六自由度機(jī)器人在高職院校教學(xué)中的應(yīng)用

王熙

（云南工業(yè)技師學(xué)院，云南 曲靖 655000）

機(jī)器人是工業(yè)領(lǐng)域中代表高科技產(chǎn)業(yè)的典型產(chǎn)品，可用于學(xué)生了解復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)成和綜合應(yīng)用機(jī)電元器件。工業(yè)機(jī)器人的使用是實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的強(qiáng)有力的技術(shù)手段。目前，機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展非常迅猛，行業(yè)人才的需求量非常大。機(jī)器人的相關(guān)課程走進(jìn)了許多工程科學(xué)專業(yè)的課堂。對(duì)機(jī)器人學(xué)的教育為創(chuàng)新性教育提供了廣闊空間，能夠培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)械電子等方面知識(shí)學(xué)習(xí)的興趣，開發(fā)學(xué)生的特長(zhǎng)和潛能。機(jī)器人所具有的強(qiáng)大的電子擴(kuò)展能力，能夠極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和開發(fā)思路。示教機(jī)器人技術(shù)涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)、傳感器、控制技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等，是高等教育教學(xué)中不可缺少的方式和方法，示教機(jī)器人的作用不僅能夠?qū)淌谡n程進(jìn)行直觀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示，還可以讓學(xué)生自己動(dòng)手對(duì)教學(xué)機(jī)器人進(jìn)行部分功能的擴(kuò)展。

1 機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人已經(jīng)在許多行業(yè)領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)一般包括軀干、示教編程器、機(jī)器人控制柜等。其中示教編程器是控制系統(tǒng)核心部件，用來注冊(cè)和存儲(chǔ)機(jī)械運(yùn)動(dòng)或處理記憶的設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)在線編程。圖1為六自由度機(jī)器人軀干簡(jiǎn)圖。

圖1 六自由度機(jī)器人軀干簡(jiǎn)圖

圖1 中，軸1、軸4和軸6都是旋轉(zhuǎn)軸，每個(gè)軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并經(jīng)過減速器減速增扭，帶動(dòng)各旋轉(zhuǎn)軸及其以后的各部件繞該電機(jī)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)功能要求的不同，軸6的末端執(zhí)行器可安裝在不同的設(shè)備上，如焊槍、抓手等。軸2、軸3和軸5為擺動(dòng)軸，由減速器連接電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)的部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)布置的不同，機(jī)器人可分為直角坐標(biāo)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人和關(guān)節(jié)型機(jī)器人。直角坐標(biāo)機(jī)器人的機(jī)械臂是通過直角坐標(biāo)系的形式配置，通過3個(gè)相互垂直的軸線上的移動(dòng)來改變機(jī)械臂的空間位置。圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的機(jī)械臂采用圓柱坐標(biāo)系形式，通過2個(gè)移動(dòng)和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的空間位置的改變。球坐標(biāo)型機(jī)器人的機(jī)械臂采用球坐標(biāo)形式，其運(yùn)動(dòng)是由1個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)所組成。關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類似于人體的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)與位姿的變化。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，關(guān)節(jié)型機(jī)器人已廣泛應(yīng)用在物流搬運(yùn)、生產(chǎn)、服務(wù)等行業(yè)中。關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、相對(duì)工作空間大，能夠靈活地繞過障礙物，充分展示了現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的特征，并在一定程度上滿足了相關(guān)智能控制理論的研究。

機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)求解十分復(fù)雜，往往是多個(gè)輸入、多個(gè)輸出的非線性的強(qiáng)耦合的位置時(shí)變動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，每個(gè)關(guān)節(jié)之間都有聯(lián)系，并相互作用、相互影響，在速度較高的情況下，離心力和哥氏力的影響十分嚴(yán)重，所以對(duì)機(jī)器人的控制十分困難。與NC機(jī)床不同，機(jī)器人的作業(yè)要與其它設(shè)備直接作用，而其工作環(huán)境預(yù)先往往不會(huì)規(guī)定，所以準(zhǔn)確地識(shí)別工件位置，并將位置信息傳輸?shù)狡渌O(shè)備是機(jī)器人研究的另一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。

