料，以及视觉处理、PLC控制等编程控制软件，从而在硬件、软件上充分支持工业机器人的教学实训，且易于扩展，适应性强。
由于教具的种类繁多，故在此不一一进行其教学演示的说明。以下仅提供部分教具的组合实验演示以进一步阐述本发明的工业机器人教学实训平台的工作原理。其中主要涉及机器人坐标系设定、机器人轨迹、机器人搬运等机器人实操基础知识、机器人快换技术、机器视觉技术等前沿技术，以及安全光栅之类的安全组件认识与安全教育。
在进行教学演示前，首先需要对工业机器人教学实训平台进行初始化。具体地，将工业机器人安装到教学支撑平台上的机器人底座上，正确连接机器人线缆，将六面体装配工作台、机器视觉组件、安全光栅组件、机器快换组件、平面轨迹板、TCP针组件、轨迹针等教具安装到教学支撑平台上对应的位置处，并正确连接各组件的电路和气路。
初始化完成之后，便可进行教学演示。
1)基础操作演示
启动工业机器人，手动示教机器人使之到达机器人快换组件区域，工业机器人正确对接机器快换组件中的两指机器人末端执行器，并移动到TCP针区域，再使用两指机器人末端执行器的夹持部夹取轨迹针，使用四点法在TCP针针尖进行机器人坐标系设定。设定完成之后，工业机器人进行重定位运动以验证该坐标系的准确性与精确度。结束坐标系设定之后，工业机器人移动到正前方平面轨迹板区域，将轨迹针针尖放入平面轨迹板凹槽内，进行平面轨迹示教。进行平面轨迹示教时，操作者需要使用机器人偏移指令完成一系列动作。基础操作演示结束之后，将轨迹针放回原位。
2)颜色识别演示
机器快换组件606包括快换支架6061，以及分别位于快换支架两端的两个机器人末端执行器6062。如图8所示，机器人末端执行器6062还包括有夹持部60621和真空吸取部60622，以夹持或吸取物件。其中，真空吸取部60622的吸头四周还设有四个等长圆柱，以使被吸取工件表面与吸头保持垂直。进一步地，机器人末端执行器6062为两指手爪或四指手爪结构，根据具体需要进行选择。在本发明中，两个机器人末端执行器6062分别为两指机器人末端执行器和四指机器人末端执行器。
进行颜色识别演示时，工业机器人前往机器快换组件区域将末端执行器更换为四指机器人末端执行器。使用四指末端执行器的真空吸取部吸取圆盘吸取搬运组件中的多色圆盘，进入视觉识别区域进行颜色识别，由机器视觉组件中的智能相机将识别信息反馈给工业机器人与人机交互模块的触摸屏。工业机器人再根据此信息将多色圆盘按颜色摆放到对应区域，同时触摸屏实时显示圆盘颜色。
3)六面体装配演示
如图9所示，六面体装配与分拆组件608包括六面体装配平台支撑组件6081、六面体装配区6082、物料升降平台6083、圆盘工件6084、六面体翻转台6085和六面体工件6086。六面体翻转台6085设有推杆，在每次实施翻转前，帮助六面体工件6086恢复到同一特定位置，便于夹持。六面体翻转台6085底部还设有开口，便于放置夹持工具。演示时，使用工业机器人将圆盘工件安装到六面体工件6086的六个面。初始状态下，六面体工件6086放置于六面体翻转台6085上，机器人末端执行器的气缸将六面体工件6086定位，四指机器人末端执行器的夹持部抓取六面体工件6086，将之放入六面体装配区6082，四指机器人末端执行器固定六面体工件6086，使用真空部吸取物料升降平台6083上的圆盘工件，安装到六面体工件6086上；然后松开四指机器人末端执行器，将六面体工件6086移动到六面体翻转台6085上进行翻面操作。如此往复六次即可完成所有面的装配操作。
4)光栅演示
在演示过程中，安全光栅组件开启。当操作站进入安全光栅保护区域时，工业机器人停止运转，照明设备闪烁，触摸屏显示警告信息，从而保护操作者的安全。
综上所述，本发明的工业机器人教学实训平台既立足于工业机器人的实际操作教学，又面向真实工业应用；通过教学支撑平台能够实现多人同时学习，实用性强；将教学支撑平台与教具分离，使得未来对模块化教具进行扩展成为可能，以适应不断发展的工作机器人操作技术；教具包括基础教学教具、进阶教学教具和高级教学教具，由浅入深、由个体到组合，层层递进，使得操作者可以循序渐进的学习，并满足不同水平的操作者的教学需求；配备有产品说明书、教材、实验指导书、配套程序、教学视频等教学资料，以便于进一步进行工业机器人教学实训。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。