項目驅(qū)動下的工業(yè)機器人實驗設計開發(fā)

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關鍵詞：工業(yè)機器人；項目驅(qū)動；設計開發(fā)；實踐；創(chuàng)新

一、引言

隨著傳統(tǒng)裝備制造業(yè)向智能制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，綜合了機械、自動化、計算機等多學科知識的工業(yè)機器人技術(shù)，作為高端裝備制造的基礎設備之一，成為“中國制造2025”的重點發(fā)展領域[1-4]。工業(yè)機器人課程是機械類本科專業(yè)開設的一門專業(yè)課程，同時設置了實踐環(huán)節(jié)，將理論和實踐結(jié)合是一種學用結(jié)合的有效教學模式[5-8]。課程組在工業(yè)機器人實踐平臺上，將工程應用案例化和自主設計開發(fā)內(nèi)容作為項目驅(qū)動，開設工業(yè)機器人基礎性和創(chuàng)新性實踐內(nèi)容，在課程應用后，可使學生得到機器人理論、機械結(jié)構(gòu)、機電控制、機器人編程和實踐動手的綜合訓練，并進一步了解工業(yè)機器人在智能制造中的應用[9]。本課程的實踐項目建設思路，對與產(chǎn)業(yè)結(jié)合的其他課程也能起到一定的參考意義。

二、實踐項目設計思路

在工業(yè)機器人課程中，通常將機器人的認知與分析、機器人的示教控制，作為課程固化的實踐內(nèi)容[6]。但是由于與應用結(jié)合不緊密，仍然存在停留在表層知識的理解，而自主進行二次設計和開發(fā)仍有局限性等問題。因此，我校首先在工業(yè)機器人課程原有基礎性實踐內(nèi)容中，以工業(yè)機器人在工程中的實際應用，如搬運物料、焊接、打磨、噴涂、采摘、裝配等作業(yè)[1]作為工程案例，從分析、計算、選型開始，系統(tǒng)地進行機械結(jié)構(gòu)設計和控制系統(tǒng)設計，在項目中學習和理解工業(yè)機器人的基礎理論知識，學習機器人編程語言和動作控制。其次，在工業(yè)機器人課程中新增加創(chuàng)新性實踐內(nèi)容，將教師的科研課題[6]、大學生創(chuàng)新項目、課外科技競賽[10]等內(nèi)容都作為自主開發(fā)創(chuàng)新的項目，完成工業(yè)機器人的動作編程和實踐操作，以學生自主設計和解決問題為主，引導學生提出問題和解決問題。

三、工業(yè)機器人基礎性設計實踐

（一）機械結(jié)構(gòu)設計分析及三維建模以搬運物料作為作業(yè)任務，在ABB六軸工業(yè)機器人實踐平臺上進行工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)設計，目的是在設計中能更好地理解和掌握工業(yè)機器人的基本理論知識。分析和計算的主要參數(shù)有：機械手工作空間范圍、動作規(guī)劃、各關節(jié)節(jié)拍、各動作時間分配、各個關節(jié)的運動速度、工作空間內(nèi)各關節(jié)臂臂長和運動行程，以及機械手初步受力分析確定末端許用載荷等參數(shù)。參數(shù)化設計是企業(yè)技術(shù)人員常用的設計方法[11]。進行工業(yè)機器人三維模型設計時，選用參數(shù)化設計軟件，如三維建模軟件Solidworks，對于同型號工業(yè)機械手結(jié)構(gòu)，以各關節(jié)軸線在空間中的位置關系構(gòu)成基礎參數(shù)，通過各關節(jié)軸線相對位置的平移旋轉(zhuǎn)進行調(diào)整，實現(xiàn)設計中工業(yè)機械手各零部件的尺寸變化，從而擬定出工業(yè)機器人各關節(jié)軸線的位置關系。根據(jù)工業(yè)機械手基本參數(shù)定出機械手各個關節(jié)軸線位置尺寸后，對工業(yè)機器人進行整體結(jié)構(gòu)建模；同時利用參數(shù)化軟件的測量功能，得到模型的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量屬性等參數(shù)，最后完成工業(yè)機器人三維結(jié)構(gòu)模型。

（二）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)設計工業(yè)機器人控制系統(tǒng)設計，主要是機械手伺服驅(qū)動系統(tǒng)硬件設計和控制算法設計。控制系統(tǒng)工作流程為：編程示教器將各程序命令傳入主機中，與主機直接通訊，構(gòu)成人機交互；其次在主機控制總線上的各個模塊進行通訊，各模塊包括傳感器、伺服驅(qū)動模塊和其他I/O設備，最后伺服驅(qū)動系統(tǒng)對伺服電機的閉環(huán)控制，實現(xiàn)機械手的運動和完成任務。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)設計思路為：通過理論分析，將驅(qū)動控制系統(tǒng)理論算法轉(zhuǎn)換為具體的實用算法；設計控制系統(tǒng)框圖，利用C語言設計出PID閉環(huán)控制傳遞函數(shù)。對機器人實際工作中的末端位姿進行實時監(jiān)測是很困難的，為提高控制精度，機器人電機控制必須選擇閉環(huán)PID方式去控制。

四、基于工業(yè)機器人平臺的項目實踐和二次開發(fā)

