盧振利

(常熟理工學(xué)院 電氣與自動化工程學(xué)院， 常熟 215500)

二十世紀(jì)初期,以國際機器人“四大家族”(發(fā)那科、ABB、庫卡、安川)為代表的工業(yè)機器人產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于汽車、電子、物流、化工等各工業(yè)領(lǐng)域之中[1]。結(jié)合工作任務(wù)的工藝和工序，通過人引導(dǎo)工業(yè)機器人，按照實際需求動作流程操作，記憶示教的每個動作的姿態(tài)、位置、工藝參數(shù)、運動參數(shù)等，并自動生成一個連續(xù)的程序，工業(yè)機器人自動再現(xiàn)示教好的動作流程。 “工業(yè)機器人”作為工科院校的一門本科專業(yè)課，很多學(xué)校通過典型6軸工業(yè)機器人本體來開展教學(xué)[2-4]。

隨著工業(yè)4.0和中國制造2025等計劃的實施，以沈陽新松機器人、廣州數(shù)控、南京埃斯頓、安徽埃夫特為代表的中國工業(yè)機器人企業(yè)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)機器人不僅要能完成示教再現(xiàn)任務(wù)，還要具備人機交互、安全避碰等智能化功能。

在以長三角地區(qū)產(chǎn)業(yè)升級過程中，工業(yè)機器人生產(chǎn)企業(yè)及集成公司在自動化領(lǐng)域“機器換人”的迫切需求下，進行系統(tǒng)集成和定制生產(chǎn)OEM(Original Equipment Manufacturer)的關(guān)鍵技術(shù)研究[5-6]。

以工業(yè)機器人為主導(dǎo)的，面向非標(biāo)自動化行業(yè)生產(chǎn)線設(shè)計，需要大批集成和調(diào)試的現(xiàn)場工程師參與。而這正是以研究型為主本科院校和高職高專院校等專業(yè)人才培養(yǎng)的薄弱環(huán)節(jié)。順應(yīng)行業(yè)發(fā)展對人才的需求，常熟理工學(xué)院率先提出校地互動發(fā)展、校企合作的辦學(xué)思路，圍繞地方經(jīng)濟社會發(fā)展，推出著力培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)模式[7-9]。

以該校電氣與自動化工程學(xué)院 “工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)”課程教學(xué)改革為例，它基于科研反哺教學(xué)理念，通過教師科研項目凝練關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)選工業(yè)機器人平臺，構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容和實踐項目；在教學(xué)內(nèi)容方面不僅注重工業(yè)機器人知識、技能和設(shè)計方法講解，更在培養(yǎng)動手實踐能力方面著重設(shè)計構(gòu)思和編程調(diào)試技能訓(xùn)練，使行業(yè)需求與人才培養(yǎng)無縫對接。

1 手眼自動裝配分揀系統(tǒng)

通過長三角地區(qū)非標(biāo)自動化領(lǐng)域的企業(yè)大型零件裝配和壓鑄行業(yè)上下料項目需求調(diào)研，“工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)”課程以項目需求的形式，結(jié)合工業(yè)機器人及周邊產(chǎn)品，與非標(biāo)自動化集成公司通過招標(biāo)形式進行系統(tǒng)設(shè)計與裝配及后期二次開發(fā)等工作[10]。該項目通過大恒圖像工業(yè)相機和哈爾濱瑞博特機器人技術(shù)有限公司六自由度工業(yè)機器人(載荷6公斤)搭建手眼系統(tǒng)，再以絲杠導(dǎo)軌連接機器人底座，組成七自由度機器人系統(tǒng)，如圖1所示。機器視覺系統(tǒng)安裝于六自由度工業(yè)機器人手腕關(guān)節(jié)處，辨識場景如圖2所示。

圖1 工業(yè)機器人自動裝配分揀實踐系統(tǒng)

