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系統框架

工業(yè)協(xié)作機器人及數字孿生技術(shù)創(chuàng )新應用實(shí)驗室主要由6套工業(yè)協(xié)作機器人及數字孿生技術(shù)創(chuàng )新應用平臺及31節點(diǎn)工業(yè)協(xié)作機器人數字孿生虛擬調試軟件組成，本實(shí)訓室支持《工業(yè)機器人技術(shù)》、《工業(yè)機器人基礎操作與編程》、《可編程控制技術(shù)》、《機器人視覺(jué)技術(shù)》、《工業(yè)機器人工作站集成與應用》、《工業(yè)機器人系統離線(xiàn)編程與仿真》、《工業(yè)機器人數字孿生虛擬仿真調試》、《語(yǔ)音控制技術(shù)》等課程開(kāi)展實(shí)訓，主要以工業(yè)協(xié)作機器人創(chuàng )新應用平臺為項目載體的典型工作任務(wù)，通過(guò)信息化課堂教學(xué)+虛擬仿真模塊實(shí)訓+實(shí)際實(shí)踐實(shí)訓的教學(xué)模式，訓練學(xué)生對工業(yè)協(xié)作機器人基礎示教編程、工業(yè)協(xié)作機器人軌跡編程、碼垛編程、PLC邏輯編程、視覺(jué)編程、通信技術(shù)、離線(xiàn)編程、數字孿生與虛擬仿真、語(yǔ)音控制、工作站系統集成的實(shí)踐應用能力及夾具設計的創(chuàng )新應用能力。同時(shí)，該實(shí)訓室可支持學(xué)生開(kāi)展大學(xué)生學(xué)科排行榜競賽創(chuàng )新賽道--工業(yè)協(xié)作機器人及數字孿生技術(shù)創(chuàng )新應用賽的賽事訓練，通過(guò)完成工業(yè)協(xié)作機器人夾具創(chuàng )新設計、機器人典型工藝應用編程、數字孿生設計及調試等競賽任務(wù)，培養大學(xué)生具備機器人工程領(lǐng)域復雜工程問(wèn)題解決方案的能力，設計制造滿(mǎn)足特定需求的系統或單元（部件）并進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)、工程應用和生產(chǎn)管理等，能夠在設計環(huán)節中體現創(chuàng )新意識、考慮社會(huì )、健康、安全、法律以及環(huán)境因素的能力。同時(shí)該實(shí)訓設備提供開(kāi)放性的夾具終端，可以銜接3D打印、三維創(chuàng )新創(chuàng )意設計、機械加工等實(shí)踐實(shí)訓課程，增強學(xué)科之間交叉與聯(lián)動(dòng)，滿(mǎn)足多專(zhuān)業(yè)學(xué)生的綜合性課程教學(xué)要求。

實(shí)驗平臺概述

該平臺主要面向機械工程、機械設計制造及其自動(dòng)化、智能制造工程等機械類(lèi)專(zhuān)業(yè)，自動(dòng)化、機器人工程、智能裝備與系統等自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)，計算機科學(xué)與技術(shù)、智能科學(xué)與技術(shù)等計算機類(lèi)專(zhuān)業(yè)，電子信息工程、人工智能等電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)，以及其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)的在校本科生、研究生和高職生開(kāi)展教學(xué)、競賽及課題設計與研究。

平臺內容涉及智能制造領(lǐng)域中的工業(yè)協(xié)作機器人、機械設計、夾具設計、增減材制造、視覺(jué)應用、信息通信、自動(dòng)控制、語(yǔ)音控制、PLC、數字孿生及虛擬仿真等多種綜合技術(shù)，采用通過(guò)科技創(chuàng )新、技術(shù)創(chuàng )新和應用創(chuàng )新的多種模式，來(lái)培養、鍛煉和選拔具有解決復雜工程問(wèn)題的復合型人才以及創(chuàng )新型人才。

平臺以實(shí)際的科研、工業(yè)或生活應用項目作為案例，以真實(shí)的工業(yè)裝備和應用環(huán)境作為驗證場(chǎng)景，來(lái)考察學(xué)生解決復雜工程問(wèn)題的綜合能力。

同時(shí)，本平臺旨在打造一個(gè)工業(yè)機器人及智能制造創(chuàng )新領(lǐng)域的高校、行業(yè)、企業(yè)之間交流平臺，實(shí)現多方在教育、人才、科研等各個(gè)方向的合作，并實(shí)現理論教學(xué)、設計創(chuàng )新和工程實(shí)踐的有機融合。

