機器人技術(shù)基礎(chǔ)實驗教學(xué)的改革與實踐

唐艷華+張慶玲

[摘要]

根據(jù)機器人技術(shù)基礎(chǔ)課程特點，在實驗室現(xiàn)有ABB IRB1410

機器人的基礎(chǔ)上自主開發(fā)了機器人上下料平臺實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用真空吸附的工作原理實現(xiàn)板料的搬運。制定并執(zhí)行了機器人運動學(xué)控制以及機器人上下料模擬實驗教學(xué)方案，經(jīng)機械電子工程專業(yè)學(xué)生實踐，證明該實驗方案能達到預(yù)期實驗?zāi)康模行Ъぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，在有限課時內(nèi)鍛煉學(xué)生的自主開發(fā)能力。

[關(guān)鍵詞]機器人;運動學(xué);實驗

[中圖分類號]G642.4[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634（2015）02-0103-03

0引言

機器人學(xué)的有關(guān)課程實質(zhì)上是迎接未來挑戰(zhàn)的有力武器和理想助手[1]。機器人教學(xué)在國內(nèi)高校中已被列入人工智能、自動化、機電一體化等的相關(guān)專業(yè)的課程之中[2]。機器人技術(shù)基礎(chǔ)是燕山大學(xué)機械工程學(xué)院機械電子工程專業(yè)較早開設(shè)的一門針對高年級學(xué)生的專業(yè)課，主要介紹機器人運動學(xué)、動力學(xué)、雅可比矩陣、軌跡規(guī)劃、機器人控制以及機器人語言和離線編程等。該課程內(nèi)容抽象、邏輯性強、學(xué)生不易理解吸收。隨著工業(yè)機器人被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實踐當中，掌握機器人的基本原理、控制過程以及應(yīng)用實例，對于機械電子工程專業(yè)本科生意義重大。

傳統(tǒng)的機器人技術(shù)基礎(chǔ)課程，實驗內(nèi)容有限，課時安排僅圍繞理論教學(xué)大綱開展，無拓展性、開放性;實驗形式單一，一切以教師的“教”為中心，學(xué)生只是被動地接受，演示型、驗證型實驗多，創(chuàng)新型實驗少，學(xué)生缺乏專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力，缺少獨立動手和創(chuàng)新的機會，抑制了學(xué)生的想象力、自由發(fā)揮空間和學(xué)習(xí)興趣。隨著社會對人才創(chuàng)新能力和實踐能力要求的不斷提高，構(gòu)建創(chuàng)新型實驗教學(xué)體系在培養(yǎng)學(xué)生獨立工作能力、創(chuàng)新能力等方面的重要性日益凸顯[3]。

本文在機電實驗室現(xiàn)有ABB IRB1410機器人的基礎(chǔ)上自主開發(fā)了機器人上下料平臺實驗系統(tǒng)，制定了機器人運動學(xué)控制以及機器人上下料模擬實驗教學(xué)方案。經(jīng)機械電子工程專業(yè)學(xué)生實踐，根

據(jù)實驗分析結(jié)果以及研究過程中的心得體會證明該實驗方案能達到預(yù)期實驗?zāi)康?，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，在有限課時內(nèi)鍛煉學(xué)生的自主開發(fā)能力。

1實驗設(shè)備簡介

1.1IRB1410工業(yè)機器人

ABB公司的IRB1410工業(yè)機器人工作周期短、運行可靠，能大幅度提高生產(chǎn)效率。該機器人在弧焊、物料搬運和過程應(yīng)用領(lǐng)域經(jīng)歷考驗，能實現(xiàn)弧焊、裝配、上膠、密封、機械管理、物料搬運等功能。承重能力為5 kg，上臂可承受18 kg的附加載荷;機器人工作范圍大、最長能到達1.44 m;其大臂背后設(shè)計有平行連桿及雙軸承支承結(jié)構(gòu)，對稱分布的接觸力使機械振動大為減小，因而比串行鏈接結(jié)構(gòu)更為堅固、響應(yīng)更為迅速、工作空間更為集中，非常適合模擬汽車沖壓線的上下料任務(wù)。為本科生教學(xué)提供了良好的環(huán)境，為研究生科研搭建了良好的實驗平臺。

