朱 勤，朱巍峰

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

隨著我國智能制造業(yè)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人作為其中的重要組成部分已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了各種領(lǐng)域。我國已成為工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用大國，但工業(yè)機(jī)器人技術(shù)人員存在大量缺口。為了滿足社會(huì)對(duì)工業(yè)機(jī)器人人才的需求，各大院校都開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)，主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人的操作、編程調(diào)試、系統(tǒng)集成、維護(hù)維修等能力。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)的核心課程，其中工業(yè)機(jī)器人手動(dòng)操作能力是最重要的基礎(chǔ)技能。蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人專業(yè)，并在眾多工業(yè)機(jī)器人品牌中選擇了ABB機(jī)器人作為教學(xué)載體。在課程設(shè)置的能力目標(biāo)中，將熟練操作機(jī)器人列為最基本技能，要求學(xué)生能夠?qū)⒅悄懿僮鳈C(jī)器人移動(dòng)到準(zhǔn)確的位置，調(diào)整好正確的姿態(tài)，進(jìn)而完成各項(xiàng)任務(wù)。如果學(xué)生的手動(dòng)操作沒有掌握好，則會(huì)給后續(xù)的編程調(diào)試學(xué)習(xí)帶來很大難度。在教學(xué)過程中，由于學(xué)生手動(dòng)操作掌握不足帶來的問題主要包括設(shè)備碰撞、定位不準(zhǔn)確、軸配置錯(cuò)誤等。在教學(xué)過程中，教師發(fā)現(xiàn)使用仿真軟件進(jìn)行輔助教學(xué)能夠有效提高學(xué)生的手動(dòng)操作能力，減少以上問題的發(fā)生。

1 手動(dòng)操作機(jī)器人技能的學(xué)情分析

ABB機(jī)器人手動(dòng)操作共包括單軸、線性和重定位三種模式，如圖1所示。

圖1 ABB機(jī)器人三種操作模式Fig.1 Three operation modes of ABB robot

第一，單軸模式最為直觀，使用搖桿控制機(jī)器人每個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。例如，搖桿左右控制機(jī)器人1軸旋轉(zhuǎn)，搖桿上下控制機(jī)器人2軸旋轉(zhuǎn)。學(xué)生只要明確搖桿方向和機(jī)器人軸旋轉(zhuǎn)方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以正常進(jìn)行機(jī)器人的操作控制。這種模式是學(xué)生最容易掌握的，但是由于單軸模式的運(yùn)動(dòng)方式是每個(gè)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，所以無法使機(jī)器人以直線運(yùn)動(dòng)。

第二，線性模式能夠使機(jī)器人在空間中做直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向也很直觀，是以三坐標(biāo)的XYZ方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，它的難點(diǎn)在于坐標(biāo)系的選擇。在使用線性模式之前，必須要先確定使用哪種坐標(biāo)系。ABB機(jī)器人共包含4大坐標(biāo)系，分別是大地坐標(biāo)、基坐標(biāo)、工具坐標(biāo)和工件坐標(biāo)。其中，大地坐標(biāo)和基坐標(biāo)都是不變的，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)比較容易理解和接受。但工具坐標(biāo)和工件坐標(biāo)是可變的，要根據(jù)實(shí)際工作情況自行設(shè)定。由此可見，線性模式是非常靈活的，但也代表其使用起來更為復(fù)雜，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中需要通過大量練習(xí)和實(shí)踐來加深對(duì)線性模式的理解和掌握。

第三，重定位模式的運(yùn)動(dòng)方式是圍繞一個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使用時(shí)一般會(huì)選擇工具坐標(biāo)作為旋轉(zhuǎn)的基準(zhǔn)，也可以選擇其他三種坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)。在此種模式下，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍和幅度是最小的，但是旋轉(zhuǎn)方向的判斷是三種動(dòng)作模式中最難的。當(dāng)工具更換后，工具坐標(biāo)發(fā)生變化，旋轉(zhuǎn)的方向也會(huì)隨之發(fā)生變化，對(duì)于學(xué)生來說掌握難度又會(huì)有所提高。

