賈衛(wèi)平　趙洪健　蓋欣桐　韋佳寶

摘要：工業(yè)機(jī)器人綜合了機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科技術(shù)，是智能制造系統(tǒng)中的重要單元。在課程實(shí)踐中，將工業(yè)機(jī)器人作為一種機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制操作?；贏BB六軸工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以企業(yè)工程應(yīng)用和自主設(shè)計(jì)任務(wù)作為創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人三維建模、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、程序開(kāi)發(fā)和動(dòng)作執(zhí)行。在工業(yè)機(jī)器人課程中應(yīng)用后，取得了明顯的效果，有助于學(xué)生更好地掌握工業(yè)機(jī)器人基本理論和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，并能使學(xué)生更好地理解工業(yè)機(jī)器人單元在智能制造系統(tǒng)中的作用。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;項(xiàng)目驅(qū)動(dòng);設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā);實(shí)踐;創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2020）16-0226-03

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(jí)，綜合了機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科知識(shí)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，作為高端裝備制造的基礎(chǔ)設(shè)備之一，成為“中國(guó)制造2025”的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域[1-4]。工業(yè)機(jī)器人課程是機(jī)械類本科專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門專業(yè)課程，同時(shí)設(shè)置了實(shí)踐環(huán)節(jié)，將理論和實(shí)踐結(jié)合是一種學(xué)用結(jié)合的有效教學(xué)模式[5-8]。課程組在工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐平臺(tái)上，將工程應(yīng)用案例化和自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)內(nèi)容作為項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，開(kāi)設(shè)工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)性和創(chuàng)新性實(shí)踐內(nèi)容，在課程應(yīng)用后，可使學(xué)生得到機(jī)器人理論、機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)電控制、機(jī)器人編程和實(shí)踐動(dòng)手的綜合訓(xùn)練，并進(jìn)一步了解工業(yè)機(jī)器人在智能制造中的應(yīng)用[9]。本課程的實(shí)踐項(xiàng)目建設(shè)思路，對(duì)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(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

在工業(yè)機(jī)器人課程中，通常將機(jī)器人的認(rèn)知與分析、機(jī)器人的示教控制，作為課程固化的實(shí)踐內(nèi)容[6]。但是由于與應(yīng)用結(jié)合不緊密，仍然存在停留在表層知識(shí)的理解，而自主進(jìn)行二次設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)仍有局限性等問(wèn)題。因此，我校首先在工業(yè)機(jī)器人課程原有基礎(chǔ)性實(shí)踐內(nèi)容中，以工業(yè)機(jī)器人在工程中的實(shí)際應(yīng)用，如搬運(yùn)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(jì)算、選型開(kāi)始，系統(tǒng)地進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目中學(xué)習(xí)和理解工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)理論知識(shí)，學(xué)習(xí)機(jī)器人編程語(yǔ)言和動(dòng)作控制。其次，在工業(yè)機(jī)器人課程中新增加創(chuàng)新性實(shí)踐內(nèi)容，將教師的科研課題[6]、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、課外科技競(jìng)賽[10]等內(nèi)容都作為自主開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的項(xiàng)目，完成工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作編程和實(shí)踐操作，以學(xué)生自主設(shè)計(jì)和解決問(wèn)題為主，引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題和解決問(wèn)題。

