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[摘要]
根据机器人技术基础课程特点，在实验室现有ABB IRB1410
机器人的基础上自主开发了机器人上下料平台实验系统，该系统采用真空吸附的工作原理实现板料的搬运。制定并执行了机器人运动学控制以及机器人上下料模拟实验教学方案，经机械电子工程专业学生实践，证明该实验方案能达到预期实验目的，有效激发学生学习热情，在有限课时内锻炼学生的自主开发能力。
[关键词]机器人;运动学;实验
[中图分类号]G642.4[文献标识码]A[文章编号]1005-4634（2015）02-0103-03
0引言
机器人学的有关课程实质上是迎接未来挑战的有力武器和理想助手[1]。机器人教学在国内高校中已被列入人工智能、自动化、机电一体化等的相关专业的课程之中[2]。机器人技术基础是燕山大学机械工程学院机械电子工程专业较早开设的一门针对高年级学生的专业课，主要介绍机器人运动学、动力学、雅可比矩阵、轨迹规划、机器人控制以及机器人语言和离线编程等。该课程内容抽象、逻辑性强、学生不易理解吸收。随着工业机器人被广泛应用于生产实践当中，掌握机器人的基本原理、控制过程以及应用实例，对于机械电子工程专业本科生意义重大。
传统的机器人技术基础课程，实验内容有限，课时安排仅围绕理论教学大纲开展，无拓展性、开放性;实验形式单一，一切以教师的“教”为中心，学生只是被动地接受，演示型、验证型实验多，创新型实验少，学生缺乏专业知识的综合应用能力，缺少独立动手和创新的机会，抑制了学生的想象力、自由发挥空间和学习兴趣。随着社会对人才创新能力和实践能力要求的不断提高，构建创新型实验教学体系在培养学生独立工作能力、创新能力等方面的重要性日益凸显[3]。
本文在机电实验室现有ABB IRB1410机器人的基础上自主开发了机器人上下料平台实验系统，制定了机器人运动学控制以及机器人上下料模拟实验教学方案。经机械电子工程专业学生实践，根
据实验分析结果以及研究过程中的心得体会证明该实验方案能达到预期实验目的，有效激发学生学习热情，在有限课时内锻炼学生的自主开发能力。
1实验设备简介
1.1IRB1410工业机器人
ABB公司的IRB1410工业机器人工作周期短、运行可靠，能大幅度提高生产效率。该机器人在弧焊、物料搬运和过程应用领域经历考验，能实现弧焊、装配、上胶、密封、机械管理、物料搬运等功能。承重能力为5 kg，上臂可承受18 kg的附加载荷;机器人工作范围大、最长能到达1.44 m;其大臂背后设计有平行连杆及双轴承支承结构，对称分布的接触力使机械振动大为减小，因而比串行链接结构更为坚固、响应更为迅速、工作空间更为集中，非常适合模拟汽车冲压线的上下料任务。为本科生教学提供了良好的环境，为研究生科研搭建了良好的实验平台。
IRB1410工业机器人系统如图1所示，系统包括：ABB IRB1410六自由度关节型串联机器人、
ElexPendant示教器、IRC5控制柜以及RobotStudio/RobotWare离线编程软件。
2机器人上下料实验平台搭建
结合实验室现有ABB IRB1410机器人，参照汽车柔性自动化冲压生产线机器人上下料系统，为之搭建相应的上下料平台系统，自主设计、选购机器人上下料各单元，完成端拾器的设计和组装、上下料平台的设计制造与装配、视觉系统的搭建和真空气路的连接等工作，在一定程度上实现旨在模拟汽车覆盖件柔性冲压过程的在线作业，为后续开展机器人上下料模拟实验奠定基础。机器人上下料系统如图2所示。
图1ABB IRB1410工业机器人系统
图2机器人上下料系统
ABB IRB1410机器人上下料实验采用了真空吸附的工作原理来实现板料的搬运，其中，真空系统由真空泵、分路块、两位三通直通式电磁阀、真空开关、真空吸盘、缓冲支杆等构成。ABB IRB1410机器人上下料系统真空吸附的电气控制原理图如图3所示。
其工作原理如下：当机器人手臂运动到上料平台上料中心之上的某一位置时，程序发出吸附指
令，IO板DSQC652的一路DO输出高电平，继电器线圈得电，常开触点闭合，从而使两位三通电磁阀得电，进气口和出气口接通，真空泵将系统中的空气向外排，整个系统气路开始工作;当吸盘内达到设定的真空度后，真空开关自动给电磁阀发送电信号，令其控制真空泵保持当前真空度不变;真空吸盘以恒定吸力抓取物料向下料平台运动，当运动到下料中心点某一指定位置时，程序发出释放指令，DSQC652的同一路DO输出低电平，继电器线圈失电，常开触点断开，从而使两位三通电磁阀失电，进气口和排气口导通，整个系统气路与外界大气导通，从而破坏真空，真空吸盘释放物料，
ABB IRB1410机器人完成一次板料传递任务。
3实验教学项目
坚持理论与实践相结合的原则，实验时间安排在理论课基本知识讲授完毕之后，要求学生提前预习实验指导书，进行理论知识储备工作，以保证学习成效。实验内容设置方面，以“原理性实验和研究性实验相互渗透”为原则，既让学生掌握基本的原理性知识，对机器人有基本的认识，又通过开设深层次的研究性实验，让学生透过现象看本质，培养学生独立研究能力，激发学生的创新思维。
3.1机器人运动学控制
