基于項目驅動的工業(yè)機器人實驗設計和開發(fā)

賈衛(wèi)平　趙洪健　蓋欣桐　韋佳寶

摘要：工業(yè)機器人綜合了機械、自動化、計算機等多學科技術，是智能制造系統(tǒng)中的重要單元。在課程實踐中，將工業(yè)機器人作為一種機電產(chǎn)品進行系統(tǒng)設計和控制操作?；贏BB六軸工業(yè)機器人實驗平臺，以企業(yè)工程應用和自主設計任務作為創(chuàng)新性設計實驗項目內容，進行工業(yè)機器人三維建模、控制系統(tǒng)設計、程序開發(fā)和動作執(zhí)行。在工業(yè)機器人課程中應用后，取得了明顯的效果，有助于學生更好地掌握工業(yè)機器人基本理論和項目開發(fā)，培養(yǎng)了學生的設計開發(fā)能力、實踐動手能力和創(chuàng)新設計能力，并能使學生更好地理解工業(yè)機器人單元在智能制造系統(tǒng)中的作用。

關鍵詞：工業(yè)機器人;項目驅動;設計開發(fā);實踐;創(chuàng)新

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）16-0226-03

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，綜合了機械、自動化、計算機等多學科知識的工業(yè)機器人技術，作為高端裝備制造的基礎設備之一，成為“中國制造2025”的重點發(fā)展領域[1-4]。工業(yè)機器人課程是機械類本科專業(yè)開設的一門專業(yè)課程，同時設置了實踐環(huán)節(jié)，將理論和實踐結合是一種學用結合的有效教學模式[5-8]。課程組在工業(yè)機器人實踐平臺上，將工程應用案例化和自主設計開發(fā)內容作為項目驅動，開設工業(yè)機器人基礎性和創(chuàng)新性實踐內容，在課程應用后，可使學生得到機器人理論、機械結構、機電控制、機器人編程和實踐動手的綜合訓練，并進一步了解工業(yè)機器人在智能制造中的應用[9]。本課程的實踐項目建設思路，對與產(chǎn)業(yè)結合的其他課程也能起到一定的參考意義。

二、實踐項目設計思路

在工業(yè)機器人課程中，通常將機器人的認知與分析、機器人的示教控制，作為課程固化的實踐內容[6]。但是由于與應用結合不緊密，仍然存在停留在表層知識的理解，而自主進行二次設計和開發(fā)仍有局限性等問題。因此，我校首先在工業(yè)機器人課程原有基礎性實踐內容中，以工業(yè)機器人在工程中的實際應用，如搬運物料、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)地進行機械結構設計和控制系統(tǒng)設計，在項目中學習和理解工業(yè)機器人的基礎理論知識，學習機器人編程語言和動作控制。其次，在工業(yè)機器人課程中新增加創(chuàng)新性實踐內容，將教師的科研課題[6]、大學生創(chuàng)新項目、課外科技競賽[10]等內容都作為自主開發(fā)創(chuàng)新的項目，完成工業(yè)機器人的動作編程和實踐操作，以學生自主設計和解決問題為主，引導學生提出問題和解決問題。

三、工業(yè)機器人基礎性設計實踐

（一）機械結構設計分析及三維建模

以搬運物料作為作業(yè)任務，在ABB六軸工業(yè)機器人實踐平臺上進行工業(yè)機器人的機械結構設計，目的是在設計中能更好地理解和掌握工業(yè)機器人的基本理論知識。分析和計算的主要參數(shù)有：機械手工作空間范圍、動作規(guī)劃、各關節(jié)節(jié)拍、各動作時間分配、各個關節(jié)的運動速度、工作空間內各關節(jié)臂臂長和運動行程，以及機械手初步受力分析確定末端許用載荷等參數(shù)。

參數(shù)化設計是企業(yè)技術人員常用的設計方法[11]。進行工業(yè)機器人三維模型設計時，選用參數(shù)化設計軟件，如三維建模軟件Solidworks，對于同型號工業(yè)機械手結構，以各關節(jié)軸線在空間中的位置關系構成基礎參數(shù)，通過各關節(jié)軸線相對位置的平移旋轉進行調整，實現(xiàn)設計中工業(yè)機械手各零部件的尺寸變化，從而擬定出工業(yè)機器人各關節(jié)軸線的位置關系。根據(jù)工業(yè)機械手基本參數(shù)定出機械手各個關節(jié)軸線位置尺寸后，對工業(yè)機器人進行整體結構建模;同時利用參數(shù)化軟件的測量功能，得到模型的結構和質量屬性等參數(shù)，最后完成工業(yè)機器人三維結構模型。

（二）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)設計

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)設計，主要是機械手伺服驅動系統(tǒng)硬件設計和控制算法設計。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中，與主機直接通訊，構成人機交互;其次在主機控制總線上的各個模塊進行通訊，各模塊包括傳感器、伺服驅動模塊和其他I/O設備，最后伺服驅動系統(tǒng)對伺服電機的閉環(huán)控制，實現(xiàn)機械手的運動和完成任務。

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)設計思路為：通過理論分析，將驅動控制系統(tǒng)理論算法轉換為具體的實用算法;設計控制系統(tǒng)框圖，利用C語言設計出PID閉環(huán)控制傳遞函數(shù)。對機器人實際工作中的末端位姿進行實時監(jiān)測是很困難的，為提高控制精度，機器人電機控制必須選擇閉環(huán)PID方式去控制。

四、基于工業(yè)機器人平臺的項目實踐和二次開發(fā)