三、工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)實(shí)踐

（一）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析及三維建模

以搬運(yùn)物料作為作業(yè)任務(wù)，在ABB六軸工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐平臺(tái)上進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目的是在設(shè)計(jì)中能更好地理解和掌握工業(yè)機(jī)器人的基本理論知識(shí)。分析和計(jì)算的主要參數(shù)有：機(jī)械手工作空間范圍、動(dòng)作規(guī)劃、各關(guān)節(jié)節(jié)拍、各動(dòng)作時(shí)間分配、各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度、工作空間內(nèi)各關(guān)節(jié)臂臂長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)行程，以及機(jī)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(shè)計(jì)是企業(yè)技術(shù)人員常用的設(shè)計(jì)方法[11]。進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人三維模型設(shè)計(jì)時(shí)，選用參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，如三維建模軟件Solidworks，對(duì)于同型號(hào)工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)，以各關(guān)節(jié)軸線在空間中的位置關(guān)系構(gòu)成基礎(chǔ)參數(shù)，通過(guò)各關(guān)節(jié)軸線相對(duì)位置的平移旋轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中工業(yè)機(jī)械手各零部件的尺寸變化，從而擬定出工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)軸線的位置關(guān)系。根據(jù)工業(yè)機(jī)械手基本參數(shù)定出機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)軸線位置尺寸后，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)建模;同時(shí)利用參數(shù)化軟件的測(cè)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(jī)器人三維結(jié)構(gòu)模型。

（二）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要是機(jī)械手伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和控制算法設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)工作流程為：編程示教器將各程序命令傳入主機(jī)中，與主機(jī)直接通訊，構(gòu)成人機(jī)交互;其次在主機(jī)控制總線上的各個(gè)模塊進(jìn)行通訊，各模塊包括傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)模塊和其他I/O設(shè)備，最后伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和完成任務(wù)。

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路為：通過(guò)理論分析，將驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)理論算法轉(zhuǎn)換為具體的實(shí)用算法;設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)框圖，利用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)出PID閉環(huán)控制傳遞函數(shù)。對(duì)機(jī)器人實(shí)際工作中的末端位姿進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是很困難的，為提高控制精度，機(jī)器人電機(jī)控制必須選擇閉環(huán)PID方式去控制。

四、基于工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)的項(xiàng)目實(shí)踐和二次開(kāi)發(fā)

在ABB六軸工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)上，以實(shí)際執(zhí)行任務(wù)作為工業(yè)機(jī)器人編程和執(zhí)行動(dòng)作來(lái)進(jìn)行實(shí)踐和應(yīng)用。將工程應(yīng)用案例化作為實(shí)踐項(xiàng)目[12]，更利于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握工業(yè)機(jī)器人的基本編程命令和操作實(shí)踐;而學(xué)生可自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目，如繪制圖形進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，將工程應(yīng)用和創(chuàng)新設(shè)計(jì)相結(jié)合，完成綜合性的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)任務(wù)。

（一）上下料項(xiàng)目

工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行上下料，在企業(yè)實(shí)際應(yīng)用中是工業(yè)機(jī)器人的常見(jiàn)任務(wù)。實(shí)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(wù)分析及設(shè)備條件，設(shè)計(jì)任務(wù)控制流程圖如圖1所示，控制流程圖也可用為工業(yè)機(jī)器人編程的參考。

（二）執(zhí)筆作畫任務(wù)

在工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)上，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)踐內(nèi)容，自主開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的項(xiàng)目，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并能在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。執(zhí)筆作畫任務(wù)，是指學(xué)生在實(shí)踐中自主創(chuàng)意、自主開(kāi)發(fā)并完成的項(xiàng)目。

在進(jìn)行執(zhí)筆作畫設(shè)計(jì)時(shí)，將工業(yè)機(jī)械手的末端執(zhí)行器調(diào)整為繪制工具，并在A4白紙上簡(jiǎn)單畫一幅畫形。對(duì)于書寫和作畫而言，重點(diǎn)在于筆尖的軌跡，將機(jī)械手工具坐標(biāo)原中心TCP點(diǎn)移至筆尖。該開(kāi)發(fā)任務(wù)重點(diǎn)在于筆尖的運(yùn)動(dòng)即TCP點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，考慮到A4紙的位置不是固定位置，引入工件坐標(biāo)系，將A4紙當(dāng)成一個(gè)非常薄的工件，在每一次畫畫時(shí)確定A4紙所在的平面及A4紙的鋪放姿態(tài)。通過(guò)描點(diǎn)法，將線條分段，獲取所繪圖形軌跡，將所繪圖形分得越細(xì)，則畫出的相似程度越高。圖形中線條坐標(biāo)的獲取方法主要有網(wǎng)格描點(diǎn)記錄法和圖片處理軟件生成法。其中網(wǎng)格描點(diǎn)記錄法通常用于簡(jiǎn)單的圖形線條，依賴于人的視覺(jué)去尋找描點(diǎn)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(duì)圖片處理，比如圖片濾波、灰度二值化、邊沿檢測(cè)等，高效且快速。此次繪制圖形如圖2（a）所示，圖形比較簡(jiǎn)單，故采用網(wǎng)格描點(diǎn)記錄法，執(zhí)行繪畫過(guò)程和完成的圖形效果如圖2（b）（c）所示。

