辛 穎,薛 偉,楊鐵濱,狄海廷
(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,哈爾濱150040)
機器人技術(shù)課程是以機械原理、控制工程基礎(chǔ)、微機原理及應(yīng)用等為先修課程,涉及機械學(xué)、電子技術(shù)、自動控制、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科的綜合性課程。在全國高校教育全面推進素質(zhì)教育,提高大學(xué)生的科學(xué)素質(zhì),培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力的發(fā)展趨勢下,機器人技術(shù)課程逐步成為許多高校開設(shè)的專業(yè)課之一。各高校在提倡機器人基礎(chǔ)教育的同時,提出重視實踐,重視創(chuàng)新教育。在實驗和實踐教學(xué)方面,以往機器人技術(shù)課程的實驗教學(xué)基本上是圍繞基礎(chǔ)理論的驗證性實驗,缺少設(shè)計性和綜合性實驗,不能給學(xué)生一個完全自由發(fā)揮創(chuàng)造的空間[1]。因此,探索新型的實驗教學(xué)模式已成為機器人教學(xué)中急需解決的問題。
慧魚創(chuàng)意組合模型是技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類拼裝模型,集教具與仿真模型于一身,是科技知識啟迪、創(chuàng)新思維訓(xùn)練及創(chuàng)新能力開發(fā)的有效載體,為機器人實驗教學(xué)提供了良好的實踐平臺[2-3]。東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院2007年購進慧魚創(chuàng)意組合模型,建立機器人創(chuàng)意實驗室,展開了以慧魚創(chuàng)意組合模型為教具的機器人技術(shù)實驗教學(xué)改革,收到良好的效果。
慧魚創(chuàng)意組合模型是一個結(jié)構(gòu)件的集合,是由機械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、傳感器、氣動構(gòu)件、電腦控制器及軟件所組成的創(chuàng)新系統(tǒng)。模型設(shè)計采用模塊式設(shè)計,可無限擴充;可反復(fù)拆裝;產(chǎn)品系統(tǒng)化,種類多;可逼真地表現(xiàn)機械構(gòu)件及科學(xué)原理;可編程控制實現(xiàn),便于對機電一體化流程的全面認識。
慧魚創(chuàng)意組合模型系統(tǒng)硬件主要包括百余種的拼插構(gòu)件單元、驅(qū)動源、傳感器、接口板等[4]。拼插構(gòu)件單元主料均采用優(yōu)質(zhì)的尼龍塑膠,輔料采用不銹鋼芯鋁合金架等,采用燕尾槽插接方式連接,可實現(xiàn)六面拼接,多次拆裝。系統(tǒng)提供的技術(shù)組合包中機械構(gòu)件主要包括:聯(lián)桿、鏈條、齒輪(普通齒輪、錐齒輪、斜齒輪、內(nèi)嚙合齒輪、外嚙合齒輪)、齒軸、齒條、蝸輪、蝸桿、凸輪、彈簧、曲軸、萬向節(jié)、差速器、齒輪箱、鉸鏈等。
驅(qū)動源有電機驅(qū)動和氣動驅(qū)動兩種形式。驅(qū)動源包括直流電機驅(qū)動 (9 V、最大功率1.1 W、轉(zhuǎn)速7 000 rpm)和減速直流電機驅(qū)動 (9 V、最大功率1.1 W、減速比50∶1/20∶1)。氣動驅(qū)動包括儲氣罐、氣缸、活塞、電磁閥和氣管等元件。
慧魚創(chuàng)意組合模型的傳感器件主要包括感光傳感器、接觸傳感器、熱傳感器、磁性傳感器和紅外線發(fā)射接收裝置。
慧魚創(chuàng)意組合模型的接口板自帶微處理器,程序用ROBO Pro或高級語言編程,通過RS232串口與電腦連接,四路馬達輸出,八路數(shù)字信號輸入,具有斷電保護功能。
氣壓傳動是以壓縮空氣作為工作介質(zhì)進行能量的傳遞和控制的一種傳動形式,是機器人的主要驅(qū)動方式之一,具有動作迅速、反應(yīng)快、成本低等特點,在機器人中應(yīng)用較多。采用慧魚創(chuàng)意組合模型設(shè)計并組建氣動機器人,不僅能夠在課堂上展示其動作原理,而且可為學(xué)生進行機器人創(chuàng)新實驗提供實驗方案,促進學(xué)生對理論知識的理解和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
氣動機械手的結(jié)構(gòu)可以分為兩個部分:抓裝置和氣源裝置。
(1)抓手裝置。用于抓取貨物,由轉(zhuǎn)盤、齒輪齒條、氣缸等組成。
(2)氣源裝置。是為整個模型提供動力源的裝置,它由空氣壓縮機、貯氣罐、氣管等組成。空氣壓縮機用于產(chǎn)生壓縮空氣,由電動機帶動,將直流電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為氣缸的往復(fù)運動,從而產(chǎn)生壓縮空氣。
采用慧魚創(chuàng)意組合模型構(gòu)建氣動機械手,組成的實物模型如圖1所示。
圖1 氣動機械手的組合模型Fig.1 Combined model of pneumatic manipulator
在圖1中,M1~M3是3個電磁換向閥,即為3個控制系統(tǒng)的輸出,控制Z1和Z2兩個氣缸。E1和E8是觸動開關(guān),作為控制系統(tǒng)的輸入。Z1是雙作用氣缸,在兩個方向上由氣體推動來實現(xiàn)運動。Z2是單作用氣缸,即它的活塞只能在一個方向移動。
氣動機械手工藝流程如圖2所示。
圖2 氣動機械手工藝流程圖Fig.2 Technical flow of pneumatic manipulator
根據(jù)氣動機械手的工藝流程和氣壓回路組成,可確定機械手的控制任務(wù):通電后,空氣壓縮機工作,壓縮空氣進入儲氣罐,再進入氣缸Z2,推動活塞做功,機械手打開。二位三通閥M1通電,壓縮空氣進入氣缸Z1,推動活塞做功,機械手運動到取貨位置A。二位三通閥M3通電,氣缸Z2的活塞反向做功,機械手閉合,抓取貨物。二位三通閥M2通電,壓縮空氣進入氣缸Z1,推動活塞反向做功,機械手運動到放貨位置B。二位三通閥M3斷電,壓縮空氣進入儲氣罐,再進入氣缸Z2,推動活塞做功,機械手打開,放下貨物。如此往復(fù)。?
