“工業機器人應用與編程技能實訓”漸進式項目設計*

譚 娟

（武漢交通職業學院智能制造學院，湖北 武漢 430065）

0 引言

目前，武漢交通職業學院“工業機器人應用與編程技能實訓”課程主要側重于工業機器人的示教編程。示教編程是目前工業現場應用較廣泛的一種機器人編程技術，它是指操作人員通過示教器控制機器人的關節運動，使機器人末端執行器到達指定位置和姿態，并按照一定的軌跡運動，機器人控制器記錄動作并根據指令自動重復該動作[1]。示教編程的核心在于程序的編寫。程序，又稱指令序列，是為了使機器人完成指定任務而將設置的動作順序以指令的形式編寫出來[2]。工業機器人示教編程指令主要包括運動指令、輸入/輸出指令、延時指令、流程控制指令等內容，要求學生掌握機器人編程指令的語法格式和編寫方法。通過示教編程技能實訓，培養學生編程思維和利用示教編程解決實際問題的能力。

2019年，教育部等六部門印發了《高職擴招專項工作實施方案》，該方案提出高職面向高中畢業生、中職（含中專、技校、職高）畢業生、退役軍人、下崗失業人員、農民工和新型職業農民等群體進行擴招[3]，這必將改變高職院校以普通高中畢業生為主的傳統生源結構。高職院校生源的多樣化，生源群體之間學習基礎的差異性，致使因材施教難度加大。而漸進式項目設計能解決此問題，通過合理的項目設計能將不同層次的學生拉到同一起跑線上[4]，并能激發學生的學習興趣，提高學生的自主學習能力，亦能讓學生體驗項目完成帶來的喜悅感，從而進一步激發學生的求知探究欲望。

1 漸進式項目的內涵和設計思路

1.1 內涵

漸進式項目指的是教師在指導教學過程中，根據教學內容的內在聯系，將教學內容設計成一個個相互銜接、難度逐級遞增的項目[5]，學生通過完成前一個項目，將其所學知識用于指導后一個項目的完成。漸進式項目示意圖，如圖1所示。

圖1 漸進式項目示意圖

1.2 設計思路

漸進式項目設計要體現出各項目之間相互銜接、不斷深化、難度逐步加深的特點。要保證漸進式項目教學的順利開展，項目的設計尤為重要。首先，項目設計不僅要涵蓋教學知識點，還要兼具趣味性，以此激發學生的學習熱情，提高學生自主探究的積極性。其次，項目設計要體現任務的真實性，盡量選用生產企業真實的工作任務并加以改造。再者，項目設計難度要適宜，要能充分調動學生學習的積極性，讓學生體驗到自主完成項目帶來的成就感。

2 項目設計示例

“工業機器人應用與編程技能實訓”項目的設計與實施基于華數HSR-JR620型工業機器人。

2.1 項目一：利用示教器實現路徑軌跡編程

工作流程節拍如下：

1）初始狀態為機器人在零點位置；

2）依據所給文字圖形進行描繪；

3）結束狀態為機器人在零點位置。

在編程之前，需確定末端執行器的運動軌跡，并將位置數據輸入到變量列表的寄存器中。如圖2所示的“日”字的描繪，倘若運動軌跡為零點O→P1→P2→P3→P4→P1→P6→P5→P4→零 點O，零 點O的 數 據（即{0,-90,180,0,90,0}）輸入至關節坐標寄存器JR[1]中，P1~P6的數據分別輸入至笛卡爾坐標寄存器LR[1]~LR[6]中，對應的指令序列如下：

圖2 描繪“日”字

MOVE ROBOT JR[1]

MOVES ROBOT LR[1]

MOVES ROBOT LR[2]

MOVES ROBOT LR[3]

MOVES ROBOT LR[4]

MOVES ROBOT LR[1]

MOVES ROBOT LR[6]

MOVES ROBOT LR[5]

MOVES ROBOT LR[4]

MOVE ROBOT JR[1]

如圖3所示的“心”形圖案的描繪，其中P1、P2、P3之間及P5、P6、P1之間近似為圓弧，P3到P4及P4到P5之間近似為直線，若運動軌跡為零點O→P1→P2→P3→P4→P5→P6→P1→零點O，零點O的數據輸入至關節坐標寄存器JR[1]中，P1~P6的數據分別輸入至笛卡爾坐標寄存器LR[1]~LR[6]中，對應的指令序列如下：

圖3 描繪“心”形

MOVE ROBOT JR[1]

MOVE ROBOT LR[1]

CIRCLE ROBOT LR[2]LR[3]

MOVES ROBOT LR[4]

MOVES ROBOT LR[5]

CIRCLE ROBOT LR[6]LR[1]

MOVE ROBOT JR[1]

本項目通過路徑軌跡的示教編程，實現機器人描繪文字和圖形的過程。要求學生掌握機器人基本機構、機器人安全操作規程、機器人上電、機器人手動操作（如選擇坐標系、運行速度、存儲并修改位置數據等）、機器人回零操作、機器人文件管理（如新建、打開、編輯、加載、運行程序等），要求學生掌握運動指令MOVE、MOVES和CIRCLE的應用。

