六自由度機器人在高職院校教學中的應用

王熙

（云南工業技師學院，云南 曲靖 655000）

機器人是工業領域中代表高科技產業的典型產品，可用于學生了解復雜機電系統構成和綜合應用機電元器件。工業機器人的使用是實現中國制造業轉型升級的強有力的技術手段。目前，機器人行業的發展非常迅猛，行業人才的需求量非常大。機器人的相關課程走進了許多工程科學專業的課堂。對機器人學的教育為創新性教育提供了廣闊空間，能夠培養學生對機械電子等方面知識學習的興趣，開發學生的特長和潛能。機器人所具有的強大的電子擴展能力，能夠極大激發學生的學習興趣和開發思路。示教機器人技術涉及機械結構學、傳感器、控制技術、運動學和動力學等，是高等教育教學中不可缺少的方式和方法，示教機器人的作用不僅能夠對教授課程進行直觀的實驗教學演示，還可以讓學生自己動手對教學機器人進行部分功能的擴展。

1 機器人技術

機器人已經在許多行業領域得到了普遍的應用，工業機器人系統一般包括軀干、示教編程器、機器人控制柜等。其中示教編程器是控制系統核心部件，用來注冊和存儲機械運動或處理記憶的設備，能夠實現在線編程。圖1為六自由度機器人軀干簡圖。

圖1 六自由度機器人軀干簡圖

圖1 中，軸1、軸4和軸6都是旋轉軸，每個軸由電機驅動，并經過減速器減速增扭，帶動各旋轉軸及其以后的各部件繞該電機軸做旋轉運動，根據功能要求的不同，軸6的末端執行器可安裝在不同的設備上，如焊槍、抓手等。軸2、軸3和軸5為擺動軸，由減速器連接電機進行驅動各關節的部件進行運動。

根據機械結構坐標布置的不同，機器人可分為直角坐標機器人、圓柱坐標型機器人、球坐標型機器人和關節型機器人。直角坐標機器人的機械臂是通過直角坐標系的形式配置，通過3個相互垂直的軸線上的移動來改變機械臂的空間位置。圓柱坐標型機器人的機械臂采用圓柱坐標系形式，通過2個移動和1個轉動來實現機械臂的空間位置的改變。球坐標型機器人的機械臂采用球坐標形式，其運動是由1個直線運動和2個轉動所組成。關節型機器人的結構類似于人體的關節結構，通過旋轉來實現移動與位姿的變化。隨著機器人技術的發展和應用，關節型機器人已廣泛應用在物流搬運、生產、服務等行業中。關節型機器人的結構緊湊、體積小、相對工作空間大，能夠靈活地繞過障礙物，充分展示了現代工業機器人的特征，并在一定程度上滿足了相關智能控制理論的研究。

機器人的動力學求解十分復雜，往往是多個輸入、多個輸出的非線性的強耦合的位置時變動力學系統，每個關節之間都有聯系，并相互作用、相互影響，在速度較高的情況下，離心力和哥氏力的影響十分嚴重，所以對機器人的控制十分困難。與NC機床不同，機器人的作業要與其它設備直接作用，而其工作環境預先往往不會規定，所以準確地識別工件位置，并將位置信息傳輸到其它設備是機器人研究的另一個重點內容。

2 機器人教育教學

高職院校機器人專業培養可通過以下幾個層次：機器人集成系統及應用的基礎知識學習；機器人操作及基礎編程的學習；通過焊接工作站、噴涂工作站等實訓項目，學習操作機器人。在這3個階段中，示教機器人都能發揮很好的示教作用。

2.1 機器人集成系統與應用

工業機器人的運動是通過伺服電機進行驅動。機器人集成系統與應用的學習就是了解機器人控制柜的原理。控制柜主要是通過PLC及其外設、變頻器、伺服驅動器等設備，對伺服電機進行位移、速度以及加速度的控制。變頻器是通過整流、濾波、逆變、制動單元、驅動單元、監測微處理單元來調整輸出電源的電壓和頻率的裝置，能夠對電機進行調速控制，因此電力電子技術也是一門核心課程。伺服驅動器是控制電機運動的重要組件，由于伺服驅動裝置涉及到矢量控制電流、速度、位置等閉環數學算法，對于伺服驅動器的學習，在高職院校不宜學習較深的理論。