圖2 機器視覺顏色辨識模塊

六自由度工業(yè)機器人單元包括六自由度工業(yè)機器人本體、氣動手爪、機器人行走軌道、機器人系統(tǒng)控制柜、標(biāo)準(zhǔn)手持示教器、靜音氣泵。供料輸送分揀系統(tǒng)單元包括皮帶輸送機、鋁型材原料倉庫、鋁型材成品倉庫、裝配平臺、分揀倉庫、工件、鋁型材實訓(xùn)桌、光電對射傳感器、材質(zhì)檢測裝置、觸摸屏等設(shè)備。

該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對高速傳輸?shù)墓ぜM行顏色識別、檢測、搬運、分揀、裝配、存儲等操作。系統(tǒng)操作過程是：機器視覺系統(tǒng)辨識紅色或者黃色軸承，抓取放到裝配臺；依據(jù)抓取到的軸承，在軸承蓋物料庫選取同顏色的軸承蓋，在裝配臺進行裝配形成組件，如圖3所示；再通過機械手將裝配好的組件放到傳送帶，根據(jù)光電傳感器和材質(zhì)檢測傳感器來實現(xiàn)成品入庫和分揀工作。

圖3 取和裝配操作

該系統(tǒng)中人機交互是通過工控機和PLC及觸摸屏來實現(xiàn)單體控制和系統(tǒng)自動運行等功能，如圖4所示。

圖4 人機交互界面控制模式

該系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)、電氣控制回路、執(zhí)行機構(gòu)相對獨立，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計。通過此系統(tǒng)可以進行機械組裝、電氣線路設(shè)計與接線、PLC 編程與調(diào)試、智能視覺流程編輯、工業(yè)機器人編程與調(diào)試等多方面訓(xùn)練。采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計使學(xué)生可以學(xué)習(xí)工業(yè)機器人基礎(chǔ)知識，掌握常用工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)、特性；了解各種機器人的傳動原理，具有分析、選用工業(yè)機器人設(shè)備的能力；掌握工業(yè)機器人使用方法，了解工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢；掌握在機器人控制開發(fā)環(huán)境下編寫程序，調(diào)試機器人運動控制程序；掌握工業(yè)機器人控制器調(diào)試，并能對實踐結(jié)果進行分析。

2 現(xiàn)代工業(yè)機器人技術(shù)實踐

通過長三角地區(qū)非標(biāo)自動化領(lǐng)域小型零件抓取和裝配行業(yè)機器換人需求的調(diào)研，從實踐現(xiàn)代工業(yè)機器人技術(shù)功能需求選型入手，選取用于研究和原型設(shè)計的“運動學(xué)冗余”的美國Robai公司Cyton Gamma 1500七自由度機器人手臂，如圖5所示，搭建手眼系統(tǒng)[11]。

圖5 Cyton Gamma 1500實踐系統(tǒng)

該機器人系統(tǒng)不需要外部控制器，只需要將機器人電源接電，將附帶的USB電纜連接到Windows或Linux計算機系統(tǒng)即可。該機器人通過3D打印技術(shù)增強的關(guān)節(jié)力矩來優(yōu)化整體設(shè)計，通過C語言開發(fā)環(huán)境設(shè)計運動控制源代碼和交互式GUI(Graphic User Interface)圖形任務(wù)軟件等多種方式提供不同需求層面人員實現(xiàn)類似人類運動，七自由度可優(yōu)化機器人動作流暢性和精度及實現(xiàn)避障能力。該機器人支持使用Actin控制接口移動鉗子到目標(biāo)位置 ，同時接受應(yīng)用C++ SDK，TCP，LabVIEW或者ROS接口命令程序生成目標(biāo)或定位。使學(xué)生可以掌握機器人程序的編寫方法的三種位置控制：世界坐標(biāo)、機器人關(guān)節(jié)、機器人末端坐標(biāo)；掌握機器人控制器的編程技巧；掌握機器人控制器常用函數(shù)的定義和調(diào)用；掌握末端手抓的使用。