五、結(jié)語(yǔ)

基于ABB六軸工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，將機(jī)器人在企業(yè)應(yīng)用搬運(yùn)上下料和自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)內(nèi)容作為項(xiàng)目開(kāi)發(fā)任務(wù)，按照系統(tǒng)化的實(shí)踐思路，進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)建模、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、程序開(kāi)發(fā)和動(dòng)作執(zhí)行實(shí)踐操作。在工業(yè)機(jī)器人課程應(yīng)用后，學(xué)生既能夠在實(shí)踐中理解和掌握工業(yè)機(jī)器人理論知識(shí)，又能通過(guò)自主設(shè)計(jì)的內(nèi)容提升學(xué)習(xí)興趣和解決問(wèn)題能力，提高自身的設(shè)計(jì)實(shí)踐和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。實(shí)施后課程建設(shè)取得了明顯的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王田苗，陶永.我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（9）：1-13.

[2]計(jì)時(shí)鳴，黃希歡.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述[J].機(jī)電工程，2015，32（1）：1-13.

[3]周傳彪，周曉蓮.工業(yè)機(jī)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(jī)器人課程中開(kāi)展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的探索與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2019，（12）：265-266.

[5]李頎，強(qiáng)華.工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)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(dǎo)下的本科生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)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(jī)器人實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（9）：201-203，207.

[8]魏志麗.虛擬工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)與研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2013，32（8）：85-87，110.

[9]吳長(zhǎng)庚.機(jī)械設(shè)備制造中自動(dòng)化技術(shù)及工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)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(jī)器人技術(shù)”專業(yè)建設(shè)[J].教育教學(xué)論壇，2019，（6）：262-263.

[11]馮慧娟，苗青，樊勝秋，等.工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2019，（2）：100-101，104.

[12]黃晨華，毛桂生.上下料工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013，（3）：161-164.

Design and Develop of Industrial Robot Experiment Based on Project-driven

JIA Wei-ping，ZHAO Hong-jian，GE Xin-tong，WEI Jia-bao

（College of Mechanical Engineering，Dalian University，Dalian，Liaoning 116622，China）

Abstract：Industrial robots are important units in intelligent manufacturing systems which integrating multidisciplinary technologies such as mechanics，automation and computers.The industrial robot was regarded as an electromechanical product to be designed and practiced in the course teaching.The experimental projects were mainly come from the enterprise engineering application and independent design task of innovative ideas，and were carried on the ABB six-axis industrial robot platform.The industrial robots were systematically designed and operated about the 3D mechanical structure，electromechanical control system，the operation program and action execution.After being applied in the course，the obvious effects have been achieved on mastering the basic theory and project development of industrial robots.And it was benefit to cultivate the design ability，practice ability and innovation ability，as while as to understand the role of industrial robot on the intelligent manufacturing system.

Key words：industrial robot;project-driven;design and development;practice;innovation

收稿日期：2019-06-30

基金項(xiàng)目：教育部新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目（面向新工科人才培養(yǎng)的工程實(shí)踐教育體系與實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)）;教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（“工業(yè)機(jī)器人”課程建設(shè)）

作者簡(jiǎn)介：賈衛(wèi)平（1971-），女，吉林永吉人，碩士，副教授，副院長(zhǎng)，主要研究方向?yàn)楦叩裙こ探逃?，電化學(xué)沉積。