在ABB六軸工業(yè)機器人平臺上，以實際執(zhí)行任務作為工業(yè)機器人編程和執(zhí)行動作來進行實踐和應用。將工程應用案例化作為實踐項目[12]，更利于學生學習和掌握工業(yè)機器人的基本編程命令和操作實踐;而學生可自主設計項目，如繪制圖形進行二次開發(fā)和設計，將工程應用和創(chuàng)新設計相結合，完成綜合性的設計和開發(fā)任務。

（一）上下料項目

工業(yè)機器人進行上下料，在企業(yè)實際應用中是工業(yè)機器人的常見任務。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)任務分析及設備條件，設計任務控制流程圖如圖1所示，控制流程圖也可用為工業(yè)機器人編程的參考。

（二）執(zhí)筆作畫任務

在工業(yè)機器人平臺上，引導學生自主設計實踐內容，自主開發(fā)創(chuàng)新的項目，能夠調動學生的學習興趣，并能在實踐中發(fā)現(xiàn)和解決問題，培養(yǎng)學生的自主學習能力和創(chuàng)新設計能力。執(zhí)筆作畫任務，是指學生在實踐中自主創(chuàng)意、自主開發(fā)并完成的項目。

在進行執(zhí)筆作畫設計時，將工業(yè)機械手的末端執(zhí)行器調整為繪制工具，并在A4白紙上簡單畫一幅畫形。對于書寫和作畫而言，重點在于筆尖的軌跡，將機械手工具坐標原中心TCP點移至筆尖。該開發(fā)任務重點在于筆尖的運動即TCP點的運動，考慮到A4紙的位置不是固定位置，引入工件坐標系，將A4紙當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)。通過描點法，將線條分段，獲取所繪圖形軌跡，將所繪圖形分得越細，則畫出的相似程度越高。圖形中線條坐標的獲取方法主要有網(wǎng)格描點記錄法和圖片處理軟件生成法。其中網(wǎng)格描點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、結語

基于ABB六軸工業(yè)機器人平臺，以項目驅動，將機器人在企業(yè)應用搬運上下料和自主創(chuàng)新設計內容作為項目開發(fā)任務，按照系統(tǒng)化的實踐思路，進行工業(yè)機器人三維結構建模、控制系統(tǒng)設計、程序開發(fā)和動作執(zhí)行實踐操作。在工業(yè)機器人課程應用后，學生既能夠在實踐中理解和掌握工業(yè)機器人理論知識，又能通過自主設計的內容提升學習興趣和解決問題能力，提高自身的設計實踐和創(chuàng)新設計能力。實施后課程建設取得了明顯的效果。

參考文獻：

[1]王田苗，陶永.我國工業(yè)機器人技術現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機械工程學報，2014，50（9）：1-13.

[2]計時鳴，黃希歡.工業(yè)機器人技術的發(fā)展與應用綜述[J].機電工程，2015，32（1）：1-13.

[3]周傳彪，周曉蓮.工業(yè)機器人的研究現(xiàn)狀及展望[J].裝備制造技術，2018，（12）：74-76，85.

[4]安娟，牟海榮.在機器人課程中開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的探索與實踐[J].教育教學論壇，2019，（12）：265-266.

[5]李頎，強華.工業(yè)機器人實驗教學平臺[J].實驗技術與管理，2018，35（4）：166-170.

[6]劉玉琳，徐雙滿，霍凱.科教融合創(chuàng)新指導下的本科生實驗項目開發(fā)[J].實驗技術與管理，2018，35（8）：31-34.

[7]胡洪鈞，謝立敏，梁曉，等.工業(yè)機器人實驗項目開發(fā)與實踐[J].實驗技術與管理，2015，32（9）：201-203，207.

[8]魏志麗.虛擬工業(yè)機器人實驗實訓室的建設與研究[J].自動化技術與應用，2013，32（8）：85-87，110.

[9]吳長庚.機械設備制造中自動化技術及工業(yè)機器人的應用研究[J].山東工業(yè)技術，2019，（6）：14，31.

[10]吳立華，丁度坤.基于技能大賽的“工業(yè)機器人技術”專業(yè)建設[J].教育教學論壇，2019，（6）：262-263.

[11]馮慧娟，苗青，樊勝秋，等.工業(yè)機器人機械結構模塊化設計[J].機械工程與自動化，2019，（2）：100-101，104.

[12]黃晨華，毛桂生.上下料工業(yè)機器人結構設計及仿真研究[J].機械設計與制造，2013，（3）：161-164.

Design and Develop of Industrial Robot Experiment Based on Project-driven

JIA Wei-ping，ZHAO Hong-jian，GE Xin-tong，WEI Jia-bao

（College of Mechanical Engineering，Dalian University，Dalian，Liaoning 116622，China）

Abstract：Industrial robots are important units in intelligent manufacturing systems which integrating multidisciplinary technologies such as mechanics，automation and computers.The industrial robot was regarded as an electromechanical product to be designed and practiced in the course teaching.The experimental projects were mainly come from the enterprise engineering application and independent design task of innovative ideas，and were carried on the ABB six-axis industrial robot platform.The industrial robots were systematically designed and operated about the 3D mechanical structure，electromechanical control system，the operation program and action execution.After being applied in the course，the obvious effects have been achieved on mastering the basic theory and project development of industrial robots.And it was benefit to cultivate the design ability，practice ability and innovation ability，as while as to understand the role of industrial robot on the intelligent manufacturing system.

Key words：industrial robot;project-driven;design and development;practice;innovation

收稿日期：2019-06-30

基金項目：教育部新工科研究與實踐項目（面向新工科人才培養(yǎng)的工程實踐教育體系與實踐平臺建設）;教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（“工業(yè)機器人”課程建設）

作者簡介：賈衛(wèi)平（1971-），女，吉林永吉人，碩士，副教授，副院長，主要研究方向為高等工程教育，電化學沉積。