三種運(yùn)動(dòng)模式都具有各自的特點(diǎn)和作用，在實(shí)際的工作任務(wù)中，學(xué)生應(yīng)能夠綜合運(yùn)用這三種動(dòng)作模式。例如，使用夾爪搬運(yùn)工件，學(xué)生需要將機(jī)器人的夾爪移動(dòng)到抓取工件的位置，先使用單軸模式調(diào)整夾爪的姿態(tài)，然后使用線性模式將夾爪移動(dòng)到工件附近，最后用重定位模式對(duì)姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)。在此過程中，學(xué)生需要熟練掌握三種模式的使用，如果運(yùn)動(dòng)方向判斷錯(cuò)誤，就有可能造成夾爪和工件的碰撞；如果軸的旋轉(zhuǎn)角度使用錯(cuò)誤，就可能造成關(guān)節(jié)限位，無法到達(dá)夾取位置；如果學(xué)生操作不熟練，導(dǎo)致操作時(shí)間過長，就可能造成任務(wù)無法按時(shí)完成，教學(xué)效率下降等問題。

2 工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)存在的問題

2.1 課堂教學(xué)時(shí)間不足

由于工業(yè)機(jī)器人手動(dòng)操作的實(shí)踐性較強(qiáng)，僅靠課堂教學(xué)時(shí)間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此必須安排大量練習(xí)時(shí)間，才能使學(xué)生達(dá)到一定的熟練度。蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室共有9套工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)臺(tái)，能夠保證4人共享一臺(tái)設(shè)備。一個(gè)課時(shí)平均分配，每人只有11 min的操作時(shí)間，如果再減去教師講解演示的時(shí)間，則留給學(xué)生的操作時(shí)間更少。如果增加課時(shí)來訓(xùn)練學(xué)生的手動(dòng)操作能力，則不利于后續(xù)編程調(diào)試等難度更高課程的進(jìn)一步開展。如果手動(dòng)操作的課時(shí)安排太少，學(xué)生的手動(dòng)操作能力不足，也會(huì)對(duì)后續(xù)的編程調(diào)試任務(wù)產(chǎn)生影響。

2.2 學(xué)生學(xué)習(xí)能力存在差異

在實(shí)際教學(xué)中由于不同學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手能力都存在較大差異，部分基礎(chǔ)較弱的學(xué)生無法在規(guī)定的操作時(shí)間內(nèi)掌握操作技能，就必須把設(shè)備讓給其他同學(xué)。當(dāng)有學(xué)生在操作中遇到困難的時(shí)候，就需要教師能夠即使進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，幫助解決問題。如果同時(shí)有多位學(xué)生需要求助教師的時(shí)候，教師則很難兼顧到每個(gè)學(xué)生，導(dǎo)致課堂效率和教學(xué)效果不佳。

2.3 機(jī)器人類型不夠多樣

ABB機(jī)器人的型號(hào)多種多樣，其手動(dòng)操作方式也不盡相同。受場(chǎng)地和經(jīng)費(fèi)等問題的限制，學(xué)校實(shí)訓(xùn)室無法配備所有類型的機(jī)器人。高校通常都使用小型的六軸工業(yè)機(jī)器人，如IRB20型機(jī)器人，大型工業(yè)機(jī)器人配備不足，這樣會(huì)導(dǎo)致手動(dòng)操作的內(nèi)容不夠完整。

3 RobotStudio仿真軟件在工業(yè)機(jī)器人課程中的應(yīng)用策略

3.1 改善教學(xué)組織方式

本校在工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)中引入了RobotStudio仿真軟件，這是ABB公司的工業(yè)機(jī)器人仿真軟件，這個(gè)軟件的機(jī)器人庫中包含了ABB所有型號(hào)的工業(yè)機(jī)器人。將實(shí)際實(shí)訓(xùn)臺(tái)通過建模導(dǎo)入到軟件中，通過創(chuàng)建機(jī)器人系統(tǒng)，開發(fā)了仿真實(shí)訓(xùn)臺(tái)。在仿真實(shí)訓(xùn)臺(tái)中能夠完成與實(shí)際實(shí)訓(xùn)臺(tái)中相同的操作，便于學(xué)生在課下進(jìn)行手動(dòng)操作練習(xí)，如圖2所示。