2 機(jī)器人教育教學(xué)

高職院校機(jī)器人專業(yè)培養(yǎng)可通過以下幾個(gè)層次：機(jī)器人集成系統(tǒng)及應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)；機(jī)器人操作及基礎(chǔ)編程的學(xué)習(xí)；通過焊接工作站、噴涂工作站等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，學(xué)習(xí)操作機(jī)器人。在這3個(gè)階段中，示教機(jī)器人都能發(fā)揮很好的示教作用。

2.1 機(jī)器人集成系統(tǒng)與應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是通過伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人集成系統(tǒng)與應(yīng)用的學(xué)習(xí)就是了解機(jī)器人控制柜的原理。控制柜主要是通過PLC及其外設(shè)、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備，對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行位移、速度以及加速度的控制。變頻器是通過整流、濾波、逆變、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、監(jiān)測(cè)微處理單元來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率的裝置，能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，因此電力電子技術(shù)也是一門核心課程。伺服驅(qū)動(dòng)器是控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的重要組件，由于伺服驅(qū)動(dòng)裝置涉及到矢量控制電流、速度、位置等閉環(huán)數(shù)學(xué)算法，對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器的學(xué)習(xí)，在高職院校不宜學(xué)習(xí)較深的理論。

通過六自由度示教機(jī)器人，可以讓學(xué)生見識(shí)到機(jī)器人控制柜到底是什么樣子，課堂教學(xué)中可以打開機(jī)器人控制柜，讓學(xué)生了解到控制柜中都有哪些裝置，這些裝置都有什么樣的功能，講課中應(yīng)注意安全，不能隨便觸摸高壓高電流裝置。

機(jī)器人的應(yīng)用十分廣泛，除了制造業(yè)的工業(yè)機(jī)器人以外，還有如排險(xiǎn)救災(zāi)、服務(wù)、軍事等方面的各類機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人常用于簡(jiǎn)單重復(fù)性的工作場(chǎng)合，其工作環(huán)境往往十分惡劣。市場(chǎng)分析預(yù)測(cè)，高精密裝配機(jī)器人和檢驗(yàn)機(jī)器人的需求量將逐漸增大，包括電氣裝配、高精密機(jī)械裝配機(jī)器人等。在極限環(huán)境下，如深海和太空等極限惡劣環(huán)境將成為機(jī)器人活躍的場(chǎng)所。日本通產(chǎn)省工技院從1983年就展開了對(duì)極限作業(yè)機(jī)器人的研究和開發(fā)，美國(guó)把航天飛機(jī)所用的柔性操作臂列為重要研究?jī)?nèi)容。

工業(yè)中應(yīng)用的電焊、搬運(yùn)等機(jī)器人一般都屬于第1代機(jī)器人，具有示教再現(xiàn)的功能，有的還具有可編程的NC裝置。第2代機(jī)器人能夠利用傳感器探測(cè)外部環(huán)境和操作對(duì)象的相關(guān)信息，其核心技術(shù)是傳感器技術(shù)和嵌入式微機(jī)控制技術(shù)。第3代機(jī)器人是具有智能功能的機(jī)器人，也是當(dāng)前機(jī)器人研究領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。智能機(jī)器人能夠認(rèn)知周圍環(huán)境，判別操作對(duì)象狀態(tài)，具有自學(xué)習(xí)和獨(dú)立決定工作方式的功能。