工業(yè)協(xié)作機器人及數字孿生技術(shù)創(chuàng )新應用平臺3D效果圖

（1）基于工業(yè)設備開(kāi)發(fā)的實(shí)驗平臺

CR系列工業(yè)協(xié)作機器人具有小身材，大應用，無(wú)懼空間限制，打破使用門(mén)檻的特點(diǎn)，廣泛應用于3C、家電、機床等行業(yè)，兼具協(xié)作機器人和工業(yè)機器人的優(yōu)勢，為企業(yè)智能化轉型升級提供助力。

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工業(yè)協(xié)作機器人

?工業(yè)應用場(chǎng)景

（2）采用模塊化設計，可靈活配置實(shí)驗模塊

實(shí)驗臺采用鋁合金框架，臺面設置間隔均勻的柵條，搭配標準實(shí)驗模塊，也可根據實(shí)際實(shí)驗需求，自主設計或搭配實(shí)驗模塊。

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自由組合的實(shí)驗模塊

（3）配備完善的課程與案例，提供一站式智能機器人教學(xué)。

該平臺提供了一站式智能機器人教學(xué)服務(wù)，配備了完善的課程和案例資源，包括課程PPT、實(shí)驗手冊、教學(xué)視頻、應用程序等。這些教學(xué)資源分為標準教材及項目式教材，可以幫助老師和學(xué)生快速掌握平臺的知識體系并快速熟悉機器人、PLC、數字孿生、視覺(jué)的使用與編程。

（4）提供了豐富的二次開(kāi)發(fā)接口，支持二次開(kāi)發(fā)。

可拓展多種外設模塊系統開(kāi)放全部的機器人運動(dòng)、視覺(jué)、語(yǔ)音、力控等應用案例的源代碼，提供完善的實(shí)驗指導書(shū)和技術(shù)文檔。同時(shí)，該平臺提供了豐富的二次開(kāi)發(fā)接口，用戶(hù)可以在此基礎上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現技術(shù)創(chuàng )新和應用拓展。

（5）支持學(xué)科競賽（白名單賽事）

①　競賽實(shí)操內容

ü?輔助機構設計，根據抓取產(chǎn)品模型設計相關(guān)輔助機構；

ü?機械、電路、氣路等設備的安裝和調試；

ü?相機系統的安裝、調試和標定；

ü?工業(yè)協(xié)作機器人程序編寫(xiě)調試與自動(dòng)運行；

ü?平臺總控系統配置、調試與應用；

②　示例具體要求如下：

示例1：趣味開(kāi)易拉罐分裝液體

工業(yè)協(xié)作機器人在相機的引導下，能夠完成自動(dòng)運行并抓取易拉罐、開(kāi)蓋，并在液體分裝區，在3個(gè)水杯中各倒入1/3罐的液體（約110ml），最后機器人將易拉罐放置回初始位置，全部工作完成，需要易拉罐不得變形。

示例2：語(yǔ)音控制球閥裝配

1）物料抓?。和ㄟ^(guò)3D視覺(jué)與語(yǔ)音控制按順序抓取各物品；

2）雙頭螺栓安裝：發(fā)出語(yǔ)音指令,請安裝雙頭螺栓：通過(guò)3D視覺(jué)拍照定位規劃機器人抓取路徑，機器人抓外雙頭螺柱，并鎖入下閥體螺紋孔當中，按預設程序進(jìn)行擰緊到位；

3）上閥體安裝：發(fā)出語(yǔ)音指令,請安裝上閥體，機器人抓取上閥體，并將其預裝配至球閥裝配模塊當中的下閥體上；

4）彈墊/平墊安裝：發(fā)出語(yǔ)音指令,請裝入彈墊/平墊，通過(guò)3D視覺(jué)拍照定位規劃機器人抓取路徑，機器人抓取彈墊/平墊套入螺桿，搭配球閥裝配模塊進(jìn)行作業(yè)；

5）外六角螺母安裝：發(fā)出語(yǔ)音指令,請安裝螺母，通過(guò)3D視覺(jué)拍照定位規劃機器人抓取路徑，機器抓取外六角螺母并將螺母擰入螺柱當中，按預設程序進(jìn)行擰緊到位，搭配球閥裝配模塊進(jìn)行作業(yè)。

③　創(chuàng )新設計內容

本創(chuàng )新平臺，選手需要根據所提供的標準平臺及相關(guān)配套輔件，團隊自行設計機器人末端執行器和輔助機構，對制作的材料、數量、類(lèi)型、結構均無(wú)限制。競賽時(shí)，所有輔助機構只能安裝在輔助機構安裝區。

