六自由度机器人在高职院校教学中的应用

王熙

（云南工业技师学院，云南 曲靖 655000）

机器人是工业领域中代表高科技产业的典型产品，可用于学生了解复杂机电系统构成和综合应用机电元器件。工业机器人的使用是实现中国制造业转型升级的强有力的技术手段。目前，机器人行业的发展非常迅猛，行业人才的需求量非常大。机器人的相关课程走进了许多工程科学专业的课堂。对机器人学的教育为创新性教育提供了广阔空间，能够培养学生对机械电子等方面知识学习的兴趣，开发学生的特长和潜能。机器人所具有的强大的电子扩展能力，能够极大激发学生的学习兴趣和开发思路。示教机器人技术涉及机械结构学、传感器、控制技术、运动学和动力学等，是高等教育教学中不可缺少的方式和方法，示教机器人的作用不仅能够对教授课程进行直观的实验教学演示，还可以让学生自己动手对教学机器人进行部分功能的扩展。

1 机器人技术

机器人已经在许多行业领域得到了普遍的应用，工业机器人系统一般包括躯干、示教编程器、机器人控制柜等。其中示教编程器是控制系统核心部件，用来注册和存储机械运动或处理记忆的设备，能够实现在线编程。图1为六自由度机器人躯干简图。

图1 六自由度机器人躯干简图

图1 中，轴1、轴4和轴6都是旋转轴，每个轴由电机驱动，并经过减速器减速增扭，带动各旋转轴及其以后的各部件绕该电机轴做旋转运动，根据功能要求的不同，轴6的末端执行器可安装在不同的设备上，如焊枪、抓手等。轴2、轴3和轴5为摆动轴，由减速器连接电机进行驱动各关节的部件进行运动。

根据机械结构坐标布置的不同，机器人可分为直角坐标机器人、圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人和关节型机器人。直角坐标机器人的机械臂是通过直角坐标系的形式配置，通过3个相互垂直的轴线上的移动来改变机械臂的空间位置。圆柱坐标型机器人的机械臂采用圆柱坐标系形式，通过2个移动和1个转动来实现机械臂的空间位置的改变。球坐标型机器人的机械臂采用球坐标形式，其运动是由1个直线运动和2个转动所组成。关节型机器人的结构类似于人体的关节结构，通过旋转来实现移动与位姿的变化。随着机器人技术的发展和应用，关节型机器人已广泛应用在物流搬运、生产、服务等行业中。关节型机器人的结构紧凑、体积小、相对工作空间大，能够灵活地绕过障碍物，充分展示了现代工业机器人的特征，并在一定程度上满足了相关智能控制理论的研究。

机器人的动力学求解十分复杂，往往是多个输入、多个输出的非线性的强耦合的位置时变动力学系统，每个关节之间都有联系，并相互作用、相互影响，在速度较高的情况下，离心力和哥氏力的影响十分严重，所以对机器人的控制十分困难。与NC机床不同，机器人的作业要与其它设备直接作用，而其工作环境预先往往不会规定，所以准确地识别工件位置，并将位置信息传输到其它设备是机器人研究的另一个重点内容。

2 机器人教育教学

高职院校机器人专业培养可通过以下几个层次：机器人集成系统及应用的基础知识学习；机器人操作及基础编程的学习；通过焊接工作站、喷涂工作站等实训项目，学习操作机器人。在这3个阶段中，示教机器人都能发挥很好的示教作用。

2.1 机器人集成系统与应用

工业机器人的运动是通过伺服电机进行驱动。机器人集成系统与应用的学习就是了解机器人控制柜的原理。控制柜主要是通过PLC及其外设、变频器、伺服驱动器等设备，对伺服电机进行位移、速度以及加速度的控制。变频器是通过整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、监测微处理单元来调整输出电源的电压和频率的装置，能够对电机进行调速控制，因此电力电子技术也是一门核心课程。伺服驱动器是控制电机运动的重要组件，由于伺服驱动装置涉及到矢量控制电流、速度、位置等闭环数学算法，对于伺服驱动器的学习，在高职院校不宜学习较深的理论。

通过六自由度示教机器人，可以让学生见识到机器人控制柜到底是什么样子，课堂教学中可以打开机器人控制柜，让学生了解到控制柜中都有哪些装置，这些装置都有什么样的功能，讲课中应注意安全，不能随便触摸高压高电流装置。