实现对工业机器人在空间运动轨迹的控制，完成预定的作业任务，就必须知道机器人手部在空间瞬时的位置与姿态。如何计算机器人手部在空间的位姿是实现对机器人的控制首先要解决的问题[4]。物体在空间的位姿可以用固定于物体上任一点上的坐标系来表示，如果把坐标系固定在每个连杆的关节上，通过齐次坐标变换来描述两个相邻坐标系之间的相互关系，就能建立并解算机器人的运动学方程。在该阶段，要求学生能准确理解物体在空间位置与姿态的表示方法，掌握齐次坐标及齐次坐标方程变换的定义，能进行简单的平移坐标变换、旋转坐标变换及综合坐标变换（平移加旋转）等计算。 通过本实验，要求学生完成以下内容。
1） 观察串联机器人IRB1410的结构，了解其动作原理，并绘制其结构简图。
2） 计算IRB1410机器人自由度数并判别自由度性质。
3） 根据ABB IRB1410机器人各轴标准尺寸图（如图4所示）对IRB1410
机器人建立连杆坐标系，确定连杆参数和关节变量。相应参数填入
IRB1410连杆参数表。
图4ABB IRB1410
机器人各轴标准尺寸
4） 确定0nT
，在此基础上利用上述机器人运动学方程，求解关节变量q1，q2，……，qn。
5） 确定末端执行器的操作速度V，在此基础上利用机器人操作速度和关节速度的变换方程的逆变换方程V=J
，求解满足末端执行器速度要求的关节速度变量1，2，……，n。
6） 手动操纵机器人至某一姿态，对运动学正、反解运算结果与操纵窗口的显示值进行对比验证。
3.2机器人上下料模拟实验
通过机器人上下料模拟实验，使学生增强对汽车覆盖件自动化冲压线机器人上下料的感性认识。对6
自由度串联机器人的运动学、动力学分析和机器人上下料的自动化控制有较深刻理解。也对用ABB
语言离线或在线编程加深体会。使学生能够了解上下料平台搭建的主要装备及关键技术，掌握现代冲压自动机器人上下料技术的发展方向。培养学生初步掌握实验研究的能力，正确处理实验数据的能力和分析实验结果、撰写实验报告的能力。
通过本实验，要求学生完成以下内容。
1） 学习并熟练掌握利用示教器手动操作1410机器人到达指定目标位置。
2） 完成1410机器人冲压线上下料模拟实验的轨迹规划。
3） 完成1410机器人冲压线上下料模拟实验的程序编写调试。
4） 记录并分析1410机器人的实际工况（平稳性、速度、加速度）等数据。
4结束语
通过机械电子工程专业学生的课程实践，证明该实验方案能达到预期实验目的，能帮助学生更好地理解机器人理论知识，有效激发学生学习热情，在提高实验教学质量、培养学生实践能力、创新意识和科研能力等方面有积极意义。
参考文献
[1] 熊有伦.机器人技术基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.
[2] 朱勇勇.开放式教学机器人运动控制器设计[D].上海：上海交通大学，2007.
[3] 马丽霞，屈晓阳，顾勇飞.创新型实验教学体系的构建[J].中国大学教学，2010，10：67-69.
[4] John J C.机器人学导论[M].负超，李成群，陈心颐，译.北京：机械工业出版社，2006.
Experimental teaching reform and practice
of Robot Technology Foundation course
TANG Yan-hua，ZHANG Qing-ling
（Mechanical Engineering College，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China）
Abstract
Based on the characteristics of robot technology foundation course，the robot loading platform experiment system was developed on the basis of IRB1410 ABB robot existing in the laboratory.The system adopts the vacuum adsorption principle to do the sheet metal handling.The robot kinematics control and robot up-down material simulation experiment teaching plan were developed and implemented.After the mechatronics students practice，we found that the experiment scheme can achieve the expected goal，effectively stimulate the learning enthusiasm of the students，and exercise students′ ability of independent development within the limited class time.
