7R機械臂的研制及用于實踐教學的探索

付　鐵，　張慶東，　丁洪生，　李春陽

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)

0　引　言

隨著計算機技術、自動化技術、機電一體化技術、電子技術、傳感技術以及人工智能技術等現代學科的發展，機器人技術得到了迅速發展和深入廣泛應用，機器人技術現已成為衡量一個國家工業自動化水平的重要標志[1-2]。近年來，隨著工信部《關于推進工業機器人產業發展的指導意見》政策的出臺，以及“中國制造2025” “國家創新驅動發展”和“新工科”等新戰略和新概念的出現和崛起[3-8]，制造業成為我國經濟“創新驅動、轉型升級”的主戰場，機器人也將作為未來10年十大重點發展領域之一。這種新形勢與背景改變了未來社會對機器人技術人才的需求，從而使得機器人教育教學備受關注[9-14]，有不少院校都設置了機器人專業。通常，應用型大學注重技能培養，而研究型大學側重學術研究。然而，當前新形勢下的機器人教育則更加注重實踐、更加注重知識與能力的融合、更加注重綜合素質及創新能力的培養。因此，文中以自行研制的7R教學機械臂為研究對象，就機器人技術人才培養方面進行教學探索與研究。

1　7R機械臂的機械結構及工作原理

如圖1所示，7R機械臂是一種具有7個回轉自由度的冗余關節式機器人[15]，它具有方位關節J1、大臂俯仰關節J2、大臂自旋關節J3、小臂俯仰關節J4、小臂自旋關節J5、手腕俯仰關節J6和手腕自旋關節J7共7個關節。每個關節均為轉動副，且具有相應的驅動裝置，工作時帶動末端執行器達到不同的位置和姿態，并由其完成相應的動作，如抓放、裝配等操作。多自由度的冗余結構能夠提高機械臂的靈活性，改善其運動性能，使其能夠完成避障等特殊任務要求。

圖17R機械臂的機械本體結構

關節結構及傳動原理是機器人教學的主要內容之一。以小臂俯仰關節J4為例，其機械結構及傳動原理如圖2所示。關節J4由一體化減速電機(通常采用高速伺服電機+行星減速器)作為動力源。由于行星減速器有回程間隙，會影響關節的傳動精度以及整個機械臂的動態特性，因此，一體化減速電機通過聯軸器將運動和力矩通過連接軸傳入諧波減速器(理論上無側隙，傳動精度高)，然后通過諧波減速器的輸出實現小臂的俯仰運動。同時，采用位置傳感器作為轉角反饋元件，實現整個關節的閉環控制，進一步提高關節的傳動精度。其他6個關節的結構設計思路與J4關節基本一致，限于篇幅，這里不在贅述。

圖2　J4關節的機械結構及傳動原理示意圖

2　7R機械臂的控制系統

7R機械臂的控制系統是基于CAN總線的上位機與DSP關節控制器的兩級控制架構，如圖3所示。上位機主要用于7R機械臂的運動學求解，然后將各關節的控制指令下發到各自的關節DSP控制器。DSP關節控制器用于輸出控制信號給電機驅動器，從而控制關節電機提供動力輸出。位置傳感器采用旋轉變壓器，用于實時測量關節角度，并反饋到關節控制器完成閉環控制。上、下位機之間通過CAN總線進行數據交換。

圖37R機械臂控制系統原理框圖

關節控制硬件主要包括DSP控制電路、電機驅動器、伺服電機(BLDCM)和角度測量裝置四部分。機械臂關節控制系統結構如圖4所示。

3　7R機械臂在實踐教學中的應用

圖5所示為自行研制的7R教學機械臂的實物圖。在圍繞其開發實踐教學資源時，需綜合考慮新形勢下的機器人技術人才培養需求及現代實踐教學特點，從拓寬視野、實踐技能、綜合素質及創新能力培養等方面入手。同時，在教學運行及組織過程中，還應多以項目驅動方式，提倡和鼓勵學生進行自主學習，獨立設計與開發實驗，培養學生發現、分析、解決問題的能力及批判性思維。因此，以7R教學機械臂為研究對象，可從以下幾個方面開展實踐教學工作：

(1)認知訓練。認知訓練是通過針對7R機械臂的應用描述、演示以及拆裝操作等內容，使學生了解機械臂的功能、結構、工作原理、控制方式、應用特點及適用場合，在拓寬視野和激發好奇心與想象力的同時，在一定程度上培養學生的實際動手能力。例如，在機械臂的示教功能演示中，學生可以在規定的范圍內引導機械臂按預設的軌跡動作，再由程序記錄機械臂的運行過程，最后由機械臂重復學生設定的動作。這不但可加深學生對機械臂示教功能的理解，還激發了學生的興趣和創新意識。

圖4機械臂關節控制系統結構框圖

圖5　7R機械臂實物圖

(2)基礎操作訓練。基礎操作訓練主要是借助于碼垛、裝配、打磨、焊接、拋光、避障以及其他特定要求等實例項目，進行參數配置、在線示教編程、手動操縱以及離線編程等方面的訓練。其目的是通過實例訓練，使學生具有操作7R教學機械臂的基本技能。例如，在離線編程及操作訓練中，可選擇寫字或繪畫作為訓練內容，不但使學生掌握了機械臂的運動學、軌跡規劃等理論知識和基本操作，將理論和實踐結合起來，還通過機械臂按學生的書法或作品自動完成寫字或繪畫，給學生以成就感，進一步激發學生掌握機器人技術的興趣。

(3)綜合創新訓練。綜合創新訓練主要是圍繞7R教學機械臂，針對一些特定需求，以項目方式開展的訓練模式。項目可分組進行，項目組成員需要根據特定需求，分析并制定解決方案，最后通過設計、加工、裝配、調試等工作，完成項目。這種訓練模式不但培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力和創新能力，還增強了學生的項目管理及組織能力以及團隊協作精神，提高了學生的綜合素質。例如，當被碼放的物料由箱形變為袋形時的碼垛改造，學生需要重新研發機械手爪，相應的控制系統也會改變，這些問題都需要學生去發現并逐項解決。再如，圍繞7R機械臂開展視覺避障功能的改造，通過在機械臂末端加裝超聲波傳感器或視覺傳感設備，利用傳感器及相應算法進行環境判斷，當遇到障礙時，機械臂可自主更改軌跡，實現避障功能。事實上，在該7R教學機械臂上還可開發出更多類似的項目，但需要依據項目達到的指標要求而進行，因專業或學習對象不同而不同。

4　結　語

機械臂是涵蓋機械、電子、機器人、控制、傳感以及自動化等多學科技術交叉融合的產物。作者自行研制的7R教學機械臂及規劃的面向不同層次、不同對象的實踐教學內容及教學模式，可以將所學機器人相關理論知識與實踐應用有機結合，在拓寬視野和培養操作技能的同時，還在培養學生自主學習、綜合素質及創新能力方面具有重要意義。

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