IRB1410工業(yè)機器人系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)包括：ABB IRB1410六自由度關(guān)節(jié)型串聯(lián)機器人、

ElexPendant示教器、IRC5控制柜以及RobotStudio/RobotWare離線編程軟件。

2機器人上下料實驗平臺搭建

結(jié)合實驗室現(xiàn)有ABB IRB1410機器人，參照汽車柔性自動化沖壓生產(chǎn)線機器人上下料系統(tǒng)，為之搭建相應(yīng)的上下料平臺系統(tǒng)，自主設(shè)計、選購機器人上下料各單元，完成端拾器的設(shè)計和組裝、上下料平臺的設(shè)計制造與裝配、視覺系統(tǒng)的搭建和真空氣路的連接等工作，在一定程度上實現(xiàn)旨在模擬汽車覆蓋件柔性沖壓過程的在線作業(yè)，為后續(xù)開展機器人上下料模擬實驗奠定基礎(chǔ)。機器人上下料系統(tǒng)如圖2所示。

圖1ABB IRB1410工業(yè)機器人系統(tǒng)

圖2機器人上下料系統(tǒng)

ABB IRB1410機器人上下料實驗采用了真空吸附的工作原理來實現(xiàn)板料的搬運，其中，真空系統(tǒng)由真空泵、分路塊、兩位三通直通式電磁閥、真空開關(guān)、真空吸盤、緩沖支桿等構(gòu)成。ABB IRB1410機器人上下料系統(tǒng)真空吸附的電氣控制原理圖如圖3所示。

其工作原理如下：當機器人手臂運動到上料平臺上料中心之上的某一位置時，程序發(fā)出吸附指

令，IO板DSQC652的一路DO輸出高電平，繼電器線圈得電，常開觸點閉合，從而使兩位三通電磁閥得電，進氣口和出氣口接通，真空泵將系統(tǒng)中的空氣向外排，整個系統(tǒng)氣路開始工作;當吸盤內(nèi)達到設(shè)定的真空度后，真空開關(guān)自動給電磁閥發(fā)送電信號，令其控制真空泵保持當前真空度不變;真空吸盤以恒定吸力抓取物料向下料平臺運動，當運動到下料中心點某一指定位置時，程序發(fā)出釋放指令，DSQC652的同一路DO輸出低電平，繼電器線圈失電，常開觸點斷開，從而使兩位三通電磁閥失電，進氣口和排氣口導(dǎo)通，整個系統(tǒng)氣路與外界大氣導(dǎo)通，從而破壞真空，真空吸盤釋放物料，

ABB IRB1410機器人完成一次板料傳遞任務(wù)。

3實驗教學(xué)項目

堅持理論與實踐相結(jié)合的原則，實驗時間安排在理論課基本知識講授完畢之后，要求學(xué)生提前預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書，進行理論知識儲備工作，以保證學(xué)習(xí)成效。實驗內(nèi)容設(shè)置方面，以“原理性實驗和研究性實驗相互滲透”為原則，既讓學(xué)生掌握基本的原理性知識，對機器人有基本的認識，又通過開設(shè)深層次的研究性實驗，讓學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生獨立研究能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

3.1機器人運動學(xué)控制

實現(xiàn)對工業(yè)機器人在空間運動軌跡的控制，完成預(yù)定的作業(yè)任務(wù)，就必須知道機器人手部在空間瞬時的位置與姿態(tài)。如何計算機器人手部在空間的位姿是實現(xiàn)對機器人的控制首先要解決的問題[4]。物體在空間的位姿可以用固定于物體上任一點上的坐標系來表示，如果把坐標系固定在每個連桿的關(guān)節(jié)上，通過齊次坐標變換來描述兩個相鄰坐標系之間的相互關(guān)系，就能建立并解算機器人的運動學(xué)方程。在該階段，要求學(xué)生能準確理解物體在空間位置與姿態(tài)的表示方法，掌握齊次坐標及齊次坐標方程變換的定義，能進行簡單的平移坐標變換、旋轉(zhuǎn)坐標變換及綜合坐標變換（平移加旋轉(zhuǎn)）等計算。