硬件平臺介紹

（1）工業(yè)協(xié)作機器人

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工業(yè)協(xié)作機器人本體

HSR-CR605機器人：包括機器人本體、示教器、驅控一體電控柜。其中，協(xié)作機器人的最大負荷5kg，臂展785mm，重復定位精度±0.02mm。華數機器人第六軸安裝專(zhuān)用末端工具法蘭，包括吸盤(pán)、夾爪，用于物料的搬運和基礎模塊等工作。

采用迷宮結構與O型圈密封的設計，整機達到IP67防護等級，防塵、防水，保障了其能夠在油污、潮濕、腐蝕等惡劣、復雜環(huán)境中應用自如，從容應對各類(lèi)復雜工作場(chǎng)景。

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IP67防護等級

小巧玲瓏，本體僅24kg，一人即可抬起，無(wú)懼空間限制，占地少，易部署，大幅降低投入成本。

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機床內輕松布置\一人即可抬起

機器人系統配備有碰撞檢測功能，碰撞檢測是當機器人受到外力沖擊時(shí)，迅速檢測并令機器人運動(dòng)停止的一種功能，其有效的增強機器人的安全性。

（2）基礎工作臺

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基礎工作臺

1、基礎工作臺尺寸：1380×1040×915mm；

2、整機重量：435KG；

3、功率：2.5KW；

（3）視覺(jué)檢測模塊

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視覺(jué)檢測模塊

由工業(yè)視覺(jué)系統、固定底板等組成。模塊適配外圍控制器套件和標準電氣接口套件，檢測零件的形狀、坐標 (X/Y/A)等信息，通過(guò)以太網(wǎng)將檢測結果發(fā)往機器人，配合工業(yè)機器人末端工具將易拉罐進(jìn)行抓取搬運、開(kāi)瓶等動(dòng)作。

（4）碼垛模塊

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碼垛模塊

1、碼垛位置：2個(gè)；

2、碼垛臺面尺寸：300×250mm；

3、零件容量：矩形工件10個(gè)，方形工件10個(gè)，可混裝；

2.5 涂膠模塊

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涂膠模塊

1、涂膠平面尺寸：300×250mm;

2、臺面可放置磁鐵，用以固定A4紙；

（5）存放模塊

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存放模塊

1、具備易拉罐液體分裝功能；

2、分裝臺面尺寸：600×400mm；

3、配備不少于一個(gè)夾緊機構；

4、每個(gè)封裝工位下配置一個(gè)RFID激光感應器；

（6）分裝模塊

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分裝模塊

1、配備氣缸及相應夾具，具備易拉罐液體分裝功能；

2、分裝臺面尺寸：600×400mm；

（7）球閥裝配模塊（升級模塊）

通過(guò)球閥安裝任務(wù),融合了機器人編程控制技術(shù)，自動(dòng)化控制技術(shù)，具體有2D視覺(jué)分揀工業(yè)配件（雙頭螺栓、彈墊、平墊、外六角螺母），配合機器人抓取安裝到位；

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工業(yè)配件安裝模塊

（8）3D視覺(jué)分揀模塊（升級模塊）

主要有3D視覺(jué)、托盤(pán)和支架組成，配合3D視覺(jué)識別確認分散或堆疊的工業(yè)配件，規劃機器人動(dòng)作軌跡從而抓取到指定產(chǎn)品；