Key words
robot;kinematics;experiments
根据机器人技术基础课程特点，在实验室现有ABB IRB1410
机器人的基础上自主开发了机器人上下料平台实验系统，该系统采用真空吸附的工作原理实现板料的搬运。制定并执行了机器人运动学控制以及机器人上下料模拟实验教学方案，经机械电子工程专业学生实践，证明该实验方案能达到预期实验目的，有效激发学生学习热情，在有限课时内锻炼学生的自主开发能力。
[关键词]机器人;运动学;实验
[中图分类号]G642.4[文献标识码]A[文章编号]1005-4634（2015）02-0103-03
0引言
机器人学的有关课程实质上是迎接未来挑战的有力武器和理想助手[1]。机器人教学在国内高校中已被列入人工智能、自动化、机电一体化等的相关专业的课程之中[2]。机器人技术基础是燕山大学机械工程学院机械电子工程专业较早开设的一门针对高年级学生的专业课，主要介绍机器人运动学、动力学、雅可比矩阵、轨迹规划、机器人控制以及机器人语言和离线编程等。该课程内容抽象、逻辑性强、学生不易理解吸收。随着工业机器人被广泛应用于生产实践当中，掌握机器人的基本原理、控制过程以及应用实例，对于机械电子工程专业本科生意义重大。
传统的机器人技术基础课程，实验内容有限，课时安排仅围绕理论教学大纲开展，无拓展性、开放性;实验形式单一，一切以教师的“教”为中心，学生只是被动地接受，演示型、验证型实验多，创新型实验少，学生缺乏专业知识的综合应用能力，缺少独立动手和创新的机会，抑制了学生的想象力、自由发挥空间和学习兴趣。随着社会对人才创新能力和实践能力要求的不断提高，构建创新型实验教学体系在培养学生独立工作能力、创新能力等方面的重要性日益凸显[3]。
本文在机电实验室现有ABB IRB1410机器人的基础上自主开发了机器人上下料平台实验系统，制定了机器人运动学控制以及机器人上下料模拟实验教学方案。经机械电子工程专业学生实践，根
据实验分析结果以及研究过程中的心得体会证明该实验方案能达到预期实验目的，有效激发学生学习热情，在有限课时内锻炼学生的自主开发能力。
1实验设备简介
1.1IRB1410工业机器人
ABB公司的IRB1410工业机器人工作周期短、运行可靠，能大幅度提高生产效率。该机器人在弧焊、物料搬运和过程应用领域经历考验，能实现弧焊、装配、上胶、密封、机械管理、物料搬运等功能。承重能力为5 kg，上臂可承受18 kg的附加载荷;机器人工作范围大、最长能到达1.44 m;其大臂背后设计有平行连杆及双轴承支承结构，对称分布的接触力使机械振动大为减小，因而比串行链接结构更为坚固、响应更为迅速、工作空间更为集中，非常适合模拟汽车冲压线的上下料任务。为本科生教学提供了良好的环境，为研究生科研搭建了良好的实验平台。
IRB1410工业机器人系统如图1所示，系统包括：ABB IRB1410六自由度关节型串联机器人、
ElexPendant示教器、IRC5控制柜以及RobotStudio/RobotWare离线编程软件。
2机器人上下料实验平台搭建
结合实验室现有ABB IRB1410机器人，参照汽车柔性自动化冲压生产线机器人上下料系统，为之搭建相应的上下料平台系统，自主设计、选购机器人上下料各单元，完成端拾器的设计和组装、上下料平台的设计制造与装配、视觉系统的搭建和真空气路的连接等工作，在一定程度上实现旨在模拟汽车覆盖件柔性冲压过程的在线作业，为后续开展机器人上下料模拟实验奠定基础。机器人上下料系统如图2所示。
图1ABB IRB1410工业机器人系统
图2机器人上下料系统
ABB IRB1410机器人上下料实验采用了真空吸附的工作原理来实现板料的搬运，其中，真空系统由真空泵、分路块、两位三通直通式电磁阀、真空开关、真空吸盘、缓冲支杆等构成。ABB IRB1410机器人上下料系统真空吸附的电气控制原理图如图3所示。
其工作原理如下：当机器人手臂运动到上料平台上料中心之上的某一位置时，程序发出吸附指
令，IO板DSQC652的一路DO输出高电平，继电器线圈得电，常开触点闭合，从而使两位三通电磁阀得电，进气口和出气口接通，真空泵将系统中的空气向外排，整个系统气路开始工作;当吸盘内达到设定的真空度后，真空开关自动给电磁阀发送电信号，令其控制真空泵保持当前真空度不变;真空吸盘以恒定吸力抓取物料向下料平台运动，当运动到下料中心点某一指定位置时，程序发出释放指令，DSQC652的同一路DO输出低电平，继电器线圈失电，常开触点断开，从而使两位三通电磁阀失电，进气口和排气口导通，整个系统气路与外界大气导通，从而破坏真空，真空吸盘释放物料，
ABB IRB1410机器人完成一次板料传递任务。
3实验教学项目
坚持理论与实践相结合的原则，实验时间安排在理论课基本知识讲授完毕之后，要求学生提前预习实验指导书，进行理论知识储备工作，以保证学习成效。实验内容设置方面，以“原理性实验和研究性实验相互渗透”为原则，既让学生掌握基本的原理性知识，对机器人有基本的认识，又通过开设深层次的研究性实验，让学生透过现象看本质，培养学生独立研究能力，激发学生的创新思维。
3.1机器人运动学控制
