作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

機器人和協作機器人 (cobots) 處于工廠自動化技術的前沿。數字雙胞胎和虛擬現實 (VR) 技術則處于設計和開發工具的前沿。將兩者結合，可以構建一個工業虛擬實境，從而更快地提高生產率，即使是中小型企業 (SME) 也能實現這一目標。

SME 的設計人員可以從簡單直觀的界面中獲益，該界面結合了數字雙胞胎、Delta 機器人、線性機器人或多軸機器人等實體設備的高精細虛擬模型以及 3 維 (3D) VR 環境，可以直接執行和檢查機器人的運動序列。

利用這些功能，即使沒有任何物理硬件，也能對自動化系統進行微調和優化，并快速探索多種解決方案的可能性。

本文首先回顧數學數據描述型數字雙胞胎與可視化數字雙胞胎（VR 孿生）之間的區別，以及創建工業虛擬實境時為何需要這兩種技術。然后，介紹 [Igus] 機器人控制系統及相關軟件。找各種控制系統及軟件可用于在 3 維界面（可視數字雙胞胎）上模擬機器人，而無需使用任何物理硬件。此外，還介紹用于實現優化解決方案的兼容型 Delta、線性和多軸機器人。

數字雙胞胎和 VR 現實是互補技術，使用不同的可視化形式、交互方式和硬件。數字雙胞胎是基于數據的物理對象、系統或流程模型。數字雙胞胎適用于建模項目從最初構思到退役和回收的整個生命周期。

VR 是也是一種使用數字模型且基于視覺的沉浸式技術。在 VR 環境中，可以模擬物體之間的關系和互動，就像機器人執行任務一樣。因此，雖然這兩種技術都可用于設計和模擬，但數字雙胞胎技術側重于整體生命周期的考慮，而 VR 則側重于物理對象之間的交互。

虛擬實境 (metaverse) 將數字雙胞胎和 VR 結合到一個專門創建的虛擬環境中，支持數字對象和人之間的實時互動。虛擬實境通常與游戲有關，但也越來越多地應用于商業和工業活動中。

歡迎來到 iguverse

Igus 開發出 iguverse 虛擬實境，以支持工業環境中的工程互動，如開發和部署機器人系統。iguverse 可通過 [Igus 機器人控制] (iRC) 軟件實現。使用這款免費且無需許可證的應用，用戶可以控制各類機器人，包括 Delta 機器人、協作機器人（機器人手臂）和龍門機器人。

該應用為用戶提供了 3D 界面和 100 多個樣例程序。實施 iRC 的系統要求包括一臺安裝了 Windows 10 或 11（64 位）操作系統，具有 500 MB 可用磁盤空間和以太網或無線網絡連接功能的個人電腦（最低配置為 Intel i5 CPU）。

該軟件的核心是正在進行編程的機器人 3D 數字雙胞胎。例如，工作空間為 500 x 500 x 100 mm 的三軸線性龍門機器人（如 [DLE-RG-0001-AC-500-500-100] 型機器人）或工作空間為 800 x 500 mm 的雙軸 xy 執行器（如 [DLE-LG-0012-AC-800-500] 執行器）（圖 1）。設計人員只需點擊幾下鼠即可能定義動作，甚至在購買機器人之前就能使用 3 維模型確保所需的動作是可行的。

圖 1：iguverse 中三軸龍門機器人的 3D VR 數字雙胞胎示例。（圖片來源：Igus）

除 iRC 軟件外，機器人控制器也是 iguverse 開發環境的關鍵要素。例如，[IRC-LG12-02000] 型控制器適用于 48 V 電機，有七個輸入端和七個輸出端，并配有一根 10 米長的電纜用于連接機器人。IRC 控制器包括電機驅動模塊，適用于各種尺寸的雙極步進電機，且可進行配置或預配置。這種控制器還配備了多個用于系統集成的接口或界面，具體如下：

• 可編程邏輯控制器 (PLC) 接口，用于通過數字輸入和輸出進行控制，特別是通過 PLC 或按鈕輕松啟動和停止程序
• Modbus TCP 接口，可通過 PLC 或 PC 進行控制
• 通用機器人接口 (CRI) 以太網，用于使用 PLC 或 PC 進行控制和配置
• 機器人操作系統 (ROS) 界面，用于使用 ROS 操作機器人
• 物體探測攝像頭接口
• 用于遠程監控機器人狀態的云接口

可支持的運動

由 iguverse 支持的、定義機器人受控動作的各種運動（基本運動）。除了預配置的運動外，還可在 IRC 中配置多達三個在運動方面相互獨立的軸。預配置的運動功能包括：

• 2 軸和 3 軸 Detal 機器人
• 龍門機器人
  • 2 軸（X 軸和 Y 軸）
  • 2 軸（Y 軸和 Z 軸）
  • 3 軸（X 軸、Y 軸和 Z 軸）
• 機器人手臂（協作機器人）
  • 3 軸（1 軸、2 軸、3 軸）
  • 3 軸（2 軸、3 軸、4 軸）
  • 4 軸（1 軸、2 軸、3 軸、4 軸）
  • 4 軸（2 軸、3 軸、4 軸、5 軸）
  • 5 軸（1 軸至 5 軸）
  • 6 軸（1 軸至 6 軸）
• 4 軸 SCARA 機器人

編程簡單，可實現低成本自動化

Igus 機器人和 IRC 旨在支持低成本自動化。如果沒有一個易用的編程界面，就不可能做到這一點。僅需一個 3 鍵鼠標或游戲手柄就能在 iguverse 中移動和定位機器人。利用 IRC 軟件，用戶可以在 3 維界面上自由移動數字雙胞胎的所有軸。即使沒有連接實體機器人，示教功能也能支持機器人控制軟件的開發。

