項目驅動下的工業機器人實驗設計開發
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一、引言
隨著傳統裝備制造業向智能制造業的產業升級，綜合了機械、自動化、計算機等多學科知識的工業機器人技術，作為高端裝備制造的基礎設備之一，成為“中國制造2025”的重點發展領域[1-4]。工業機器人課程是機械類本科專業開設的一門專業課程，同時設置了實踐環節，將理論和實踐結合是一種學用結合的有效教學模式[5-8]。課程組在工業機器人實踐平臺上，將工程應用案例化和自主設計開發內容作為項目驅動，開設工業機器人基礎性和創新性實踐內容，在課程應用后，可使學生得到機器人理論、機械結構、機電控制、機器人編程和實踐動手的綜合訓練，并進一步了解工業機器人在智能制造中的應用[9]。本課程的實踐項目建設思路，對與產業結合的其他課程也能起到一定的參考意義。
二、實踐項目設計思路
在工業機器人課程中，通常將機器人的認知與分析、機器人的示教控制，作為課程固化的實踐內容[6]。但是由于與應用結合不緊密，仍然存在停留在表層知識的理解，而自主進行二次設計和開發仍有局限性等問題。因此，我校首先在工業機器人課程原有基礎性實踐內容中，以工業機器人在工程中的實際應用，如搬運物料、焊接、打磨、噴涂、采摘、裝配等作業[1]作為工程案例，從分析、計算、選型開始，系統地進行機械結構設計和控制系統設計，在項目中學習和理解工業機器人的基礎理論知識，學習機器人編程語言和動作控制。其次，在工業機器人課程中新增加創新性實踐內容，將教師的科研課題[6]、大學生創新項目、課外科技競賽[10]等內容都作為自主開發創新的項目，完成工業機器人的動作編程和實踐操作，以學生自主設計和解決問題為主，引導學生提出問題和解決問題。
三、工業機器人基礎性設計實踐
（一）機械結構設計分析及三維建模以搬運物料作為作業任務，在ABB六軸工業機器人實踐平臺上進行工業機器人的機械結構設計，目的是在設計中能更好地理解和掌握工業機器人的基本理論知識。分析和計算的主要參數有：機械手工作空間范圍、動作規劃、各關節節拍、各動作時間分配、各個關節的運動速度、工作空間內各關節臂臂長和運動行程，以及機械手初步受力分析確定末端許用載荷等參數。參數化設計是企業技術人員常用的設計方法[11]。進行工業機器人三維模型設計時，選用參數化設計軟件，如三維建模軟件Solidworks，對于同型號工業機械手結構，以各關節軸線在空間中的位置關系構成基礎參數，通過各關節軸線相對位置的平移旋轉進行調整，實現設計中工業機械手各零部件的尺寸變化，從而擬定出工業機器人各關節軸線的位置關系。根據工業機械手基本參數定出機械手各個關節軸線位置尺寸后，對工業機器人進行整體結構建模；同時利用參數化軟件的測量功能，得到模型的結構和質量屬性等參數，最后完成工業機器人三維結構模型。
（二）工業機器人控制系統設計工業機器人控制系統設計，主要是機械手伺服驅動系統硬件設計和控制算法設計。控制系統工作流程為：編程示教器將各程序命令傳入主機中，與主機直接通訊，構成人機交互；其次在主機控制總線上的各個模塊進行通訊，各模塊包括傳感器、伺服驅動模塊和其他I/O設備，最后伺服驅動系統對伺服電機的閉環控制，實現機械手的運動和完成任務。工業機器人控制系統設計思路為：通過理論分析，將驅動控制系統理論算法轉換為具體的實用算法；設計控制系統框圖，利用C語言設計出PID閉環控制傳遞函數。對機器人實際工作中的末端位姿進行實時監測是很困難的，為提高控制精度，機器人電機控制必須選擇閉環PID方式去控制。
四、基于工業機器人平臺的項目實踐和二次開發
在ABB六軸工業機器人平臺上，以實際執行任務作為工業機器人編程和執行動作來進行實踐和應用。將工程應用案例化作為實踐項目[12]，更利于學生學習和掌握工業機器人的基本編程命令和操作實踐；而學生可自主設計項目，如繪制圖形進行二次開發和設計，將工程應用和創新設計相結合，完成綜合性的設計和開發任務。
（一）上下料項目工業機器人進行上下料，在企業實際應用中是工業機器人的常見任務。實踐要求為：根據顏色判別物料，并將其放置規定位置。根據任務分析及設備條件，設計任務控制流程圖如圖1所示，控制流程圖也可用為工業機器人編程的參考。
（二）執筆作畫任務在工業機器人平臺上，引導學生自主設計實踐內容，自主開發創新的項目，能夠調動學生的學習興趣，并能在實踐中發現和解決問題，培養學生的自主學習能力和創新設計能力。執筆作畫任務，是指學生在實踐中自主創意、自主開發并完成的項目。在進行執筆作畫設計時，將工業機械手的末端執行器調整為繪制工具，并在A4白紙上簡單畫一幅畫形。對于書寫和作畫而言，重點在于筆尖的軌跡，將機械手工具坐標原中心TCP點移至筆尖。該開發任務重點在于筆尖的運動即TCP點的運動，考慮到A4紙的位置不是固定位置，引入工件坐標系，將A4紙當成一個非常薄的工件，在每一次畫畫時確定A4紙所在的平面及A4紙的鋪放姿態。通過描點法，將線條分段，獲取所繪圖形軌跡，將所繪圖形分得越細，則畫出的相似程度越高。圖形中線條坐標的獲取方法主要有網格描點記錄法和圖片處理軟件生成法。其中網格描點記錄法通常用于簡單的圖形線條，依賴于人的視覺去尋找描點記錄。而圖片處理軟件生成法則是主流，軟件可利用人工智能的算法對圖片處理，比如圖片濾波、灰度二值化、邊沿檢測等，高效且快速。此次繪制圖形如圖2（a）所示，圖形比較簡單，故采用網格描點記錄法，執行繪畫過程和完成的圖形效果如圖2（b）（c）所示。
五、結語
基于ABB六軸工業機器人平臺，以項目驅動，將機器人在企業應用搬運上下料和自主創新設計內容作為項目開發任務，按照系統化的實踐思路，進行工業機器人三維結構建模、控制系統設計、程序開發和動作執行實踐操作。在工業機器人課程應用后，學生既能夠在實踐中理解和掌握工業機器人理論知識，又能通過自主設計的內容提升學習興趣和解決問題能力，提高自身的設計實踐和創新設計能力。實施后課程建設取得了明顯的效果。
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作者：賈衛平 趙洪健 蓋欣桐 韋佳寶 單位：大連大學