2.2 項目二：利用示教器實現物料搬運編程

工作流程節拍如下：

1）初始狀態為機器人在零點位置；

2）將A處（取料示教位置LR[3]）物料搬運至B處（放料示教位置LR[4]），高度增量LR[2]，設置安全過渡位置O＇，工具吸盤輸出端為D_OUT[17]；

3）結束狀態為機器人在零點位置。

物料搬運示意圖如圖4所示，機器人末端執行器運動軌跡為零點O→A＇→A→A＇→O＇→B＇→B→B＇→零點O，零點O和安全過渡位置O＇的數據分別輸入至關節坐標寄存器JR[1]和JR[2]中，A處取料示教位置的數據輸入至笛卡爾坐標寄存器LR[3]中，B處放料示教位置的數據輸入至笛卡爾坐標寄存器LR[4]中，高度增量{0,0,200,0,0,0}輸入至笛卡爾坐標寄存器LR[2]中，對應的指令序列如下：

圖4 物料搬運示意圖

MOVE ROBOT JR[1]

MOVE ROBOT LR[3]+LR[2]

MOVES ROBOT LR[3]

DELAY ROBOT 1 000

D_OUT[17]=ON

DELAY ROBOT 1 000

MOVES ROBOT LR[3]+LR[2]

MOVE ROBOT JR[2]

MOVE ROBOT LR[4]+LR[2]

MOVES ROBOT LR[4]

DELAY ROBOT 1 000

D_OUT[17]=OFF

DELAY ROBOT 1 000

MOVES ROBOT LR[4]+LR[2]

MOVE ROBOT JR[1]

本項目通過搬運程序的示教編程，實現物料的搬運過程。要求學生正確理解機器人運動指令MOVE和MOVES的區別、數字信號輸出指令和延時指令的應用，并在這些指令的應用過程中，熟悉位置數據、運行速度等設置過程；同時要求學生掌握任務分析、運動規劃、路徑規劃的方法。

2.3 項目三：利用示教器實現物料碼垛編程

工作流程節拍如下：

1）初始狀態為機器人在零點位置；

2）將A處三個直徑為φ94 mm，高度為16 mm的圓形物料（取料示教位置LR[3]）搬運至B處碼垛（放料示教位置LR[4]）；高度增量LR[2]，設置安全過渡位置JR[2]，工具吸盤輸出端D_OUT[17]；

3）結束狀態為機器人在零點位置。

物料碼垛示意圖如圖5所示，機器人末端執行器運動軌跡為零點O→A＇→A→A＇→O＇→B＇→B→B＇→O＇→A＇→……（共循環三次）→零點O，零點O和安全過渡位置O＇的數據分別輸入至關節坐標寄存器JR[1]和JR[2]中，A處取料示教位置的數據輸入至笛卡爾坐標寄存器LR[3]中，B處放料示教位置的數據輸入至笛卡爾坐標寄存器LR[4]中，高度增量{0,0,200,0,0,0}輸入至笛卡爾坐標寄存器LR[2]中，取料點的位置偏移{0,-94,0,0,0,0}輸入至笛卡爾坐標寄存器LR[5]中，碼垛放料位置高度偏移{0,0,16,0,0,0}輸入至笛卡爾坐標寄存器LR[6]中，笛卡爾坐標寄存器LR[31]和LR[41]分別為取料和放料位置，對應的指令序列如下：

圖5 物料搬運碼垛示意圖

MOVE ROBOT JR[1]

IR[1]=0

WHILE IR[1]＜3

LR[31]=LR[3]+IR[1]*LR[5]

LR[41]=LR[4]+IR[1]*LR[6]

MOVE ROBOT LR[31]+LR[2]

MOVES ROBOT LR[31]

DELAY ROBOT 1 000

D_OUT[17]=ON

DELAY ROBOT 1 000

MOVES ROBOT LR[31]+LR[2]

MOVE ROBOT JR[2]

MOVE ROBOT LR[41]+LR[2]

MOVES ROBOT LR[41]

DELAY ROBOT 1 000

D_OUT[17]=OFF

DELAY ROBOT 1 000

MOVES ROBOT LR[41]+LR[2]

MOVE ROBOT JR[2]

IR[1]=IR[1]+1

END WHILE

MOVE ROBOT JR[1]

本項目通過碼垛程序的示教編程，實現物料的碼垛過程。要求學生通過任務分析、運動規劃、路徑規劃、編程調試等過程，實現機器人碼垛作業的操作與編程；要求學生掌握機器人編程指令的語法格式和編寫方法，尤其是掌握運動指令、數字輸入/輸出指令、延時指令、流程控制指令的語法格式和編程方法。

3 結語

上述三個漸進式項目在武漢交通職業學院2019級“工業機器人應用與編程技能實訓”課程中付諸實施，學生的自主學習能力和自信心得到了提升，學生的團隊協作和執行力也得到了加強。