2.2 機(jī)器人操作與編程

機(jī)器人操作與編程是以實(shí)踐為主的學(xué)習(xí)過程。在掌握各元器件的特性和PLC編程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，通過變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)多段位置控制、速度控制及加速度控制。通過老師教學(xué)或自學(xué)的方式掌握RS-485總線通信、Modbus協(xié)議等，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置的通信，達(dá)到控制電機(jī)的目的。PLC之間也可以相互通信，實(shí)現(xiàn)多核心控制和驅(qū)動(dòng)。通過示教機(jī)器人，向?qū)W生展示機(jī)器人控制核心PLC及其可視化編程軟件與仿真軟件，讓學(xué)生了解PLC編程的基礎(chǔ)操作。在講解總線協(xié)議時(shí)，要仔細(xì)認(rèn)真講解，讓學(xué)生真正明白總線的工作機(jī)理，為學(xué)生自主編程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

機(jī)器人是一個(gè)軟件可控的機(jī)械裝置，自機(jī)器人問世開始，就對(duì)機(jī)器人語言展開研究。1973年Stanford人工智能實(shí)驗(yàn)室就研究和開發(fā)了世界第1種機(jī)器人語言WAVE，1979年美國(guó)Unimation公司又開發(fā)了VAL語言，是語言的語句結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單容易，IBM公司又相繼推出了ML語言，并用于機(jī)器人裝配作業(yè)。機(jī)器人語言的種類很多，通?？煞譃?種：動(dòng)作級(jí)語言、對(duì)象級(jí)語言和任務(wù)級(jí)語言。機(jī)器人編程包括在線編程和離線編程，其中離線編程較為常用，能減少機(jī)器人的不工作時(shí)間，使編程者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境，便于與CAD、C AM等系統(tǒng)連接，也便于后期修改程序等。

2.3 實(shí)踐訓(xùn)練

在教授完理論基礎(chǔ)之后，必須通過一定的實(shí)踐訓(xùn)練，才能讓學(xué)生更加深刻地理解機(jī)器人相關(guān)知識(shí)。焊接工作站、碼垛工作站等基本涵蓋了工業(yè)環(huán)境中所遇到的機(jī)器人的操作情形。以焊接工作站為例，除了機(jī)器人的本體軀干以外，還安裝有電源模塊、焊槍模塊、焊接工作臺(tái)及夾具模塊和機(jī)器人底座與清槍模塊等。學(xué)生通過對(duì)一個(gè)工作站的學(xué)習(xí)可了解工作站的構(gòu)成與各模塊之間的通信，并進(jìn)行一些機(jī)器人的簡(jiǎn)單操作。在實(shí)踐訓(xùn)練時(shí)理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)工作站的工作原理進(jìn)行探索。

教師通過示教機(jī)器人可向?qū)W生展示一些機(jī)器人的操作技巧與注意事項(xiàng)，讓學(xué)生有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，通過親身體驗(yàn)操作機(jī)器人的過程，加深對(duì)機(jī)械操作的理解和相關(guān)機(jī)器人理論的認(rèn)識(shí)。

3 結(jié)語

機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展迅速，行業(yè)人才的需求量非常大。通過示教機(jī)器人在教育教學(xué)中的應(yīng)用，可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)械電子等方面的興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和開發(fā)熱情。示教機(jī)器人不僅能夠?qū)淌诘恼n程進(jìn)行直觀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示，還可以讓學(xué)生自己動(dòng)手，對(duì)教學(xué)機(jī)器人進(jìn)行功能擴(kuò)展，通過機(jī)器人集成系統(tǒng)及應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)、機(jī)器人操作及基礎(chǔ)編程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練對(duì)機(jī)器人操作的學(xué)習(xí)。一方面讓學(xué)生掌握機(jī)器人相關(guān)理論知識(shí)，基本編程方法和基本操作技巧；另一方面讓學(xué)生親身體會(huì)操作機(jī)器人的過程，加深對(duì)概念的理解，掌握機(jī)器人操作技術(shù)。

[1]李慧東.六自由度教學(xué)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究[D].武漢理工大學(xué),2013.

[2]張雪峰,崔寶華.工業(yè)機(jī)器人人才培養(yǎng)現(xiàn)狀與分析——以廣東省河源市為例[J].職業(yè),2017，(26):40-41.