基于ABB工業機器人示教系統的教學項目設計

潘洪坤

摘 要：工業機器人的廣泛使用，引起了專業使用工業機器人人才缺乏問題，而職業院校機器人專業或課程都剛剛起步，課程內容設置并不完善，本文針對這個現象，以ABB機器人示教系統為研究對象，以柔性生產線機器人上下料為背景，通過分析機器人工作過程，ABB在線編程和離線編程的內涵，總結出了工業機器人教學內容，設計出適合高職院校學生使用的教學項目。

關鍵詞：工業機器人；ABB 示教系統；機器人教學；項目設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.215

0 工業機器人發展現狀

備受關注的“中國制造2025” “中國制造2025”列出了十大重點發展領域，其中，機器人概念備受關注。我國已經是全球第一大工業機器人市場，2015年全國機器人市場銷量將突破8萬臺。 “機器換人”計劃為 “中國制造”插上了騰飛的翅膀。

國際上機器人產業正處于高速發展階段，特別在工業機器人日本重點發展仿人和娛樂機器人，其各種機器人的保有數量全球領先，成為名符其實的機器人王國。對于工業機器人的總數占世界前三位的美國和德國來說，機器人是他們發展經濟的“先進伙伴”。德國提出以“有形的手”引導“無形的手”，幾乎每四個就業崗位就有一個工業機器人。德國機器人產業化模式的主要特點在于分工合作，即將具備一定智能化的機器人個體，通過數據交互從而實現高度智能化。在這種模式下，不同的生產設備既能夠協作生產，又可以各自快速地對外部變化做出反應。這完全是信息時代產生的大量個性化需求反映到生產端的結果，工業生產將告別上一個時代的標準化，走向個性化。美國著重發展智能機器人，其視覺、觸覺等人工智能技術已在航天、汽車工業中廣泛應用高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發展迅速并已經實際應用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術的研究，并朝著智能化和多樣化方向發展。

與工業機器人產業的蓬勃發展相比，工業機器人專業人才的培養卻處于相對滯后狀態。目前，本科院校培養的機器人相關人才，大多從事原理研究或本體開發及特種機器人開發等，而國內大多數高職院校有工業機器人應用方面的對口專業較少，開設年限也僅為1～2年，從課程內容設置到人才培養過程，還很不成熟。

基于以上問題，本文以ABB工業機器人示教系統為研究對象，以工業機器人上下料情景為研究背景，探索ABB機器人示教系統教學項目設置的可操作性和規律。

1 基于ABB工業機器人示教系統的教學項目設計

1.1 研究背景及方法

柔性自動化生產線中常采用機器人為其上下料，本為以此為研究對象。下圖為某型號教學用柔性自動化生產線，其中第五站就為上下料站。該站采用六軸機器人作為工件搬運的設備，其主要功能是通過氣動機械手的運動，將工件從上料檢測站搬運到加工站。機械手通過電磁閥控制氣動裝置完成抓取工件，此外搬運站還有聯機控制裝置，上位機主要有電腦、PLC等。整個過程通過示教編程或離線編程，完成工業機器人的定位，通過PLC控制完成氣動電磁閥實現工件抓取。在整個過程中可采用不同的搬運路線，通過在線示教或離線編程的方式完成上下料的過程。

要完成該過程的控制，我們首先要理解機器人的操作過程。一般工業機器人都屬于“示教再現型”機器人，“示教”就是機器人學習的過程，在這個過程中，操作人員要“教會”機器人怎樣工作，機器人的操作系統會將這些工作程序和要領記憶下來，機器人按照記憶下來的程序進行工作，這就是“再現”過程。目前示教的方式主要有兩種：

（1）直接示教，包括手把手示教和示教器示教項目開發。操作人員使用視角器直接對機器人的手進行示教，示教時對機器人各個關節的角度用多通道記錄儀記錄下來，然后根據所記錄的信號讓機器人再現與這些關節角度一樣的動作，從而實現人們對機器人的編程。