圖3 氣動機械手主程序Fig.3 Main program of pneumatic manipulator
控制系統(tǒng)的硬件核心采用一臺微型計算機作為控制計算機,安裝慧魚創(chuàng)意組合模型自帶的ROBO Pro軟件,編制相應(yīng)的控制程序,通過USB通訊端口與ROBO接口板連接,然后通過接口板的I/O控制機械手。
氣動機械手控制主程序如圖3所示。整個系統(tǒng)的運行分為4個模塊:機械手開啟、機械手閉合、機械手移動到位置A、機械手移動到位置B。機械手開啟子程序、機械手閉合子程序、機械手移動到位置A子程序、機械手移動到位置B子程序分別如圖4(a)、(b)、(c)、(d)所示。
圖4 氣動機械手子程序Fig.4 Subprogram of pneumatic manipulator
該實驗方案利用慧魚創(chuàng)意組合模型、計算機和ROBO接口板等設(shè)備完成了氣動機械手方案的設(shè)計、構(gòu)建和調(diào)試,實現(xiàn)氣動機械手的抓取工作。整個模型較理想地完成了設(shè)計工藝過程,氣動機械手的開啟和閉合動作有序,齒輪齒條嚙合傳動準(zhǔn)確,氣缸也運行無誤。該方法可將新的創(chuàng)意思想轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實,縮短了產(chǎn)品設(shè)計的周期。
通過將慧魚創(chuàng)意組合模型應(yīng)用于機器人技術(shù)課程實驗,學(xué)生在對模型方案的設(shè)計與組裝中,熟悉并掌握機器人的機械和自動化裝置的常用結(jié)構(gòu)和工作原理,并取得以下效果:
(1)調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。以慧魚創(chuàng)意組合模型為載體的機器人實驗教學(xué)提供了一種特殊的學(xué)習(xí)模式,即一邊動手制作,一邊學(xué)習(xí)知識,在機器人制作過程中,每時每刻都會出現(xiàn)新的問題,明確的目標(biāo)激發(fā)學(xué)生主動去尋找答案,既得到滿意的作品又激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。
(2)發(fā)揮了學(xué)生創(chuàng)造性思維的積極性。在“實踐與創(chuàng)新”的宗旨下,通過慧魚創(chuàng)新方案的實施與應(yīng)用,提供了使學(xué)生的潛能得以充分發(fā)掘的環(huán)境,使學(xué)生逐漸養(yǎng)成“不墨守成規(guī),不拘泥于傳統(tǒng)”的思維習(xí)慣,培養(yǎng)了學(xué)生的實際動手能力、解決實際問題能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。
(3)促進教師自身素質(zhì)的提高,形成新的師生關(guān)系。由于創(chuàng)意組合模型涉及方案的創(chuàng)意和設(shè)計,許多內(nèi)容超出教材,甚至超出教師的知識范圍,因此必然督促教師自身的再學(xué)習(xí)和再提高。有了教學(xué)實踐中師生共同探討問題的經(jīng)歷,學(xué)生有問題愿找老師答疑和探討,形成一種互相學(xué)習(xí)、互相促進的新型師生關(guān)系。
通過采用慧魚創(chuàng)意組合模型在機器人實驗教學(xué)中的應(yīng)用與實踐,得出如下結(jié)論:
(1)設(shè)計氣動機械手的實驗方案,并采用慧魚模型組建、驗證。經(jīng)實驗調(diào)試,各元件對控制任務(wù)中要求的運動方向和啟停位置執(zhí)行準(zhǔn)確,達到控制要求,所設(shè)計方案準(zhǔn)確無誤。慧魚創(chuàng)意組裝模型可使創(chuàng)新思想迅速轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實,這種創(chuàng)新設(shè)計方法縮短了設(shè)計周期。
(2)在機器人實驗教學(xué)中采用慧魚創(chuàng)意組合模型,調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性,培養(yǎng)了學(xué)生的實際動手能力、解決實際問題能力和創(chuàng)新設(shè)計能力,形成了學(xué)生之間、師生之間進行平等討論的良好氛圍,是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的有效途徑。
[1]辛 穎,薛 偉,狄海廷,等.基于慧魚模型的機器人課程實驗教學(xué)改革探索[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2009,19(7):138 -140.
[2]蔡 理,郭魯家.“慧魚”模型在本科教學(xué)中的多層次應(yīng)用[J].實驗室研究與探索,2004,23(7):81 -83.
[3]田亞平.基于“慧魚”模型的開放性實驗創(chuàng)新模式探索[J].中國電力教育,2011,206(9):128 -129.
[4]馮 巍,楊 洋.慧魚六足仿生機器人步態(tài)研究與實現(xiàn)[D].北京:北京航空航天大學(xué),1992.