在ABB六軸工業(yè)機器人平臺上，以實際執(zhí)行任務作為工業(yè)機器人編程和執(zhí)行動作來進行實踐和應用。將工程應用案例化作為實踐項目[12]，更利于學生學習和掌握工業(yè)機器人的基本編程命令和操作實踐；而學生可自主設計項目，如繪制圖形進行二次開發(fā)和設計，將工程應用和創(chuàng)新設計相結(jié)合，完成綜合性的設計和開發(fā)任務。

（一）上下料項目工業(yè)機器人進行上下料，在企業(yè)實際應用中是工業(yè)機器人的常見任務。實踐要求為：根據(jù)顏色判別物料，并將其放置規(guī)定位置。根據(jù)任務分析及設備條件，設計任務控制流程圖如圖1所示，控制流程圖也可用為工業(yè)機器人編程的參考。

（二）執(zhí)筆作畫任務在工業(yè)機器人平臺上，引導學生自主設計實踐內(nèi)容，自主開發(fā)創(chuàng)新的項目，能夠調(diào)動學生的學習興趣，并能在實踐中發(fā)現(xiàn)和解決問題，培養(yǎng)學生的自主學習能力和創(chuàng)新設計能力。執(zhí)筆作畫任務，是指學生在實踐中自主創(chuàng)意、自主開發(fā)并完成的項目。在進行執(zhí)筆作畫設計時，將工業(yè)機械手的末端執(zhí)行器調(diào)整為繪制工具，并在A4白紙上簡單畫一幅畫形。對于書寫和作畫而言，重點在于筆尖的軌跡，將機械手工具坐標原中心TCP點移至筆尖。該開發(fā)任務重點在于筆尖的運動即TCP點的運動，考慮到A4紙的位置不是固定位置，引入工件坐標系，將A4紙當成一個非常薄的工件，在每一次畫畫時確定A4紙所在的平面及A4紙的鋪放姿態(tài)。通過描點法，將線條分段，獲取所繪圖形軌跡，將所繪圖形分得越細，則畫出的相似程度越高。圖形中線條坐標的獲取方法主要有網(wǎng)格描點記錄法和圖片處理軟件生成法。其中網(wǎng)格描點記錄法通常用于簡單的圖形線條，依賴于人的視覺去尋找描點記錄。而圖片處理軟件生成法則是主流，軟件可利用人工智能的算法對圖片處理，比如圖片濾波、灰度二值化、邊沿檢測等，高效且快速。此次繪制圖形如圖2（a）所示，圖形比較簡單，故采用網(wǎng)格描點記錄法，執(zhí)行繪畫過程和完成的圖形效果如圖2（b）（c）所示。

五、結(jié)語

基于ABB六軸工業(yè)機器人平臺，以項目驅(qū)動，將機器人在企業(yè)應用搬運上下料和自主創(chuàng)新設計內(nèi)容作為項目開發(fā)任務，按照系統(tǒng)化的實踐思路，進行工業(yè)機器人三維結(jié)構(gòu)建模、控制系統(tǒng)設計、程序開發(fā)和動作執(zhí)行實踐操作。在工業(yè)機器人課程應用后，學生既能夠在實踐中理解和掌握工業(yè)機器人理論知識，又能通過自主設計的內(nèi)容提升學習興趣和解決問題能力，提高自身的設計實踐和創(chuàng)新設計能力。實施后課程建設取得了明顯的效果。

參考文獻：

[1]王田苗,陶永.我國工業(yè)機器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機械工程學報,2014,50(9):1-13.

[2]計時鳴,黃希歡.工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展與應用綜述[J].機電工程,2015,32(1):1-13.

[3]周傳彪,周曉蓮.工業(yè)機器人的研究現(xiàn)狀及展望[J].裝備制造技術(shù),2018,(12):74-76,85.

[4]安娟,牟海榮.在機器人課程中開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的探索與實踐[J].教育教學論壇,2019,(12):265-266.

[5]李頎,強華.工業(yè)機器人實驗教學平臺[J].實驗技術(shù)與管理,2018,35(4):166-170.

[6]劉玉琳,徐雙滿,霍凱.科教融合創(chuàng)新指導下的本科生實驗項目開發(fā)[J].實驗技術(shù)與管理,2018,35(8):31-34.

[7]胡洪鈞,謝立敏,梁曉,等.工業(yè)機器人實驗項目開發(fā)與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2015,32(9):201-203,207.

[8]魏志麗.虛擬工業(yè)機器人實驗實訓室的建設與研究[J].自動化技術(shù)與應用,2013,32(8):85-87,110.

[9]吳長庚.機械設備制造中自動化技術(shù)及工業(yè)機器人的應用研究[J].山東工業(yè)技術(shù),2019,(6):14,31.

[10]吳立華,丁度坤.基于技能大賽的“工業(yè)機器人技術(shù)”專業(yè)建設[J].教育教學論壇,2019,(6):262-263.

[11]馮慧娟,苗青,樊勝秋,等.工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)模塊化設計[J].機械工程與自動化,2019,(2):100-101,104.

[12]黃晨華,毛桂生.上下料工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設計及仿真研究[J].機械設計與制造,2013,(3):161-164.

作者：賈衛(wèi)平 趙洪健 蓋欣桐 韋佳寶 單位：大連大學