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(shù)、自動化技術(shù)、機電一體化技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)以及人工智能技術(shù)等現(xiàn)代學科的發(fā)展，機器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展和深入廣泛應用，機器人技術(shù)現(xiàn)已成為衡量一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志[1-2]。近年來，隨著工信部《關(guān)于推進工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》政策的出臺，以及“中國制造2025” “國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”和“新工科”等新戰(zhàn)略和新概念的出現(xiàn)和崛起[3-8]，制造業(yè)成為我國經(jīng)濟“創(chuàng)新驅(qū)動、轉(zhuǎn)型升級”的主戰(zhàn)場，機器人也將作為未來10年十大重點發(fā)展領(lǐng)域之一。這種新形勢與背景改變了未來社會對機器人技術(shù)人才的需求，從而使得機器人教育教學備受關(guān)注[9-14]，有不少院校都設置了機器人專業(yè)。通常，應用型大學注重技能培養(yǎng)，而研究型大學側(cè)重學術(shù)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(zhì)及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。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(shù)人才培養(yǎng)方面進行教學探索與研究。

1　7R機械臂的機械結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，7R機械臂是一種具有7個回轉(zhuǎn)自由度的冗余關(guān)節(jié)式機器人[15]，它具有方位關(guān)節(jié)J1、大臂俯仰關(guān)節(jié)J2、大臂自旋關(guān)節(jié)J3、小臂俯仰關(guān)節(jié)J4、小臂自旋關(guān)節(jié)J5、手腕俯仰關(guān)節(jié)J6和手腕自旋關(guān)節(jié)J7共7個關(guān)節(jié)。每個關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動副，且具有相應的驅(qū)動裝置，工作時帶動末端執(zhí)行器達到不同的位置和姿態(tài)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及傳動原理是機器人教學的主要內(nèi)容之一。以小臂俯仰關(guān)節(jié)J4為例，其機械結(jié)構(gòu)及傳動原理如圖2所示。關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)的傳動精度以及整個機械臂的動態(tài)特性，因此，一體化減速電機通過聯(lián)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(cè)隙，傳動精度高)，然后通過諧波減速器的輸出實現(xiàn)小臂的俯仰運動。同時，采用位置傳感器作為轉(zhuǎn)角反饋元件，實現(xiàn)整個關(guān)節(jié)的閉環(huán)控制，進一步提高關(guān)節(jié)的傳動精度。其他6個關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設計思路與J4關(guān)節(jié)基本一致，限于篇幅，這里不在贅述。

圖2　J4關(guān)節(jié)的機械結(jié)構(gòu)及傳動原理示意圖

2　7R機械臂的控制系統(tǒng)

7R機械臂的控制系統(tǒng)是基于CAN總線的上位機與DSP關(guān)節(jié)控制器的兩級控制架構(gòu)，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(guān)節(jié)的控制指令下發(fā)到各自的關(guān)節(jié)DSP控制器。DSP關(guān)節(jié)控制器用于輸出控制信號給電機驅(qū)動器，從而控制關(guān)節(jié)電機提供動力輸出。位置傳感器采用旋轉(zhuǎn)變壓器，用于實時測量關(guān)節(jié)角度，并反饋到關(guān)節(jié)控制器完成閉環(huán)控制。上、下位機之間通過CAN總線進行數(shù)據(jù)交換。

圖37R機械臂控制系統(tǒng)原理框圖

關(guān)節(jié)控制硬件主要包括DSP控制電路、電機驅(qū)動器、伺服電機(BLDCM)和角度測量裝置四部分。機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(fā)實踐教學資源時，需綜合考慮新形勢下的機器人技術(shù)人才培養(yǎng)需求及現(xiàn)代實踐教學特點，從拓寬視野、實踐技能、綜合素質(zhì)及創(chuàng)新能力培養(yǎng)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(qū)動方式，提倡和鼓勵學生進行自主學習，獨立設計與開發(fā)實驗，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)、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(nèi)容，使學生了解機械臂的功能、結(jié)構(gòu)、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(fā)好奇心與想象力的同時，在一定程度上培養(yǎng)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(guī)定的范圍內(nèi)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(fā)了學生的興趣和創(chuàng)新意識。

圖4機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖5　7R機械臂實物圖

(2)基礎(chǔ)操作訓練?；A(chǔ)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(shù)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(nèi)容，不但使學生掌握了機械臂的運動學、軌跡規(guī)劃等理論知識和基本操作，將理論和實踐結(jié)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(fā)學生掌握機器人技術(shù)的興趣。

(3)綜合創(chuàng)新訓練。綜合創(chuàng)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(jù)特定需求，分析并制定解決方案，最后通過設計、加工、裝配、調(diào)試等工作，完成項目。這種訓練模式不但培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新能力，還增強了學生的項目管理及組織能力以及團隊協(xié)作精神，提高了學生的綜合素質(zhì)。例如，當被碼放的物料由箱形變?yōu)榇螘r的碼垛改造，學生需要重新研發(fā)機械手爪，相應的控制系統(tǒng)也會改變，這些問題都需要學生去發(fā)現(xiàn)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(huán)境判斷，當遇到障礙時，機械臂可自主更改軌跡，實現(xiàn)避障功能。事實上，在該7R教學機械臂上還可開發(fā)出更多類似的項目，但需要依據(jù)項目達到的指標要求而進行，因?qū)I(yè)或?qū)W習對象不同而不同。

4　結(jié)　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(shù)交叉融合的產(chǎn)物。作者自行研制的7R教學機械臂及規(guī)劃的面向不同層次、不同對象的實踐教學內(nèi)容及教學模式，可以將所學機器人相關(guān)理論知識與實踐應用有機結(jié)合，在拓寬視野和培養(yǎng)操作技能的同時，還在培養(yǎng)學生自主學習、綜合素質(zhì)及創(chuàng)新能力方面具有重要意義。

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