（2）離線示教，也稱離線編程。 離線示教不對實際作業的機器人示教項目開發直接進行示教，而是脫離實際作業環境生成示教數據，間接地對機器人進行示教。在離線示教法中，通過使用計算機內存儲的模型，不要求機器人實際產生運動，并能在示教結果的基礎上對機器人的運動進行仿真，從而確保示教內容是否恰當及機器人是否按照人們期望的方式運動。

1.2 基于ABB工業機器人示教系統的教學內容、項目及特點

通過ABB機器人的實際操作控制發現，工業機器人示教系統的教學項目至少要包括如下教學內容：

（1）機器人硬件識別，機器人各軸、電機、連接接口、連接線纜；控制柜的硬件結構了解和線纜連接介紹；

（2）示教器基本操作，示教器使用注意事項；坐標系、示教、作業編輯、自動執行、系統設定、系統診斷、基本指令、報警信息等；

（3）外圍接口，線纜連接口；通訊接口；氣路接口；PLC連接接口；電腦連接接口；I/O口；

（4）碼垛應用實操，機器人末端夾手的連接；機器人搬運碼垛操作；

（5）機器人繪圖，機器人繪圖筆的連接；機器人繪圖操作；

（6）機器人裝配，機器人裝配系統配置認知；機械裝配工藝的學習；

（7）機器人離線編程，ABB機器人離線編程的方法；編寫簡單的離線程序。

要學習這些內容首先學生要具有了可編程控制器、變頻器、電機與電氣控制、機器人技術應用、液壓與氣動、傳感器由于檢測技術等方面的知識。其次，就是教學項目的研究設計既要讓學生能在課堂上使用還要與機器人的工作崗位進行對接。針對這些要求，我們設計了基于ABB工業機器人示教系統的教學項目。表1為機器人應用技術實訓課程設計的教學項目。

這些教學項目符合高職院校工業機器人專業或方向，滿足機器人專業的培養目標即高端與技能型專門人才的需求，針對機器人生產線安裝、調試、維護、運行、系統集成與故障診斷方面都有涉及。 項目內容圍繞職業技術領域共性專業核心能力要求設置，每個教學項目都承載著不同的知識、能力、素質培養的責任，并達該課程教學目標的要求。其設計思路按照由簡單到復雜的循序漸進過程，符合知識認知規律和能力從一般技能訓練到綜合訓練的教學規律。項目設計具有如下幾方面的特點：

專業性：項目側重工業機器人的基礎操作與應用。通過對機器人基礎示教、搬運、繪圖等操作，讓學生掌握工業機器人最基礎的操作和工業機器人系統集成控制的基礎知識。只要掌握了這些工業應用的控制要求，按要求編寫程序就可應用在這些領域。同時學生有了ABB機器人的操作基礎，能夠更快的使用其他品牌機器人。

拓展性：所有項目設計都是以上下料應用為背景，讓學生ABB機器人編程語言的使用和機器人的基礎知識。如果將工業機器人手部更換成吸盤或焊槍，就變成了噴涂、焊接、碼垛等機器人，由于學生有ABB的專業知識，很容易適應工作崗位的需要。

二次開發性：可以讓學生在專業課程學習的基礎上，將理論知識應用到實踐中。學生可以自行設計和改造機器人夾手，設計不同的教學實驗，用工業機器人實現不同的功能，在提高其創新能力的同時，也培養了實際中的動手能力。

2 結論

隨著國家的大力支持，職業院校開設機器人專業或課程以成為必然趨勢，工業機器人的教學研究也蓬勃發展。本文基于ABB機器人示教系統進行工業應用研究，結合機器人教育教學中遇到的問題，如相關理論知識薄弱、機器人理論知識較少、學生眼界較小、不敢想或敢想不知該怎么做、工業背景；操作性強，有的學生接受特別快，有的學生掌握很慢等問題。設計了適合高職學生使用的教學項目和教學內容。這些項目正在小范圍內試運行。

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