陳熠道

摘 要：文章主要分析了目前各大高職院校所面對開設(shè)機(jī)器人課程中所遇到的多項難處，針對現(xiàn)今成本高、不開放、可視性差和參與動手能力差的特點，介紹了6自由度工業(yè)串聯(lián)機(jī)器人的教學(xué)使用結(jié)構(gòu)分析、關(guān)節(jié)傳動組成、電機(jī)氣動參數(shù)等，然后講述了串聯(lián)機(jī)器人的教學(xué)應(yīng)用特點和可以進(jìn)行的教學(xué)項目設(shè)計。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)機(jī)器人 6自由度

中圖分類號：G423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0186-01

目前，中國正處于制造大國向制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)型時期，工業(yè)機(jī)器人在汽車工業(yè)、航空制造、機(jī)械加工、電子裝配和現(xiàn)代物流等規(guī)?；a(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用，是實現(xiàn)工業(yè)自動化的核心。尤其是石化、冶金等行業(yè)的包裝碼垛不斷向高速、重載方向發(fā)展，電子制造中的光伏硅片和平板顯示器的搬運以及激光加工等向高速、高精度方向不斷發(fā)展，高性能工業(yè)機(jī)器人需求日益強(qiáng)烈。機(jī)器人發(fā)展因此而帶來的人才培養(yǎng)需求開始顯現(xiàn)，當(dāng)前各高職高校紛紛建立機(jī)器人實驗室等教學(xué)手段，因此，相關(guān)的教學(xué)機(jī)器人設(shè)備是否符合教學(xué)與就業(yè)需求顯得尤為重要。

1 目前的問題

各高校開始購買工業(yè)機(jī)器人作為教學(xué)和實驗器材，但由于存在著一系列的問題，難以適應(yīng)教學(xué)和實驗的需求，一般存在的問題如下。

（1）成本高。工業(yè)機(jī)器人按照自由度和負(fù)載的不同一般價格在十幾萬人民幣以上，有些甚至高達(dá)幾十萬人民幣，這對于一些高校來說難以承受，而且造成培訓(xùn)成本很高。后續(xù)的維護(hù)成本也讓人無法承受。

（2）不開放。由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各廠家生產(chǎn)的機(jī)器人彼此獨立，控制和操作不相同，缺乏通用性。而且控制器和軟件出于各種目的不對用戶開放，僅提供有限的外部接口和庫函數(shù)，而且操作不太方便，極大地影響了教學(xué)效果，更不適合二次開發(fā)。

（3）可視性差。各廠家針對工業(yè)現(xiàn)場對機(jī)器人本體和控制器專門設(shè)計，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不可視，缺乏直觀的教學(xué)效果，學(xué)生往往知其然不知其所以然。

（4）參與動手能力差。目前普遍的教學(xué)、教育類機(jī)器人不論機(jī)械、電氣都是集成一體設(shè)計，學(xué)生只能觀看和簡單操作，無法對機(jī)器人本體和電控系統(tǒng)拆裝，無法深入了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理。

上述原因使開展相關(guān)教學(xué)和培訓(xùn)的單位對購買此類機(jī)器人設(shè)備變得越來越慎重，造成有教學(xué)、無實驗，重理論、輕實踐的局面，違背了開展機(jī)器人教育的初衷。因此開發(fā)模塊化、低成本、開放化、可視化的，體現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人基本理論和技術(shù)，面向以理論教學(xué)、操作實踐為目的的工業(yè)作業(yè)型教學(xué)機(jī)器人成為當(dāng)前的急需。

2 桌面串聯(lián)教學(xué)機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析

桌面串聯(lián)教學(xué)機(jī)器人由機(jī)械手本體、鋁合金實驗桌面、嵌入式掛板控制系統(tǒng)、末端氣動手爪、無油靜音氣泵、搬運樣件與支架、顯示器鍵鼠組成。

桌面型串聯(lián)教學(xué)機(jī)器人—伺服五步進(jìn)混合驅(qū)動：關(guān)節(jié)1步進(jìn)電機(jī)直連諧波減速器；關(guān)節(jié)2步伺服電機(jī)直連諧波減速器；關(guān)節(jié)3步進(jìn)電機(jī)同步齒形帶傳動連接諧波減速器；關(guān)節(jié)4步進(jìn)電機(jī)聯(lián)軸器直連諧波減速器；關(guān)節(jié)5步進(jìn)驅(qū)動同步帶傳動連接諧波減速器；關(guān)節(jié)6步進(jìn)電機(jī)聯(lián)軸器直連諧波減速器。