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3D視覺(jué)分揀模塊

（9）機器人手爪（升級模塊）

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機器人手爪

1、吸盤(pán)夾具，吸盤(pán)直徑Ф20mm或Ф8mm；

2、軌跡筆，帶緩沖，緩沖行程10mm，筆直徑Ф10mm；

3、氣缸夾爪，抓取行程10mm；

4、配備夾具端和固定端標定尖錐；

（10）靜音無(wú)油氣泵

1、采用純銅電機

2、設備功率：600W

3、排氣量：45L/min

4、容量：30L

5、工作電壓：220V

6、最高壓力:0.8Mpa

7、外形尺寸：400*400*600mm

（11）PLC與人機交互編程模塊

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人機交互編程模塊

1、主控PLC技術(shù)指標：

（1）125 KB 工作存儲器；

（2）24VDC 電源，板載 DI14 × 24VDC 漏型/源型，DQ10 × 24VDC 及 AI2 和 AQ2；

（3）板載 6 個(gè)高速計數器和 4 個(gè)脈沖輸出；

（4）信號板擴展板載 I/O；多達 3 個(gè)通信模塊用于串行通信；

（5）多達 8 個(gè)信號模塊用于 I/O 擴展；

（6）0.04 ms/1000 條指令；2 個(gè) PROFINET 端口用于編程，HMI 和 PLC 間的通信。

2、帶有 RS232/RS422/RS485 接口的通信模塊；

3、帶有64點(diǎn)輸入和16點(diǎn)輸出擴展I/O模塊；

4、采用7英寸觸摸屏，技術(shù)指標：800 × 480 像素，16M 色；1 × MPI/PROFIBUS DP，1 × 支持 MRP 和 RT/IRT 的 PROFINET/工業(yè)以太網(wǎng)接口（2 個(gè)端口）；2 × 多媒體卡插槽；3 × USB；

（12）AI語(yǔ)音模塊（升級模塊）

系統組成：由具身智能感知、具身智能大腦、具身智能小腦、具身智能本體4個(gè)部分組成。其中感知、本體以及麥克風(fēng)等硬件部分均已在平臺內集成，培養學(xué)生構建具身智能體的能力。

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?AI語(yǔ)音模塊

（13）創(chuàng )意設計終端

1、CPU：Inter I7-7700 以上

2、顯示器尺寸：21 英寸顯示器

3、內存：8GB

4、硬盤(pán)：1TB

5、鼠標、鍵盤(pán)1套

1.1.1．軟件介紹

（1）離線(xiàn)編程仿真軟件

離線(xiàn)編程仿真軟件具有如下功能：

1、支持不少于5種主流工業(yè)機器人品牌，包括華數機器人、ABB、KUKA、FANUC、安川、川崎等，仿真輸出對應的機器人代碼；

2、至少支持4、6關(guān)節機器人的新建、編輯、刪除等功能，也可以直接導入機器人庫文件，新建機器人可進(jìn)行正常的編程和仿真；

3、支持工具的新建、編輯、刪除等功能，也可以直接導入工具庫文件，一個(gè)工具可切換不同TCP進(jìn)行離線(xiàn)編程；

4、至少支持1、2軸變位機的新建、編輯、刪除等功能，也可以直接導入變位機庫文件，變位機可以和機器人進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制；

5、支持三維仿真與碰撞檢查功能。通過(guò)三維仿真可以觀(guān)察機器人的位置姿態(tài)，充分地檢查編程結果是否合理，仿真過(guò)程中如果發(fā)生碰撞，會(huì )顯示警告提示；

6、支持機器人逆運動(dòng)學(xué)選解功能，切換不同解組并生成路徑查看仿真，選擇最優(yōu)解進(jìn)行作為加工路徑；

7、提供手拿工具、手拿工件兩種編程模式；

8、支持自動(dòng)、手動(dòng)、外部等多種路徑規劃方式。1）可以根據三維模型進(jìn)行編程，包含不少于三種路徑生產(chǎn)方法；2）可以直接在曲面或曲線(xiàn)上任意點(diǎn)選編程，能夠自適應產(chǎn)生主刀軸和輔刀軸。3）可以導入外部刀位文件進(jìn)行編程，能夠自適應產(chǎn)生主刀軸和輔刀軸；

9、支持多種工藝路徑變換與陣列方法。能夠通過(guò)可視化交互界面進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數設置，快速實(shí)現路徑的線(xiàn)性與圓形等多種變化與陣列； ??

10、支持半實(shí)物仿真。真實(shí)示教器能夠控制離線(xiàn)編程軟件中的虛擬機器人運動(dòng)，并保持示教器中的點(diǎn)位數據和離線(xiàn)編程軟件中的點(diǎn)位完全一致。離線(xiàn)編程軟件中虛擬機器人運動(dòng)仿真時(shí)，真實(shí)示教器能夠實(shí)時(shí)顯示離線(xiàn)編程軟件中虛擬機器人的位置；

11、支持真實(shí)控制器插補仿真功能。能夠采集真實(shí)控制器的加速度等參數并繪制波形圖，用戶(hù)可以進(jìn)行運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的原理性分析，通過(guò)鼠標點(diǎn)擊波形圖時(shí)，離線(xiàn)編程軟件中虛擬機器人的能夠移動(dòng)到對應的位置；

12、能夠根據應用場(chǎng)景的需求生成包含加工工藝的運動(dòng)軌跡，比如生成參數化的鋸齒折線(xiàn)軌跡、三角函數曲線(xiàn)軌跡以及螺旋線(xiàn)軌跡等，用戶(hù)可根據需求修改軌跡的相關(guān)參數實(shí)現工藝軌跡的快速調整；

