串聯機器人在高職教學中的應用

陳熠道

摘 要：文章主要分析了目前各大高職院校所面對開設機器人課程中所遇到的多項難處，針對現今成本高、不開放、可視性差和參與動手能力差的特點，介紹了6自由度工業串聯機器人的教學使用結構分析、關節傳動組成、電機氣動參數等，然后講述了串聯機器人的教學應用特點和可以進行的教學項目設計。

關鍵詞：串聯機器人 6自由度

中圖分類號：G423 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0186-01

目前，中國正處于制造大國向制造強國的轉型時期，工業機器人在汽車工業、航空制造、機械加工、電子裝配和現代物流等規模化生產中發揮著越來越重要的作用，是實現工業自動化的核心。尤其是石化、冶金等行業的包裝碼垛不斷向高速、重載方向發展，電子制造中的光伏硅片和平板顯示器的搬運以及激光加工等向高速、高精度方向不斷發展，高性能工業機器人需求日益強烈。機器人發展因此而帶來的人才培養需求開始顯現，當前各高職高校紛紛建立機器人實驗室等教學手段，因此，相關的教學機器人設備是否符合教學與就業需求顯得尤為重要。

1 目前的問題

各高校開始購買工業機器人作為教學和實驗器材，但由于存在著一系列的問題，難以適應教學和實驗的需求，一般存在的問題如下。

（1）成本高。工業機器人按照自由度和負載的不同一般價格在十幾萬人民幣以上，有些甚至高達幾十萬人民幣，這對于一些高校來說難以承受，而且造成培訓成本很高。后續的維護成本也讓人無法承受。

（2）不開放。由于缺乏統一的標準，各廠家生產的機器人彼此獨立，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用戶開放，僅提供有限的外部接口和庫函數，而且操作不太方便，極大地影響了教學效果，更不適合二次開發。

（3）可視性差。各廠家針對工業現場對機器人本體和控制器專門設計，內部結構不可視，缺乏直觀的教學效果，學生往往知其然不知其所以然。

（4）參與動手能力差。目前普遍的教學、教育類機器人不論機械、電氣都是集成一體設計，學生只能觀看和簡單操作，無法對機器人本體和電控系統拆裝，無法深入了解內部結構和原理。

上述原因使開展相關教學和培訓的單位對購買此類機器人設備變得越來越慎重，造成有教學、無實驗，重理論、輕實踐的局面，違背了開展機器人教育的初衷。因此開發模塊化、低成本、開放化、可視化的，體現工業機器人基本理論和技術，面向以理論教學、操作實踐為目的的工業作業型教學機器人成為當前的急需。

2 桌面串聯教學機器人結構分析

桌面串聯教學機器人由機械手本體、鋁合金實驗桌面、嵌入式掛板控制系統、末端氣動手爪、無油靜音氣泵、搬運樣件與支架、顯示器鍵鼠組成。

桌面型串聯教學機器人—伺服五步進混合驅動：關節1步進電機直連諧波減速器；關節2步伺服電機直連諧波減速器；關節3步進電機同步齒形帶傳動連接諧波減速器；關節4步進電機聯軸器直連諧波減速器；關節5步進驅動同步帶傳動連接諧波減速器；關節6步進電機聯軸器直連諧波減速器。

結構形式：串聯關節式。

驅動方式：步進伺服混合驅動。

負載能力：3Kg。

重復定位精度：±0.08 mm。

動作范圍：

θ1：-150°～150°，θ2：-135°～-45°

θ3：-70°～50°，θ4：-90°～90°

θ5：-90°～90°，θ6：-180°～180°。

最大動速度：

θ1：60°/s， θ2：60°/s

θ3：60°/s， θ4：60°/s

θ5：60°/s， θ6：120°/s。

最大展開半徑：610 mm。

高度：850 mm。

本體重量≤40 Kg。

操作方式：示教再現/編程。

供電電源單相：220 V、50 Hz、4 A。

機器人應用電機：富士交流伺服電機、白山步進、斯達特步進。

I關節傳動鏈主要由伺服（或步進）電機、減速器構成。

II關節傳動鏈主要由步進電機、減速器構成。

III關節傳動鏈主要由步進電機、同步帶、減速器構成。

IV關節傳動鏈主要由步進電機、減速器構成。

V關節傳動鏈主要由步進電機、同步帶、減速器構成。

VI關節傳動鏈主要由步進電機、減速器構成。

在機器人末端還有一個氣動夾持器。

桌面串聯：1套富士100 W+五套白山步進。

桌面串聯：6套諧波減速器。

機械手應用傳感器：伺服電機增量式編碼器，關節限位光電開關。

機器人氣動技術：無油靜音氣泵-調壓過濾器-電磁閥-氣動手爪。

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有編號（CN1、CN2、CN3、CN4、CN5），確認編號后一一對應進行連接，連接時對準針孔位置，連接后旋轉插頭外殼固定。

3 教學應用特點

（1）六自由度串聯教學機器人是完全工業級產品，步進伺服混合驅動，采用工業機器人一樣的進口RV減速器與諧波減速器傳動。主要應用于零部件搬運與裝配、焊接、上下料等應用教學，系統全部開放。

（2）機構按工業標準要求設計，結構簡單、速度快。

（3）控制系統采用Windows系列操作系統，二次開發方便、快捷，適于教學實驗提供教材、實驗指導書等，內容涵蓋機器人運動學、動力學、控制系統的設計、機器人軌跡規劃等。

（4）模塊化結構，簡單、緊湊。

（5）控制系統人機交互良好，采用圖形化示教盒進行操作、控制。同時二次開發時可以提供相應Windows環境接口提供通用六自由度并聯機器人語言編程系統，可通過示教自動生成機器人語言等程序。

（6）具備實際運動控制、實物加工演示及實物真實加工操作等功能。

（7）軟件開放接口，線纜長度滿足正常使用，可與控制系統電控柜直接連接。開放接口可以用于教師或學生對于設備功能的二次開發。

（8）具備軟件的可升級功能。

（9）具備計算機聯網和系統進一步擴展功能。

4 可以進行的教學項目

六自由度工業作業型串聯機器人實驗：機器人的認識；機器人的機械系統；機器人的控制系統；機器人示教編程與再現控制；機器人坐標系的建立；機器人正運動學分析；機器人逆運動學分析；機器人的搬運裝配實驗。

5 結語

工業機器人是現代制造業重要的自動化裝備，發達國家以機器人為核心的自動化生產線已成為一種趨勢，尤其在汽車行業、電子電器行業、物流倉儲行業，大大保證和提高了企業產品的質量和生產效率，推動了這些行業的快速發展，使其制造技術也由傳統制造工藝技術發展到先進的高新制造技術。在這種背景下，對以工業機器人為核心的制造裝備的需求日益加大。各大高校應該順勢而為，積極開展相應的課程，使用相應的設備培養相應的人才。

參考文獻

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