通過六自由度示教機器人，可以讓學生見識到機器人控制柜到底是什么樣子，課堂教學中可以打開機器人控制柜，讓學生了解到控制柜中都有哪些裝置，這些裝置都有什么樣的功能，講課中應注意安全，不能隨便觸摸高壓高電流裝置。

機器人的應用十分廣泛，除了制造業的工業機器人以外，還有如排險救災、服務、軍事等方面的各類機器人。工業機器人常用于簡單重復性的工作場合，其工作環境往往十分惡劣。市場分析預測，高精密裝配機器人和檢驗機器人的需求量將逐漸增大，包括電氣裝配、高精密機械裝配機器人等。在極限環境下，如深海和太空等極限惡劣環境將成為機器人活躍的場所。日本通產省工技院從1983年就展開了對極限作業機器人的研究和開發，美國把航天飛機所用的柔性操作臂列為重要研究內容。

工業中應用的電焊、搬運等機器人一般都屬于第1代機器人，具有示教再現的功能，有的還具有可編程的NC裝置。第2代機器人能夠利用傳感器探測外部環境和操作對象的相關信息，其核心技術是傳感器技術和嵌入式微機控制技術。第3代機器人是具有智能功能的機器人，也是當前機器人研究領域的重點研究內容。智能機器人能夠認知周圍環境，判別操作對象狀態，具有自學習和獨立決定工作方式的功能。

2.2 機器人操作與編程

機器人操作與編程是以實踐為主的學習過程。在掌握各元器件的特性和PLC編程應用的基礎上，通過變頻器和伺服驅動裝置，對電機實現多段位置控制、速度控制及加速度控制。通過老師教學或自學的方式掌握RS-485總線通信、Modbus協議等，實現PLC對變頻器、伺服驅動裝置的通信，達到控制電機的目的。PLC之間也可以相互通信，實現多核心控制和驅動。通過示教機器人，向學生展示機器人控制核心PLC及其可視化編程軟件與仿真軟件，讓學生了解PLC編程的基礎操作。在講解總線協議時，要仔細認真講解，讓學生真正明白總線的工作機理，為學生自主編程打下堅實的基礎。

機器人是一個軟件可控的機械裝置，自機器人問世開始，就對機器人語言展開研究。1973年Stanford人工智能實驗室就研究和開發了世界第1種機器人語言WAVE，1979年美國Unimation公司又開發了VAL語言，是語言的語句結構變得簡單容易，IBM公司又相繼推出了ML語言，并用于機器人裝配作業。機器人語言的種類很多，通常可分為3種：動作級語言、對象級語言和任務級語言。機器人編程包括在線編程和離線編程，其中離線編程較為常用，能減少機器人的不工作時間，使編程者遠離危險的工作環境，便于與CAD、C AM等系統連接，也便于后期修改程序等。

2.3 實踐訓練

在教授完理論基礎之后，必須通過一定的實踐訓練，才能讓學生更加深刻地理解機器人相關知識。焊接工作站、碼垛工作站等基本涵蓋了工業環境中所遇到的機器人的操作情形。以焊接工作站為例，除了機器人的本體軀干以外，還安裝有電源模塊、焊槍模塊、焊接工作臺及夾具模塊和機器人底座與清槍模塊等。學生通過對一個工作站的學習可了解工作站的構成與各模塊之間的通信，并進行一些機器人的簡單操作。在實踐訓練時理論聯系實際，對工作站的工作原理進行探索。

教師通過示教機器人可向學生展示一些機器人的操作技巧與注意事項，讓學生有一個感性的認識，通過親身體驗操作機器人的過程，加深對機械操作的理解和相關機器人理論的認識。

3 結語

機器人行業的發展迅速，行業人才的需求量非常大。通過示教機器人在教育教學中的應用，可以培養學生對機械電子等方面的興趣，激發學生的創新意識和開發熱情。示教機器人不僅能夠對教授的課程進行直觀的實驗教學演示，還可以讓學生自己動手，對教學機器人進行功能擴展，通過機器人集成系統及應用的基礎知識學習、機器人操作及基礎編程的學習和實踐訓練對機器人操作的學習。一方面讓學生掌握機器人相關理論知識，基本編程方法和基本操作技巧；另一方面讓學生親身體會操作機器人的過程，加深對概念的理解，掌握機器人操作技術。

[1]李慧東.六自由度教學機器人的設計與研究[D].武漢理工大學,2013.

[2]張雪峰,崔寶華.工業機器人人才培養現狀與分析——以廣東省河源市為例[J].職業,2017，(26):40-41.