串聯(lián)機(jī)器人在高職教學(xué)中的應(yīng)用

陳熠道

摘 要：文章主要分析了目前各大高職院校所面對(duì)開(kāi)設(shè)機(jī)器人課程中所遇到的多項(xiàng)難處，針對(duì)現(xiàn)今成本高、不開(kāi)放、可視性差和參與動(dòng)手能力差的特點(diǎn)，介紹了6自由度工業(yè)串聯(lián)機(jī)器人的教學(xué)使用結(jié)構(gòu)分析、關(guān)節(jié)傳動(dòng)組成、電機(jī)氣動(dòng)參數(shù)等，然后講述了串聯(lián)機(jī)器人的教學(xué)應(yīng)用特點(diǎn)和可以進(jìn)行的教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)機(jī)器人 6自由度

中圖分類號(hào)：G423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（a）-0186-01

目前，中國(guó)正處于制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)型時(shí)期，工業(yè)機(jī)器人在汽車工業(yè)、航空制造、機(jī)械加工、電子裝配和現(xiàn)代物流等規(guī)?；a(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的核心。尤其是石化、冶金等行業(yè)的包裝碼垛不斷向高速、重載方向發(fā)展，電子制造中的光伏硅片和平板顯示器的搬運(yùn)以及激光加工等向高速、高精度方向不斷發(fā)展，高性能工業(yè)機(jī)器人需求日益強(qiáng)烈。機(jī)器人發(fā)展因此而帶來(lái)的人才培養(yǎng)需求開(kāi)始顯現(xiàn)，當(dāng)前各高職高校紛紛建立機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室等教學(xué)手段，因此，相關(guān)的教學(xué)機(jī)器人設(shè)備是否符合教學(xué)與就業(yè)需求顯得尤為重要。

1 目前的問(wèn)題

各高校開(kāi)始購(gòu)買工業(yè)機(jī)器人作為教學(xué)和實(shí)驗(yàn)器材，但由于存在著一系列的問(wèn)題，難以適應(yīng)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的需求，一般存在的問(wèn)題如下。

（1）成本高。工業(yè)機(jī)器人按照自由度和負(fù)載的不同一般價(jià)格在十幾萬(wàn)人民幣以上，有些甚至高達(dá)幾十萬(wàn)人民幣，這對(duì)于一些高校來(lái)說(shuō)難以承受，而且造成培訓(xùn)成本很高。后續(xù)的維護(hù)成本也讓人無(wú)法承受。

（2）不開(kāi)放。由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各廠家生產(chǎn)的機(jī)器人彼此獨(dú)立，控制和操作不相同，缺乏通用性。而且控制器和軟件出于各種目的不對(duì)用戶開(kāi)放，僅提供有限的外部接口和庫(kù)函數(shù)，而且操作不太方便，極大地影響了教學(xué)效果，更不適合二次開(kāi)發(fā)。

（3）可視性差。各廠家針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)器人本體和控制器專門設(shè)計(jì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不可視，缺乏直觀的教學(xué)效果，學(xué)生往往知其然不知其所以然。

（4）參與動(dòng)手能力差。目前普遍的教學(xué)、教育類機(jī)器人不論機(jī)械、電氣都是集成一體設(shè)計(jì)，學(xué)生只能觀看和簡(jiǎn)單操作，無(wú)法對(duì)機(jī)器人本體和電控系統(tǒng)拆裝，無(wú)法深入了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理。

上述原因使開(kāi)展相關(guān)教學(xué)和培訓(xùn)的單位對(duì)購(gòu)買此類機(jī)器人設(shè)備變得越來(lái)越慎重，造成有教學(xué)、無(wú)實(shí)驗(yàn)，重理論、輕實(shí)踐的局面，違背了開(kāi)展機(jī)器人教育的初衷。因此開(kāi)發(fā)模塊化、低成本、開(kāi)放化、可視化的，體現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人基本理論和技術(shù)，面向以理論教學(xué)、操作實(shí)踐為目的的工業(yè)作業(yè)型教學(xué)機(jī)器人成為當(dāng)前的急需。

2 桌面串聯(lián)教學(xué)機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析

桌面串聯(lián)教學(xué)機(jī)器人由機(jī)械手本體、鋁合金實(shí)驗(yàn)桌面、嵌入式掛板控制系統(tǒng)、末端氣動(dòng)手爪、無(wú)油靜音氣泵、搬運(yùn)樣件與支架、顯示器鍵鼠組成。

桌面型串聯(lián)教學(xué)機(jī)器人—伺服五步進(jìn)混合驅(qū)動(dòng)：關(guān)節(jié)1步進(jìn)電機(jī)直連諧波減速器；關(guān)節(jié)2步伺服電機(jī)直連諧波減速器；關(guān)節(jié)3步進(jìn)電機(jī)同步齒形帶傳動(dòng)連接諧波減速器；關(guān)節(jié)4步進(jìn)電機(jī)聯(lián)軸器直連諧波減速器；關(guān)節(jié)5步進(jìn)驅(qū)動(dòng)同步帶傳動(dòng)連接諧波減速器；關(guān)節(jié)6步進(jìn)電機(jī)聯(lián)軸器直連諧波減速器。

