機器人技術基礎實驗教學的改革與實踐

唐艷華+張慶玲

[摘要]

根據機器人技術基礎課程特點，在實驗室現有ABB IRB1410

機器人的基礎上自主開發了機器人上下料平臺實驗系統，該系統采用真空吸附的工作原理實現板料的搬運。制定并執行了機器人運動學控制以及機器人上下料模擬實驗教學方案，經機械電子工程專業學生實踐，證明該實驗方案能達到預期實驗目的，有效激發學生學習熱情，在有限課時內鍛煉學生的自主開發能力。

[關鍵詞]機器人;運動學;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

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

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

本文在機電實驗室現有ABB IRB1410機器人的基礎上自主開發了機器人上下料平臺實驗系統，制定了機器人運動學控制以及機器人上下料模擬實驗教學方案。經機械電子工程專業學生實踐，根

據實驗分析結果以及研究過程中的心得體會證明該實驗方案能達到預期實驗目的，有效激發學生學習熱情，在有限課時內鍛煉學生的自主開發能力。

1實驗設備簡介

1.1IRB1410工業機器人

ABB公司的IRB1410工業機器人工作周期短、運行可靠，能大幅度提高生產效率。該機器人在弧焊、物料搬運和過程應用領域經歷考驗，能實現弧焊、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;其大臂背后設計有平行連桿及雙軸承支承結構，對稱分布的接觸力使機械振動大為減小，因而比串行鏈接結構更為堅固、響應更為迅速、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。為本科生教學提供了良好的環境，為研究生科研搭建了良好的實驗平臺。

IRB1410工業機器人系統如圖1所示，系統包括：ABB IRB1410六自由度關節型串聯機器人、

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

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

圖1ABB IRB1410工業機器人系統

圖2機器人上下料系統

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板料的搬運，其中，真空系統由真空泵、分路塊、兩位三通直通式電磁閥、真空開關、真空吸盤、緩沖支桿等構成。ABB IRB1410機器人上下料系統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，真空泵將系統中的空氣向外排，整個系統氣路開始工作;當吸盤內達到設定的真空度后，真空開關自動給電磁閥發送電信號，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，進氣口和排氣口導通，整個系統氣路與外界大氣導通，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。

3實驗教學項目

堅持理論與實踐相結合的原則，實驗時間安排在理論課基本知識講授完畢之后，要求學生提前預習實驗指導書，進行理論知識儲備工作，以保證學習成效。實驗內容設置方面，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，又通過開設深層次的研究性實驗，讓學生透過現象看本質，培養學生獨立研究能力，激發學生的創新思維。

3.1機器人運動學控制

實現對工業機器人在空間運動軌跡的控制，完成預定的作業任務，就必須知道機器人手部在空間瞬時的位置與姿態。如何計算機器人手部在空間的位姿是實現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節上，通過齊次坐標變換來描述兩個相鄰坐標系之間的相互關系，就能建立并解算機器人的運動學方程。在該階段，要求學生能準確理解物體在空間位置與姿態的表示方法，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、旋轉坐標變換及綜合坐標變換（平移加旋轉）等計算。

通過本實驗，要求學生完成以下內容。

1） 觀察串聯機器人IRB1410的結構，了解其動作原理，并繪制其結構簡圖。

2） 計算IRB1410機器人自由度數并判別自由度性質。

3） 根據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，確定連桿參數和關節變量。相應參數填入

IRB1410連桿參數表。

圖4ABB IRB1410

機器人各軸標準尺寸

4） 確定0nT

，在此基礎上利用上述機器人運動學方程，求解關節變量q1，q2，……，qn。

5） 確定末端執行器的操作速度V，在此基礎上利用機器人操作速度和關節速度的變換方程的逆變換方程V=J

，求解滿足末端執行器速度要求的關節速度變量1，2，……，n。

6） 手動操縱機器人至某一姿態，對運動學正、反解運算結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

自由度串聯機器人的運動學、動力學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。使學生能夠了解上下料平臺搭建的主要裝備及關鍵技術，掌握現代沖壓自動機器人上下料技術的發展方向。培養學生初步掌握實驗研究的能力，正確處理實驗數據的能力和分析實驗結果、撰寫實驗報告的能力。

通過本實驗，要求學生完成以下內容。

1） 學習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劃。

3） 完成1410機器人沖壓線上下料模擬實驗的程序編寫調試。

4） 記錄并分析1410機器人的實際工況（平穩性、速度、加速度）等數據。

4結束語

通過機械電子工程專業學生的課程實踐，證明該實驗方案能達到預期實驗目的，能幫助學生更好地理解機器人理論知識，有效激發學生學習熱情，在提高實驗教學質量、培養學生實踐能力、創新意識和科研能力等方面有積極意義。

參考文獻

[1] 熊有倫.機器人技術基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，2009.

[2] 朱勇勇.開放式教學機器人運動控制器設計[D].上海：上海交通大學，2007.

[3] 馬麗霞，屈曉陽，顧勇飛.創新型實驗教學體系的構建[J].中國大學教學，2010，10：67-69.

[4] John J C.機器人學導論[M].負超，李成群，陳心頤，譯.北京：機械工業出版社，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