通過本實驗，要求學(xué)生完成以下內(nèi)容。

1） 觀察串聯(lián)機器人IRB1410的結(jié)構(gòu)，了解其動作原理，并繪制其結(jié)構(gòu)簡圖。

2） 計算IRB1410機器人自由度數(shù)并判別自由度性質(zhì)。

3） 根據(jù)ABB IRB1410機器人各軸標準尺寸圖（如圖4所示）對IRB1410

機器人建立連桿坐標系，確定連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量。相應(yīng)參數(shù)填入

IRB1410連桿參數(shù)表。

圖4ABB IRB1410

機器人各軸標準尺寸

4） 確定0nT

，在此基礎(chǔ)上利用上述機器人運動學(xué)方程，求解關(guān)節(jié)變量q1，q2，……，qn。

5） 確定末端執(zhí)行器的操作速度V，在此基礎(chǔ)上利用機器人操作速度和關(guān)節(jié)速度的變換方程的逆變換方程V=J

，求解滿足末端執(zhí)行器速度要求的關(guān)節(jié)速度變量1，2，……，n。

6） 手動操縱機器人至某一姿態(tài)，對運動學(xué)正、反解運算結(jié)果與操縱窗口的顯示值進行對比驗證。

3.2機器人上下料模擬實驗

通過機器人上下料模擬實驗，使學(xué)生增強對汽車覆蓋件自動化沖壓線機器人上下料的感性認識。對6

自由度串聯(lián)機器人的運動學(xué)、動力學(xué)分析和機器人上下料的自動化控制有較深刻理解。也對用ABB

語言離線或在線編程加深體會。使學(xué)生能夠了解上下料平臺搭建的主要裝備及關(guān)鍵技術(shù)，掌握現(xiàn)代沖壓自動機器人上下料技術(shù)的發(fā)展方向。培養(yǎng)學(xué)生初步掌握實驗研究的能力，正確處理實驗數(shù)據(jù)的能力和分析實驗結(jié)果、撰寫實驗報告的能力。

通過本實驗，要求學(xué)生完成以下內(nèi)容。

1） 學(xué)習(xí)并熟練掌握利用示教器手動操作1410機器人到達指定目標位置。

2） 完成1410機器人沖壓線上下料模擬實驗的軌跡規(guī)劃。

3） 完成1410機器人沖壓線上下料模擬實驗的程序編寫調(diào)試。

4） 記錄并分析1410機器人的實際工況（平穩(wěn)性、速度、加速度）等數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語

通過機械電子工程專業(yè)學(xué)生的課程實踐，證明該實驗方案能達到預(yù)期實驗?zāi)康?，能幫助學(xué)生更好地理解機器人理論知識，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，在提高實驗教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新意識和科研能力等方面有積極意義。

參考文獻

[1] 熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009.

[2] 朱勇勇.開放式教學(xué)機器人運動控制器設(shè)計[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[3] 馬麗霞，屈曉陽，顧勇飛.創(chuàng)新型實驗教學(xué)體系的構(gòu)建[J].中國大學(xué)教學(xué)，2010，10：67-69.

[4] John J C.機器人學(xué)導(dǎo)論[M].負超，李成群，陳心頤，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

Experimental teaching reform and practice

of Robot Technology Foundation course

TANG Yan-hua，ZHANG Qing-ling

（Mechanical Engineering College，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China）

Abstract

Based on the characteristics of robot technology foundation course，the robot loading platform experiment system was developed on the basis of IRB1410 ABB robot existing in the laboratory.The system adopts the vacuum adsorption principle to do the sheet metal handling.The robot kinematics control and robot up-down material simulation experiment teaching plan were developed and implemented.After the mechatronics students practice，we found that the experiment scheme can achieve the expected goal，effectively stimulate the learning enthusiasm of the students，and exercise students′ ability of independent development within the limited class time.

Key words

robot;kinematics;experiments