結(jié)構(gòu)形式：串聯(lián)關(guān)節(jié)式。

驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)伺服混合驅(qū)動(dòng)。

負(fù)載能力：3Kg。

重復(fù)定位精度：±0.08 mm。

動(dòng)作范圍：

θ1：-150°～150°，θ2：-135°～-45°

θ3：-70°～50°，θ4：-90°～90°

θ5：-90°～90°，θ6：-180°～180°。

最大動(dòng)速度：

θ1：60°/s， θ2：60°/s

θ3：60°/s， θ4：60°/s

θ5：60°/s， θ6：120°/s。

最大展開(kāi)半徑：610 mm。

高度：850 mm。

本體重量≤40 Kg。

操作方式：示教再現(xiàn)/編程。

供電電源單相：220 V、50 Hz、4 A。

機(jī)器人應(yīng)用電機(jī)：富士交流伺服電機(jī)、白山步進(jìn)、斯達(dá)特步進(jìn)。

I關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈主要由伺服（或步進(jìn)）電機(jī)、減速器構(gòu)成。

II關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈主要由步進(jìn)電機(jī)、減速器構(gòu)成。

III關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈主要由步進(jìn)電機(jī)、同步帶、減速器構(gòu)成。

IV關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈主要由步進(jìn)電機(jī)、減速器構(gòu)成。

V關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈主要由步進(jìn)電機(jī)、同步帶、減速器構(gòu)成。

VI關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈主要由步進(jìn)電機(jī)、減速器構(gòu)成。

在機(jī)器人末端還有一個(gè)氣動(dòng)夾持器。

桌面串聯(lián)：1套富士100 W+五套白山步進(jìn)。

桌面串聯(lián)：6套諧波減速器。

機(jī)械手應(yīng)用傳感器：伺服電機(jī)增量式編碼器，關(guān)節(jié)限位光電開(kāi)關(guān)。

機(jī)器人氣動(dòng)技術(shù)：無(wú)油靜音氣泵-調(diào)壓過(guò)濾器-電磁閥-氣動(dòng)手爪。

控制柜電纜線連接：5根電纜及控制柜后部的圓形連接器部位都標(biāo)有編號(hào)（CN1、CN2、CN3、CN4、CN5），確認(rèn)編號(hào)后一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行連接，連接時(shí)對(duì)準(zhǔn)針孔位置，連接后旋轉(zhuǎn)插頭外殼固定。

3 教學(xué)應(yīng)用特點(diǎn)

（1）六自由度串聯(lián)教學(xué)機(jī)器人是完全工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，步進(jìn)伺服混合驅(qū)動(dòng)，采用工業(yè)機(jī)器人一樣的進(jìn)口RV減速器與諧波減速器傳動(dòng)。主要應(yīng)用于零部件搬運(yùn)與裝配、焊接、上下料等應(yīng)用教學(xué)，系統(tǒng)全部開(kāi)放。

（2）機(jī)構(gòu)按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快。

（3）控制系統(tǒng)采用Windows系列操作系統(tǒng)，二次開(kāi)發(fā)方便、快捷，適于教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供教材、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等，內(nèi)容涵蓋機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、機(jī)器人軌跡規(guī)劃等。

（4）模塊化結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單、緊湊。

（5）控制系統(tǒng)人機(jī)交互良好，采用圖形化示教盒進(jìn)行操作、控制。同時(shí)二次開(kāi)發(fā)時(shí)可以提供相應(yīng)Windows環(huán)境接口提供通用六自由度并聯(lián)機(jī)器人語(yǔ)言編程系統(tǒng)，可通過(guò)示教自動(dòng)生成機(jī)器人語(yǔ)言等程序。

（6）具備實(shí)際運(yùn)動(dòng)控制、實(shí)物加工演示及實(shí)物真實(shí)加工操作等功能。

（7）軟件開(kāi)放接口，線纜長(zhǎng)度滿足正常使用，可與控制系統(tǒng)電控柜直接連接。開(kāi)放接口可以用于教師或?qū)W生對(duì)于設(shè)備功能的二次開(kāi)發(fā)。

（8）具備軟件的可升級(jí)功能。

（9）具備計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)和系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展功能。

4 可以進(jìn)行的教學(xué)項(xiàng)目

六自由度工業(yè)作業(yè)型串聯(lián)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)：機(jī)器人的認(rèn)識(shí)；機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)；機(jī)器人的控制系統(tǒng)；機(jī)器人示教編程與再現(xiàn)控制；機(jī)器人坐標(biāo)系的建立；機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；機(jī)器人的搬運(yùn)裝配實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備，發(fā)達(dá)國(guó)家以機(jī)器人為核心的自動(dòng)化生產(chǎn)線已成為一種趨勢(shì)，尤其在汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、物流倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)，大大保證和提高了企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，推動(dòng)了這些行業(yè)的快速發(fā)展，使其制造技術(shù)也由傳統(tǒng)制造工藝技術(shù)發(fā)展到先進(jìn)的高新制造技術(shù)。在這種背景下，對(duì)以工業(yè)機(jī)器人為核心的制造裝備的需求日益加大。各大高校應(yīng)該順勢(shì)而為，積極開(kāi)展相應(yīng)的課程，使用相應(yīng)的設(shè)備培養(yǎng)相應(yīng)的人才。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬光，申桂英.工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2002（3）：48-51.

[2] 陳佩云，金茂菁，曲忠萍.我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 2001（1）：2-5.

[3] 張立明，曹作良.教學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].天津理工學(xué)院學(xué)報(bào)，1996（2）：42-46.