实现对工业机器人在空间运动轨迹的控制，完成预定的作业任务，就必须知道机器人手部在空间瞬时的位置与姿态。如何计算机器人手部在空间的位姿是实现对机器人的控制首先要解决的问题[4]。物体在空间的位姿可以用固定于物体上任一点上的坐标系来表示，如果把坐标系固定在每个连杆的关节上，通过齐次坐标变换来描述两个相邻坐标系之间的相互关系，就能建立并解算机器人的运动学方程。在该阶段，要求学生能准确理解物体在空间位置与姿态的表示方法，掌握齐次坐标及齐次坐标方程变换的定义，能进行简单的平移坐标变换、旋转坐标变换及综合坐标变换（平移加旋转）等计算。 通过本实验，要求学生完成以下内容。
1） 观察串联机器人IRB1410的结构，了解其动作原理，并绘制其结构简图。
2） 计算IRB1410机器人自由度数并判别自由度性质。
3） 根据ABB IRB1410机器人各轴标准尺寸图（如图4所示）对IRB1410
机器人建立连杆坐标系，确定连杆参数和关节变量。相应参数填入
IRB1410连杆参数表。
图4ABB IRB1410
机器人各轴标准尺寸
4） 确定0nT
，在此基础上利用上述机器人运动学方程，求解关节变量q1，q2，……，qn。
5） 确定末端执行器的操作速度V，在此基础上利用机器人操作速度和关节速度的变换方程的逆变换方程V=J
，求解满足末端执行器速度要求的关节速度变量1，2，……，n。
6） 手动操纵机器人至某一姿态，对运动学正、反解运算结果与操纵窗口的显示值进行对比验证。
3.2机器人上下料模拟实验
通过机器人上下料模拟实验，使学生增强对汽车覆盖件自动化冲压线机器人上下料的感性认识。对6
自由度串联机器人的运动学、动力学分析和机器人上下料的自动化控制有较深刻理解。也对用ABB
语言离线或在线编程加深体会。使学生能够了解上下料平台搭建的主要装备及关键技术，掌握现代冲压自动机器人上下料技术的发展方向。培养学生初步掌握实验研究的能力，正确处理实验数据的能力和分析实验结果、撰写实验报告的能力。
通过本实验，要求学生完成以下内容。
1） 学习并熟练掌握利用示教器手动操作1410机器人到达指定目标位置。
2） 完成1410机器人冲压线上下料模拟实验的轨迹规划。
3） 完成1410机器人冲压线上下料模拟实验的程序编写调试。
4） 记录并分析1410机器人的实际工况（平稳性、速度、加速度）等数据。
4结束语
通过机械电子工程专业学生的课程实践，证明该实验方案能达到预期实验目的，能帮助学生更好地理解机器人理论知识，有效激发学生学习热情，在提高实验教学质量、培养学生实践能力、创新意识和科研能力等方面有积极意义。
参考文献
[1] 熊有伦.机器人技术基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.
[2] 朱勇勇.开放式教学机器人运动控制器设计[D].上海：上海交通大学，2007.
[3] 马丽霞，屈晓阳，顾勇飞.创新型实验教学体系的构建[J].中国大学教学，2010，10：67-69.
[4] John J C.机器人学导论[M].负超，李成群，陈心颐，译.北京：机械工业出版社，2006.
Experimental teaching reform and practice
of Robot Technology Foundation course
TANG Yan-hua，ZHANG Qing-ling
（Mechanical Engineering College，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China）
Abstract
Based on the characteristics of robot technology foundation course，the robot loading platform experiment system was developed on the basis of IRB1410 ABB robot existing in the laboratory.The system adopts the vacuum adsorption principle to do the sheet metal handling.The robot kinematics control and robot up-down material simulation experiment teaching plan were developed and implemented.After the mechatronics students practice，we found that the experiment scheme can achieve the expected goal，effectively stimulate the learning enthusiasm of the students，and exercise students′ ability of independent development within the limited class time.
Key words
robot;kinematics;experiments