3 工業(yè)AGV關(guān)鍵技術(shù)教學(xué)

現(xiàn)代工業(yè)中無人工廠通過AGV (Automated Guided Vehicle)實現(xiàn)物料自動搬運的核心技術(shù)是小車的控制和系統(tǒng)集成。工業(yè)界AGV指裝備有自動導(dǎo)航裝置、能夠沿規(guī)定的導(dǎo)航路徑行駛、具有安全保護以及各種移載功能的運輸車。工業(yè)應(yīng)用一般可通過電腦來控制其行進路徑以及行為，或利用電磁軌道(electromagnetic path-following system)來設(shè)立其行進路徑。

“工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù) ”課程以購置中型組足球機器人，如圖6所示，參加中國RoboCup比賽為切入點，通過對該機器人二次開發(fā)為AGV教學(xué)和科研平臺，以萬向輪運動模型為對象，如圖7所示，設(shè)置不同軌跡控制算法，以C++環(huán)境編輯源代碼，編譯生成AGV運動控制系統(tǒng)[12-16]。

圖6 中型組足球機器人

圖7 萬向輪驅(qū)動系統(tǒng)

課程通過中型組足球機器人持球器與射門器的力度參數(shù)變化，對球進行定位傳輸程序設(shè)計，使學(xué)生進一步鞏固機器人基礎(chǔ)知識，掌握機器人的結(jié)構(gòu)、特性；了解機器人的傳動原理，具有分析、選用工業(yè)機器人設(shè)備的能力；掌握根據(jù)任務(wù)結(jié)合環(huán)境來修改機器人參數(shù)的使用方法。以人與機器人進行足球比賽為背景，課程在中型組足球機器人比賽系統(tǒng)提供代碼基礎(chǔ)上，增設(shè)Kinect等傳感器設(shè)備，如圖8所示，開發(fā)人機交互、動作辨識和步態(tài)控制等關(guān)鍵技術(shù)。

圖8 人機交互實踐系統(tǒng)

4 改革成果

“工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)”課程通過滿足企業(yè)技術(shù)需求的教師科研項目，凝練關(guān)鍵技術(shù)并搭建實踐系統(tǒng)平臺，相關(guān)知識模塊在 “電力拖動與運動控制”“傳感器原理與檢測技術(shù)”“PLC控制技術(shù)理論與實踐”“控制器編程基礎(chǔ)” “微機原理與接口技術(shù)”“控制網(wǎng)絡(luò)與通信”等先修課程里進行必要鋪墊。課程教改后，從2017 年開始陸續(xù)在自動化、測控技術(shù)與儀器等專業(yè)大三本科進行教學(xué)實踐，并結(jié)合不同專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)持續(xù)改進，使學(xué)生在校內(nèi)課堂教學(xué)中就無縫掌握了企業(yè)需求的關(guān)鍵技術(shù)。專業(yè)教師每年以平臺為背景設(shè)立畢業(yè)設(shè)計課題20余項；應(yīng)用中型組機器人等平臺組織大學(xué)生機器人比賽；學(xué)生為此獲得十多項國家級獎項，還被ABB等知名機器人公司錄用為項目工程師。通過與中國礦業(yè)大學(xué)碩士研究生聯(lián)合培養(yǎng)模式，以中型組機器人等為研發(fā)平臺，培養(yǎng)機器人人機交互方向研究生5名；為?！皺C器人智能控制技術(shù)及應(yīng)用”科研團隊9名教師的產(chǎn)學(xué)研項目提供平臺支撐；還參與中國塞爾維亞政府間科技合作交流項目等工作。

5 結(jié)語

本文闡述了以行業(yè)需求為主導(dǎo)的具有科研反哺教學(xué)理念的“工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)”課程改革，通過科研平臺搭建實踐系統(tǒng)，重構(gòu)課程實踐案例，以持續(xù)改進為抓手，提升本科學(xué)生工程實踐能力，為應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)進行了有益探索。