13、支持離線(xiàn)工藝編程、離線(xiàn)示教編程、離線(xiàn)碼垛編程等多種應用編程軟件包，能夠融合應用領(lǐng)域工藝實(shí)現快速編程與仿真。

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離線(xiàn)編程仿真軟件界面

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離線(xiàn)編程仿真軟件界面

（2）工業(yè)協(xié)作機器人數字孿生虛擬調試軟件

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工業(yè)協(xié)作機器人數字孿生虛擬調試軟件

工業(yè)協(xié)作機器人數字孿生虛擬調試軟件為工業(yè)協(xié)作機器人及數字孿生技術(shù)創(chuàng )新競賽參賽平臺，軟件將平臺硬件設備1:1 孿生到虛擬場(chǎng)景中，能夠支持個(gè)性化夾具功能驗證、視覺(jué)系統仿真調試、工業(yè)機器人虛擬示教、信號配置與調試、PLC 邏輯控制、標準件（外六角螺釘，內六角螺釘，彈墊、平墊，螺母等）抓取裝配工藝流程調試、自動(dòng)評分及計分表導出等功能。同時(shí)能夠支持機器人IPC 和PLC 等硬件進(jìn)行數據交互，實(shí)現虛擬場(chǎng)景與硬件平臺的虛實(shí)聯(lián)調以及工作站全流程調試與仿真運行。

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工作站布局與搭建、PLC信號與連接

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?個(gè)性化夾具三維模型導入

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機器人虛擬示教器編程調試、視覺(jué)識別仿真

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標準件抓取裝配工藝流程調試、自動(dòng)評分與計分表導出

（3）VM軟件

提供了完全圖形化的交互界面，功能圖標直觀(guān)易懂，簡(jiǎn)單好用的交互邏輯以及拖拽式操作能夠快速搭建視覺(jué)方案。

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VM軟件界面

內嵌高效、穩定的占用和控制邏輯，與外部設備資源有良好的兼容性，能夠建立完善的管理機制

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相機管理

高效定位工具匹配工具，能夠克服樣品平移、旋轉、縮放和光照不同所帶來(lái)的差異，快速準確查找圓、直線(xiàn)、斑點(diǎn)、邊緣、頂點(diǎn)等幾何體的位置。提供位置信息和有無(wú)信息，可以應用于機器人引導和其它視覺(jué)工具中。

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定位與識別

實(shí)驗室配置清單

工業(yè)協(xié)作機器人及數字孿生技術(shù)創(chuàng )新應用實(shí)驗室效果圖

實(shí)驗平臺配置清單

建設案例

太原理工大學(xué)、內蒙古工業(yè)大學(xué)

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河南理工大學(xué)、阜陽(yáng)師范大學(xué)

當前，已有華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北農林科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、西南科技大學(xué)、太原理工大學(xué)、內蒙古工業(yè)大學(xué)、河南理工大學(xué)、阜陽(yáng)師范大學(xué)、湖北大學(xué)、華中農業(yè)大學(xué)、中南民族大學(xué)、沈陽(yáng)工學(xué)院、山西科技學(xué)院等諸多院校建成工業(yè)協(xié)作機器人及數字孿生技術(shù)創(chuàng )新應用實(shí)訓室。

賽事支持（大學(xué)生學(xué)科競賽排行榜賽事）

工業(yè)協(xié)作機器人及數字孿生技術(shù)創(chuàng )新應用賽于2023年啟動(dòng)，已成功舉辦三屆，比賽從舉辦以來(lái)就獲得了華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、武漢大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等諸多高校的支持，23年以來(lái)共舉辦省賽/區域賽70余場(chǎng)，國賽3場(chǎng)，參賽院校超300所，參賽總人數突破2萬(wàn)人，賽事影響力日益顯著(zhù)，贏(yíng)得了全國高校的廣泛認可與熱烈響應，已成為推進(jìn)高校人才培養與產(chǎn)業(yè)技術(shù)深度融合的重要平臺，2026年正式加入中國機械工程學(xué)會(huì )主辦的中國大學(xué)生機械工程創(chuàng )新創(chuàng )意大賽（創(chuàng )新賽道），命名“工業(yè)協(xié)作機器人及數字孿生技術(shù)創(chuàng )新應用賽”，由中國機械工程學(xué)會(huì )工業(yè)大數據與系統分會(huì )、武漢華中數控股份有限公司共同承辦，設置華中、華北、華南、華東、西北、西南、東北、內蒙古、山東、江西、浙江共11個(gè)賽區，參賽規模再破新高。