結(jié)構(gòu)形式：串聯(lián)關(guān)節(jié)式。

驅(qū)動方式：步進(jìn)伺服混合驅(qū)動。

負(fù)載能力：3Kg。

重復(fù)定位精度：±0.08 mm。

動作范圍：

θ1：-150°～150°，θ2：-135°～-45°

θ3：-70°～50°，θ4：-90°～90°

θ5：-90°～90°，θ6：-180°～180°。

最大動速度：

θ1：60°/s， θ2：60°/s

θ3：60°/s， θ4：60°/s

θ5：60°/s， θ6：120°/s。

最大展開半徑：610 mm。

高度：850 mm。

本體重量≤40 Kg。

操作方式：示教再現(xiàn)/編程。

供電電源單相：220 V、50 Hz、4 A。

機(jī)器人應(yīng)用電機(jī)：富士交流伺服電機(jī)、白山步進(jìn)、斯達(dá)特步進(jìn)。

I關(guān)節(jié)傳動鏈主要由伺服（或步進(jìn)）電機(jī)、減速器構(gòu)成。

II關(guān)節(jié)傳動鏈主要由步進(jìn)電機(jī)、減速器構(gòu)成。

III關(guān)節(jié)傳動鏈主要由步進(jìn)電機(jī)、同步帶、減速器構(gòu)成。

IV關(guān)節(jié)傳動鏈主要由步進(jìn)電機(jī)、減速器構(gòu)成。

V關(guān)節(jié)傳動鏈主要由步進(jìn)電機(jī)、同步帶、減速器構(gòu)成。

VI關(guān)節(jié)傳動鏈主要由步進(jìn)電機(jī)、減速器構(gòu)成。

在機(jī)器人末端還有一個氣動夾持器。

桌面串聯(lián)：1套富士100 W+五套白山步進(jìn)。

桌面串聯(lián)：6套諧波減速器。

機(jī)械手應(yīng)用傳感器：伺服電機(jī)增量式編碼器，關(guān)節(jié)限位光電開關(guān)。

機(jī)器人氣動技術(shù)：無油靜音氣泵-調(diào)壓過濾器-電磁閥-氣動手爪。

控制柜電纜線連接：5根電纜及控制柜后部的圓形連接器部位都標(biāo)有編號（CN1、CN2、CN3、CN4、CN5），確認(rèn)編號后一一對應(yīng)進(jìn)行連接，連接時對準(zhǔn)針孔位置，連接后旋轉(zhuǎn)插頭外殼固定。

3 教學(xué)應(yīng)用特點

（1）六自由度串聯(lián)教學(xué)機(jī)器人是完全工業(yè)級產(chǎn)品，步進(jìn)伺服混合驅(qū)動，采用工業(yè)機(jī)器人一樣的進(jìn)口RV減速器與諧波減速器傳動。主要應(yīng)用于零部件搬運與裝配、焊接、上下料等應(yīng)用教學(xué)，系統(tǒng)全部開放。

（2）機(jī)構(gòu)按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單、速度快。

（3）控制系統(tǒng)采用Windows系列操作系統(tǒng)，二次開發(fā)方便、快捷，適于教學(xué)實驗提供教材、實驗指導(dǎo)書等，內(nèi)容涵蓋機(jī)器人運動學(xué)、動力學(xué)、控制系統(tǒng)的設(shè)計、機(jī)器人軌跡規(guī)劃等。

（4）模塊化結(jié)構(gòu)，簡單、緊湊。

（5）控制系統(tǒng)人機(jī)交互良好，采用圖形化示教盒進(jìn)行操作、控制。同時二次開發(fā)時可以提供相應(yīng)Windows環(huán)境接口提供通用六自由度并聯(lián)機(jī)器人語言編程系統(tǒng)，可通過示教自動生成機(jī)器人語言等程序。

（6）具備實際運動控制、實物加工演示及實物真實加工操作等功能。

（7）軟件開放接口，線纜長度滿足正常使用，可與控制系統(tǒng)電控柜直接連接。開放接口可以用于教師或?qū)W生對于設(shè)備功能的二次開發(fā)。

（8）具備軟件的可升級功能。

（9）具備計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)和系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展功能。

4 可以進(jìn)行的教學(xué)項目

六自由度工業(yè)作業(yè)型串聯(lián)機(jī)器人實驗：機(jī)器人的認(rèn)識；機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)；機(jī)器人的控制系統(tǒng)；機(jī)器人示教編程與再現(xiàn)控制；機(jī)器人坐標(biāo)系的建立；機(jī)器人正運動學(xué)分析；機(jī)器人逆運動學(xué)分析；機(jī)器人的搬運裝配實驗。

5 結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備，發(fā)達(dá)國家以機(jī)器人為核心的自動化生產(chǎn)線已成為一種趨勢，尤其在汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、物流倉儲行業(yè)，大大保證和提高了企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，推動了這些行業(yè)的快速發(fā)展，使其制造技術(shù)也由傳統(tǒng)制造工藝技術(shù)發(fā)展到先進(jìn)的高新制造技術(shù)。在這種背景下，對以工業(yè)機(jī)器人為核心的制造裝備的需求日益加大。各大高校應(yīng)該順勢而為，積極開展相應(yīng)的課程，使用相應(yīng)的設(shè)備培養(yǎng)相應(yīng)的人才。

參考文獻(xiàn)

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