机器人的应用十分广泛，除了制造业的工业机器人以外，还有如排险救灾、服务、军事等方面的各类机器人。工业机器人常用于简单重复性的工作场合，其工作环境往往十分恶劣。市场分析预测，高精密装配机器人和检验机器人的需求量将逐渐增大，包括电气装配、高精密机械装配机器人等。在极限环境下，如深海和太空等极限恶劣环境将成为机器人活跃的场所。日本通产省工技院从1983年就展开了对极限作业机器人的研究和开发，美国把航天飞机所用的柔性操作臂列为重要研究内容。

工业中应用的电焊、搬运等机器人一般都属于第1代机器人，具有示教再现的功能，有的还具有可编程的NC装置。第2代机器人能够利用传感器探测外部环境和操作对象的相关信息，其核心技术是传感器技术和嵌入式微机控制技术。第3代机器人是具有智能功能的机器人，也是当前机器人研究领域的重点研究内容。智能机器人能够认知周围环境，判别操作对象状态，具有自学习和独立决定工作方式的功能。

2.2 机器人操作与编程

机器人操作与编程是以实践为主的学习过程。在掌握各元器件的特性和PLC编程应用的基础上，通过变频器和伺服驱动装置，对电机实现多段位置控制、速度控制及加速度控制。通过老师教学或自学的方式掌握RS-485总线通信、Modbus协议等，实现PLC对变频器、伺服驱动装置的通信，达到控制电机的目的。PLC之间也可以相互通信，实现多核心控制和驱动。通过示教机器人，向学生展示机器人控制核心PLC及其可视化编程软件与仿真软件，让学生了解PLC编程的基础操作。在讲解总线协议时，要仔细认真讲解，让学生真正明白总线的工作机理，为学生自主编程打下坚实的基础。

机器人是一个软件可控的机械装置，自机器人问世开始，就对机器人语言展开研究。1973年Stanford人工智能实验室就研究和开发了世界第1种机器人语言WAVE，1979年美国Unimation公司又开发了VAL语言，是语言的语句结构变得简单容易，IBM公司又相继推出了ML语言，并用于机器人装配作业。机器人语言的种类很多，通常可分为3种：动作级语言、对象级语言和任务级语言。机器人编程包括在线编程和离线编程，其中离线编程较为常用，能减少机器人的不工作时间，使编程者远离危险的工作环境，便于与CAD、C AM等系统连接，也便于后期修改程序等。

2.3 实践训练

在教授完理论基础之后，必须通过一定的实践训练，才能让学生更加深刻地理解机器人相关知识。焊接工作站、码垛工作站等基本涵盖了工业环境中所遇到的机器人的操作情形。以焊接工作站为例，除了机器人的本体躯干以外，还安装有电源模块、焊枪模块、焊接工作台及夹具模块和机器人底座与清枪模块等。学生通过对一个工作站的学习可了解工作站的构成与各模块之间的通信，并进行一些机器人的简单操作。在实践训练时理论联系实际，对工作站的工作原理进行探索。

教师通过示教机器人可向学生展示一些机器人的操作技巧与注意事项，让学生有一个感性的认识，通过亲身体验操作机器人的过程，加深对机械操作的理解和相关机器人理论的认识。

3 结语

机器人行业的发展迅速，行业人才的需求量非常大。通过示教机器人在教育教学中的应用，可以培养学生对机械电子等方面的兴趣，激发学生的创新意识和开发热情。示教机器人不仅能够对教授的课程进行直观的实验教学演示，还可以让学生自己动手，对教学机器人进行功能扩展，通过机器人集成系统及应用的基础知识学习、机器人操作及基础编程的学习和实践训练对机器人操作的学习。一方面让学生掌握机器人相关理论知识，基本编程方法和基本操作技巧；另一方面让学生亲身体会操作机器人的过程，加深对概念的理解，掌握机器人操作技术。

[1]李慧东.六自由度教学机器人的设计与研究[D].武汉理工大学,2013.

[2]张雪峰,崔宝华.工业机器人人才培养现状与分析——以广东省河源市为例[J].职业,2017，(26):40-41.