項目驅(qū)動下的工業(yè)機(jī)器人實驗設(shè)計開發(fā)

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關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；項目驅(qū)動；設(shè)計開發(fā)；實踐；創(chuàng)新

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，綜合了機(jī)械、自動化、計算機(jī)等多學(xué)科知識的工業(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)開設(shè)的一門專業(yè)課程，同時設(shè)置了實踐環(huán)節(jié)，將理論和實踐結(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)器人實踐平臺上，將工程應(yīng)用案例化和自主設(shè)計開發(fā)內(nèi)容作為項目驅(qū)動，開設(shè)工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)性和創(chuàng)新性實踐內(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)器人編程和實踐動手的綜合訓(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]。本課程的實踐項目建設(shè)思路，對與產(chǎn)業(yè)結(jié)合的其他課程也能起到一定的參考意義。

二、實踐項目設(shè)計思路

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的理解，而自主進(jìn)行二次設(shè)計和開發(fā)仍有局限性等問題。因此，我校首先在工業(yè)機(jī)器人課程原有基礎(chǔ)性實踐內(nèi)容中，以工業(yè)機(jī)器人在工程中的實際應(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、計算、選型開始，系統(tǒng)地進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計，在項目中學(xué)習(xí)和理解工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)理論知識，學(xué)習(xí)機(jī)器人編程語言和動作控制。其次，在工業(yè)機(jī)器人課程中新增加創(chuàng)新性實踐內(nèi)容，將教師的科研課題[6]、大學(xué)生創(chuàng)新項目、課外科技競賽[10]等內(nèi)容都作為自主開發(fā)創(chuàng)新的項目，完成工業(yè)機(jī)器人的動作編程和實踐操作，以學(xué)生自主設(shè)計和解決問題為主，引導(dǎo)學(xué)生提出問題和解決問題。

三、工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)性設(shè)計實踐

（一）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計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)器人實踐平臺上進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，目的是在設(shè)計中能更好地理解和掌握工業(yè)機(jī)器人的基本理論知識。分析和計算的主要參數(shù)有：機(jī)械手工作空間范圍、動作規(guī)劃、各關(guān)節(jié)節(jié)拍、各動作時間分配、各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動速度、工作空間內(nèi)各關(guān)節(jié)臂臂長和運(yùn)動行程，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)計是企業(yè)技術(shù)人員常用的設(shè)計方法[11]。進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人三維模型設(shè)計時，選用參數(shù)化設(shè)計軟件，如三維建模軟件Solidworks，對于同型號工業(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)，通過各關(guān)節(jié)軸線相對位置的平移旋轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)設(shè)計中工業(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)械手各個關(guān)節(jié)軸線位置尺寸后，對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)建模；同時利用參數(shù)化軟件的測量功能，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)計工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計，主要是機(jī)械手伺服驅(qū)動系統(tǒng)硬件設(shè)計和控制算法設(shè)計。控制系統(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)控制總線上的各個模塊進(jìn)行通訊，各模塊包括傳感器、伺服驅(qū)動模塊和其他I/O設(shè)備，最后伺服驅(qū)動系統(tǒng)對伺服電機(jī)的閉環(huán)控制，實現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動和完成任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計思路為：通過理論分析，將驅(qū)動控制系統(tǒng)理論算法轉(zhuǎn)換為具體的實用算法；設(shè)計控制系統(tǒng)框圖，利用C語言設(shè)計出PID閉環(huán)控制傳遞函數(shù)。對機(jī)器人實際工作中的末端位姿進(jìn)行實時監(jiān)測是很困難的，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)器人平臺的項目實踐和二次開發(fā)

在ABB六軸工業(yè)機(jī)器人平臺上，以實際執(zhí)行任務(wù)作為工業(yè)機(jī)器人編程和執(zhí)行動作來進(jìn)行實踐和應(yīng)用。將工程應(yīng)用案例化作為實踐項目[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踐；而學(xué)生可自主設(shè)計項目，如繪制圖形進(jìn)行二次開發(fā)和設(shè)計，將工程應(yīng)用和創(chuàng)新設(shè)計相結(jié)合，完成綜合性的設(shè)計和開發(fā)任務(wù)。

（一）上下料項目工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行上下料，在企業(yè)實際應(yīng)用中是工業(yè)機(jī)器人的常見任務(wù)。實踐要求為：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)器人平臺上，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實踐內(nèi)容，自主開發(fā)創(chuàng)新的項目，能夠調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并能在實踐中發(fā)現(xiàn)和解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。執(zhí)筆作畫任務(wù)，是指學(xué)生在實踐中自主創(chuàng)意、自主開發(fā)并完成的項目。在進(jìn)行執(zhí)筆作畫設(shè)計時，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白紙上簡單畫一幅畫形。對于書寫和作畫而言，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。該開發(fā)任務(wù)重點(diǎn)在于筆尖的運(yùn)動即TCP點(diǎn)的運(yùn)動，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)成一個非常薄的工件，在每一次畫畫時確定A4紙所在的平面及A4紙的鋪放姿態(tài)。通過描點(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)記錄法通常用于簡單的圖形線條，依賴于人的視覺去尋找描點(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圖片處理，比如圖片濾波、灰度二值化、邊沿檢測等，高效且快速。此次繪制圖形如圖2（a）所示，圖形比較簡單，故采用網(wǎng)格描點(diǎn)記錄法，執(zhí)行繪畫過程和完成的圖形效果如圖2（b）（c）所示。

五、結(jié)語

基于ABB六軸工業(yè)機(jī)器人平臺，以項目驅(qū)動，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)計內(nèi)容作為項目開發(fā)任務(wù)，按照系統(tǒng)化的實踐思路，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、程序開發(fā)和動作執(zhí)行實踐操作。在工業(yè)機(jī)器人課程應(yīng)用后，學(xué)生既能夠在實踐中理解和掌握工業(yè)機(jī)器人理論知識，又能通過自主設(shè)計的內(nèi)容提升學(xué)習(xí)興趣和解決問題能力，提高自身的設(shè)計實踐和創(chuàng)新設(shè)計能力。實施后課程建設(shè)取得了明顯的效果。

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作者：賈衛(wèi)平 趙洪健 蓋欣桐 韋佳寶 單位：大連大學(xué)