串联机器人在高职教学中的应用

陈熠道

摘 要：文章主要分析了目前各大高职院校所面对开设机器人课程中所遇到的多项难处，针对现今成本高、不开放、可视性差和参与动手能力差的特点，介绍了6自由度工业串联机器人的教学使用结构分析、关节传动组成、电机气动参数等，然后讲述了串联机器人的教学应用特点和可以进行的教学项目设计。

关键词：串联机器人 6自由度

中图分类号：G423 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（a）-0186-01

目前，中国正处于制造大国向制造强国的转型时期，工业机器人在汽车工业、航空制造、机械加工、电子装配和现代物流等规模化生产中发挥着越来越重要的作用，是实现工业自动化的核心。尤其是石化、冶金等行业的包装码垛不断向高速、重载方向发展，电子制造中的光伏硅片和平板显示器的搬運以及激光加工等向高速、高精度方向不断发展，高性能工业机器人需求日益强烈。机器人发展因此而带来的人才培养需求开始显现，当前各高职高校纷纷建立机器人实验室等教学手段，因此，相关的教学机器人设备是否符合教学与就业需求显得尤为重要。

1 目前的问题

各高校开始购买工业机器人作为教学和实验器材，但由于存在着一系列的问题，难以适应教学和实验的需求，一般存在的问题如下。

（1）成本高。工业机器人按照自由度和负载的不同一般价格在十几万人民币以上，有些甚至高达几十万人民币，这对于一些高校来说难以承受，而且造成培训成本很高。后续的维护成本也让人无法承受。

（2）不开放。由于缺乏统一的标准，各厂家生产的机器人彼此独立，控制和操作不相同，缺乏通用性。而且控制器和软件出于各种目的不对用户开放，仅提供有限的外部接口和库函数，而且操作不太方便，极大地影响了教学效果，更不适合二次开发。

（3）可视性差。各厂家针对工业现场对机器人本体和控制器专门设计，内部结构不可视，缺乏直观的教学效果，学生往往知其然不知其所以然。

（4）参与动手能力差。目前普遍的教学、教育类机器人不论机械、电气都是集成一体设计，学生只能观看和简单操作，无法对机器人本体和电控系统拆装，无法深入了解内部结构和原理。

上述原因使开展相关教学和培训的单位对购买此类机器人设备变得越来越慎重，造成有教学、无实验，重理论、轻实践的局面，违背了开展机器人教育的初衷。因此开发模块化、低成本、开放化、可视化的，体现工业机器人基本理论和技术，面向以理论教学、操作实践为目的的工业作业型教学机器人成为当前的急需。

2 桌面串联教学机器人结构分析

桌面串联教学机器人由机械手本体、铝合金实验桌面、嵌入式挂板控制系统、末端气动手爪、无油静音气泵、搬运样件与支架、显示器键鼠组成。

桌面型串联教学机器人—伺服五步进混合驱动：关节1步进电机直连谐波减速器；关节2步伺服电机直连谐波减速器；关节3步进电机同步齿形带传动连接谐波减速器；关节4步进电机联轴器直连谐波减速器；关节5步进驱动同步带传动连接谐波减速器；关节6步进电机联轴器直连谐波减速器。

结构形式：串联关节式。

驱动方式：步进伺服混合驱动。

负载能力：3Kg。

重复定位精度：±0.08 mm。

动作范围：

θ1：-150°～150°，θ2：-135°～-45°

θ3：-70°～50°，θ4：-90°～90°

θ5：-90°～90°，θ6：-180°～180°。

最大动速度：

θ1：60°/s， θ2：60°/s

θ3：60°/s， θ4：60°/s

θ5：60°/s， θ6：120°/s。

最大展开半径：610 mm。

高度：850 mm。

本体重量≤40 Kg。

操作方式：示教再现/编程。

供电电源单相：220 V、50 Hz、4 A。

机器人应用电机：富士交流伺服电机、白山步进、斯达特步进。

I关节传动链主要由伺服（或步进）电机、减速器构成。

II关节传动链主要由步进电机、减速器构成。

III关节传动链主要由步进电机、同步带、减速器构成。

IV关节传动链主要由步进电机、减速器构成。

V关节传动链主要由步进电机、同步带、减速器构成。

VI关节传动链主要由步进电机、减速器构成。

在机器人末端还有一个气动夹持器。

桌面串联：1套富士100 W+五套白山步进。

桌面串联：6套谐波减速器。

机械手应用传感器：伺服电机增量式编码器，关节限位光电开关。

机器人气动技术：无油静音气泵-调压过滤器-电磁阀-气动手爪。

控制柜电缆线连接：5根电缆及控制柜后部的圆形连接器部位都标有编号（CN1、CN2、CN3、CN4、CN5），确认编号后一一对应进行连接，连接时对准针孔位置，连接后旋转插头外壳固定。

3 教学应用特点

（1）六自由度串联教学机器人是完全工业级产品，步进伺服混合驱动，采用工业机器人一样的进口RV减速器与谐波减速器传动。主要应用于零部件搬运与装配、焊接、上下料等应用教学，系统全部开放。

（2）机构按工业标准要求设计，结构简单、速度快。

（3）控制系统采用Windows系列操作系统，二次开发方便、快捷，适于教学实验提供教材、实验指导书等，内容涵盖机器人运动学、动力学、控制系统的设计、机器人轨迹规划等。

（4）模块化结构，简单、紧凑。

（5）控制系统人机交互良好，采用图形化示教盒进行操作、控制。同时二次开发时可以提供相应Windows环境接口提供通用六自由度并联机器人语言编程系统，可通过示教自动生成机器人语言等程序。

（6）具备实际运动控制、实物加工演示及实物真实加工操作等功能。

（7）软件开放接口，线缆长度满足正常使用，可与控制系统电控柜直接连接。开放接口可以用于教师或学生对于设备功能的二次开发。

（8）具备软件的可升级功能。

（9）具备计算机联网和系统进一步扩展功能。

4 可以进行的教学项目

六自由度工业作业型串联机器人实验：机器人的认识；机器人的机械系统；机器人的控制系统；机器人示教编程与再现控制；机器人坐标系的建立；机器人正运动学分析；机器人逆运动学分析；机器人的搬运装配实验。

5 结语

工业机器人是现代制造业重要的自动化装备，发达国家以机器人为核心的自动化生产线已成为一种趋势，尤其在汽车行业、电子电器行业、物流仓储行业，大大保证和提高了企业产品的质量和生产效率，推动了这些行业的快速发展，使其制造技术也由传统制造工艺技术发展到先进的高新制造技术。在这种背景下，对以工业机器人为核心的制造装备的需求日益加大。各大高校应该顺势而为，积极开展相应的课程，使用相应的设备培养相应的人才。

参考文献

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[2] 陈佩云，金茂菁，曲忠萍.我国工业机器人发展现状[J].机器人技术与应用， 2001（1）：2-5.

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