要實現示教，用戶需要手動將虛擬機器人移動到所需位置，并定義其移動方式。重復這一過程，直到構建出完整的運動曲線。IRC 軟件中的工具中心允許用戶輕松添加匹配的末端執行器（如抓手），并自動調節機器人上的工具中心點。此外，還可連接到更高級別的工業控制系統。

過程開始時，首先根據需要使用界面上的“連接”、“重置”和“啟用”按鈕激活機器人。IRC 上的 LED 狀態指示燈應變為綠色，此時狀態應顯示“無故障”。現在可以使用“慢跑”選項卡輸入運動曲線（圖 2）。

圖 2：iguverse 沉浸式開發環境中的 "慢跑 "選項卡（左下角）可用于輸入運動曲線。（圖片來源：Igus）

龍門機器人

就像上述例子中的 iguverse 機器人一樣，龍門機器人由兩個基本 X 軸、一個 Y 軸和一個可選的 Z 軸組成。Y 軸與兩個平行的 X 軸相連，在二維空間中來回移動。可選的 Z 軸支持第三維運動。

Igus 的龍門機器人采用自潤滑塑料襯墊，與傳統的滾珠軸承設計相比，滑動和滾動更加平穩、安靜。新設計重量更輕、耐腐蝕、免維護，這些都是 SME 的重要質量要求。這些機器人的成本比傳統龍門機器人低 40%，投資回報 (ROI) 更快，這對中小企業也至關重要。

這些機器人適用于兩類應用：低速大負載或高速小負載。代表性的應用包括包裝、拾放、貼標簽、材料搬運和裝配操作。

這些機器人的尺寸大小不一。可用的附件包括聯軸器、末端執行器和電機法蘭。中型龍門機器人如下：

• [DLE-FG-0006-AC-650-650] 是二維平板式龍門機器人，工作空間為 650 x 650 mm。該機器人可處理重達 8 kg 的有效載荷，動態速率高達每分鐘 20 次拾取操作。
• [DLE-RG-0012-AC-800-800-500] 是三維龍門架，工作空間為 800 x 800 x 500 mm。這種機器人可以處理重達 10 kg 的有效載荷，動態速率高達每分鐘 20 次拾取操作。

碼垛能力

將產品碼垛以便裝運，是制造業和物流業的日常操作。iguverse 的最新最大產品是 XXL 大型龍門機器人，其工作空間為 2,000 x 2,000 x 1,500 mm，非常適合 10 kg 以下的碼垛應用。提供最大定制設計工作空間為 6,000 x 6,000 x 1,500 mm 的定制設計。

這些龍門機器人可以拾取重達 10 kg 的零件，以每秒 500 mm 的速度傳送并將其放置在托盤上，重復精度為 0.8 mm（圖 3）。與同類系統相比，Igus 碼垛機器人解決方案的成本最多可降低 60%。

圖 3：碼垛是制造和物流作業中常見而重要操作活動，可使用龍門機器人實現自動化。（圖片來源：Igus）

Delta 機器人

與龍門機器人一樣，Delta 機器人也提供兩軸或三軸選擇。Delta 機器人有一個圓頂形的工作包絡面，安裝在工作區上方。這類機器人具有極快的速度，通常用于物料搬運和零件放置。Igus Delta 機器人如下：

• [RBTX-IGUS-0047] 采用三軸設計，工作空間直徑為 660 mm。這款機器人的精度為 ±0.5 mm，最大有效載荷為 5 kg，最大速度為 0.7 m/s，每分鐘最多可拾取 30 次。（圖 4）。
• [RBTX-IGUS-0059] 采用 2 軸設計，工作空間直徑為 700 mm。該機器人的精度也是 ±0.5 mm。其最大有效載荷為 5 kg，最大速度為 2 m/s，每分鐘最多可進行 50 次拾取。

圖 4：Igus iRC 旁邊的三軸 Delta 機器人（左）。（圖片來源：DigiKey）

關節臂機器人

iguverse 還支持關節臂機器人。協作機器人可以有 2 到 10 個或更多的軸，也稱為自由度 (DOF)。這類機器人通常有較大的工作范圍，可以與人合作來完成復雜的任務。Igus 的 [REBEL-6DOF-02] 型機器人有 6 個 DOF，[REBEL-4DOF-02]型機器人有 4 個 DOF。兩者的精度均為 ±1 mm，標稱工作范圍為 400 mm，以 200 mm/s 的線速度，每分鐘至少可完成 7 次拾取。

6 DOF 型號的最大有效載荷為 2 kg，最大行程為 664 mm。4 DOF 型號的最大有效載荷為 3 kg，最大行程為 495 mm（圖 5）。

圖 5：具有 4 DOF（左）和 6 DOF（右）的關節臂機器人。（圖片來源：Igus）

總結

iguverse 沉浸式工業虛擬實境結合了數字雙胞胎和虛擬現實技術，提供了可快速開發和部署機器人解決方案的工具。這種工業虛擬實境免費，無需許可證，且可在本地 PC 上運行，而無需云連接。這種虛擬實境可用于開發、測試機器人解決方案，而無需實體機器人。

這種虛擬實境支持 Delta 機器人、龍門機器人、協作機器人 (cobots) 和 SCARA 機器人的各種運動功能。IRC 包括一系列支持自動化和操作需求的接口，其中包括 PLC 接口、Modbus TCP/IP、CRI 以太網、ROS 接口、對象檢測攝像頭接口和云接口。Igus 的 iguverse、iRC 和相關機器人經過優化，可滿足 SEM 的低成本自動化需求。

審核編輯 黃宇