圖2 仿真工作站Fig.2 Simulation workstation

在仿真實(shí)訓(xùn)臺(tái)的基礎(chǔ)上重新組織教學(xué)過程。采用課前、課中、課后相結(jié)合的混合式教學(xué)模式。將手動(dòng)操作三種模式的操作過程制作成視頻，學(xué)生在課前自學(xué)視頻內(nèi)容，然后在仿真實(shí)訓(xùn)臺(tái)上進(jìn)行操作練習(xí)，這樣可以使學(xué)生在課前完成對(duì)一些流程性的知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)的學(xué)習(xí)。在仿真軟件中進(jìn)行操作練習(xí)的過程中，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)向教師請(qǐng)教操作中遇到的問題，教師能夠及時(shí)答疑解惑。在課堂環(huán)節(jié)中，教師可以減少對(duì)理論知識(shí)的講解，重點(diǎn)組織學(xué)生討論操作中發(fā)現(xiàn)的問題，安排學(xué)生在實(shí)際實(shí)訓(xùn)臺(tái)上進(jìn)行操作驗(yàn)證和考核，使教師可以在有限的課堂時(shí)間內(nèi)，對(duì)學(xué)生的操作規(guī)范和熟練程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出整改意見。在課后，學(xué)生可以根據(jù)課堂中發(fā)現(xiàn)的問題，進(jìn)一步鍛煉并提高自身操作能力。

3.2 完善教學(xué)內(nèi)容

高校應(yīng)配備大型的四軸工業(yè)機(jī)器人、平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人、并聯(lián)型機(jī)器人、雙臂協(xié)作型機(jī)器人等各類型機(jī)器人，使學(xué)生能夠掌握更多類型機(jī)器人的手動(dòng)操作技術(shù)。將RobotStudio仿真軟件應(yīng)用于不同類型的工業(yè)機(jī)器人操作中，加強(qiáng)對(duì)不同類型工業(yè)機(jī)器人的手動(dòng)操作練習(xí)，如圖3所示。

圖3 多種類型的工業(yè)機(jī)器人Fig.3 Many kinds of industrial robots

3.3 更加貼近生產(chǎn)實(shí)踐

手動(dòng)操作的目的是將機(jī)器人的工具移動(dòng)到具體的工作位置。實(shí)訓(xùn)室中，基本使用的是小型機(jī)器人，其工具和工件的結(jié)構(gòu)比較簡單，一般不需要考慮工具及工件的形態(tài)，工具和工件之間的干涉較少，操作難度較低。學(xué)生認(rèn)為此類手動(dòng)操作比較簡單，不愿意投入過多時(shí)間進(jìn)行練習(xí)以提高操作水平。在實(shí)際的工業(yè)領(lǐng)域中，工業(yè)機(jī)器人在汽車生產(chǎn)線中的應(yīng)用十分廣泛。在車門安裝工序中，由于車門較大且形狀不規(guī)則，因此用到的工具也較大且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如圖4所示。在這種情況下工具和工件的干涉，以及在搬運(yùn)過程中和周邊設(shè)備的干涉就非常復(fù)雜，對(duì)于手動(dòng)操作的要求也非常高。利用RobotStudio軟件將車門安裝這一實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)制作成仿真工作站，可以讓學(xué)生直觀地感受不同的生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)手動(dòng)操作的要求。

圖4 車門安裝Fig.4 Door installation

3.4 激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造能力

應(yīng)用RobotStudio軟件進(jìn)行輔助教學(xué)還能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造能力，學(xué)生可以在仿真軟件中改變工作站的各項(xiàng)參數(shù)，體驗(yàn)在不同參數(shù)下機(jī)器人操作的不同之處。學(xué)生也可以利用仿真軟件還原工業(yè)機(jī)器人的各種實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，還可以按照自己的想法自行設(shè)計(jì)不同功能的仿真工作站。

4 結(jié)語

對(duì)RobotStudio軟件在工業(yè)機(jī)器人手動(dòng)操作教學(xué)中的應(yīng)用展開研究，通過教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)使用RobotStudio軟件進(jìn)行輔助教學(xué)起到了良好的教學(xué)效果，學(xué)生對(duì)手動(dòng)操作的認(rèn)知更加深入完善，更加重視對(duì)手動(dòng)操作技能的掌握。在課外通過軟件進(jìn)行練習(xí)，為學(xué)生提供了更多操作時(shí)間和機(jī)會(huì)，提升了教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。教師從以往的講授演示轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，從而取得了更好的教學(xué)效果。可見，進(jìn)一步開發(fā)RobotStudio軟件在工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)中的應(yīng)用具有重要意義。