機器人教學(xué)課程解決方案
一、課程簡介:
工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置,它能自動執(zhí)行工作,是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。機器人技術(shù)及應(yīng)用是一門綜合性較強的學(xué)科,主要講授機器人技術(shù)及應(yīng)用的基本知識、基本理論和基本方法。機器人技術(shù)是集力學(xué)、機械學(xué)、生物學(xué)、人類學(xué)、計算機科學(xué)與工程、控制論與控制工程學(xué)、電子工程學(xué)、人工智能、社會學(xué)等多學(xué)科知識之大成,是一項綜合性很強的新技術(shù)。
本課程的任務(wù)是使學(xué)生主要了解機器人的分類與應(yīng)用、機器人運用與動力學(xué)基本概念、3D打印機技術(shù)在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用、機器人本體基本結(jié)構(gòu)、機器人軌跡規(guī)劃、機器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成及編程語言、典型工業(yè)機器人自動線的基本組成及特點等內(nèi)容,對機器人及其控制系統(tǒng)有一個完整的理解。培養(yǎng)學(xué)生在機器人技術(shù)方面分析與解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生在機器人技術(shù)方面具有一定的動手能力,為畢業(yè)后從事"工業(yè)機器人"及"服務(wù)機器人"系列的模擬、編程、調(diào)試、操作、銷售打下必要的機器人技術(shù)基礎(chǔ)。
二、課程性質(zhì)與定位:
工業(yè)機器人課程定位于為企業(yè)培養(yǎng)能夠完成工業(yè)機器人編程、操作的應(yīng)用型人才。其前修課程有高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、電子電路原理、數(shù)字電路原理、模擬電路原理、信號與系統(tǒng)、機械設(shè)計基礎(chǔ)、C/C++編程基礎(chǔ) 、arduino基礎(chǔ)等。
三、課程設(shè)計思路:
本課程總體采取分模塊教學(xué),包括:基礎(chǔ)訓(xùn)練、應(yīng)用綜合實訓(xùn)、拓展應(yīng)用。三部分既相互區(qū)分又相互聯(lián)系,由淺入深,由單片機到系統(tǒng),技術(shù)具有連續(xù)性。由實驗平臺模擬到實際工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用,讓學(xué)生逐步掌握機器人技術(shù)、工業(yè)機器人現(xiàn)場應(yīng)用與操作、工業(yè)控制與運動控制等機器人實用技術(shù)。
基礎(chǔ)訓(xùn)練:3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)、設(shè)計以及打印,機器人技術(shù)的理論知識學(xué)習(xí),機械臂的本體結(jié)構(gòu)組裝。
應(yīng)用綜合實訓(xùn):機械臂的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)用調(diào)試、完成機械臂的噴漆、涂膠、焊接、抓取、吸盤等工業(yè)機器人典型應(yīng)用。
拓展應(yīng)用:在熟悉機械臂操作的前提下,融合多機械電子相關(guān)設(shè)備,如:AGV+機械臂、機械臂+視覺等。
在掌握機器人高級技術(shù)應(yīng)用的同時,訓(xùn)練學(xué)生動手能力、操作能力和故障檢測維護能力。同時通過教育娛樂創(chuàng)新機器人的演示與操作,寓教于樂,提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、拓寬知識面,為在更高領(lǐng)域的研究夯實基礎(chǔ)。系統(tǒng)提供開放性的平臺,可根據(jù)教學(xué)需要與專業(yè)建設(shè)要求開展多層次全方位的二次開發(fā)與研究,也可結(jié)合機器人技術(shù)與當?shù)毓I(yè)背景開展應(yīng)用課題研究。
全部課程都安排在機器人實驗室上課,每一個項目都有實踐環(huán)節(jié),每一次的學(xué)習(xí)過程就是工作的過程,并且在實踐操作中注意培養(yǎng)學(xué)生的安全生產(chǎn)、規(guī)范操作意識、團隊合作意識,每一次的考核評價都有相關(guān)內(nèi)容,這種職業(yè)素質(zhì)實在任何企業(yè)都應(yīng)具備的。采用行為引導(dǎo)型教學(xué)法根據(jù)項目任務(wù)通過視頻、圖像、實訓(xùn)設(shè)備等,使學(xué)生了解工業(yè)機器人在各種場合的應(yīng)用。
可根據(jù)教學(xué)需要與專業(yè)建設(shè)要求開展多層次全方位的二次開發(fā)與研究,也可結(jié)合機器人技術(shù)與當?shù)毓I(yè)背景開展應(yīng)用課題研究。機器人實驗室套裝主要分為3D打印機套裝、機械臂3D打印件套裝、機械臂零部件套裝、機械臂模塊件套裝和桌面型六軸機械臂成品。
對于機器人的工業(yè)應(yīng)用著重講解其各種結(jié)構(gòu)形式及應(yīng)用場合,通過該項目使學(xué)生對機器人學(xué)科有全面認識,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
四、課程培養(yǎng)目標
1、知識目標:
1.了解機器人的由來與發(fā)展、組成與技術(shù)參數(shù),掌握機器人分類與應(yīng)用,
對各類機器人有較系統(tǒng)的完整認識;
2.學(xué)習(xí)和掌握3D打印技術(shù)在機器人技術(shù)中的應(yīng)用;
3.了解機器人本體基本結(jié)構(gòu),包括機身及臀部結(jié)構(gòu)、腕部及手部結(jié)構(gòu)等;
4.應(yīng)用3D打印技術(shù)制作機械臂典型零件,掌握3D打印技術(shù)工藝分析;
5.掌握組裝機械臂本體結(jié)構(gòu);
6.熟悉機械臂的運動規(guī)劃;
7.了解機器人軌跡規(guī)劃與關(guān)節(jié)插補的基本概念和特點;
8.掌握工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及操作方法;
9.掌握機器人語言的基本程序命令和編程方法;
10.熟悉噴漆、涂膠、焊接、抓取、吸盤等工業(yè)機器人典型應(yīng)用;
2、能力目標:
1.能夠準確理解機器人本體的基本構(gòu)成和運用學(xué)、動力學(xué)基本原理;
2.學(xué)會正確操作工業(yè)機器人,能獨立或小組協(xié)作完成規(guī)定的實驗與實訓(xùn);
3.具備識圖和儀器儀表使用的基礎(chǔ)能力;
4.會觀察和分析實驗與實訓(xùn)現(xiàn)象,編制、調(diào)試、運行程序,熟練掌握編程軟件的使用;
5.會查閱相關(guān)手冊和產(chǎn)品使用說明書,正確閱讀和分析實際應(yīng)用程序;
3、素質(zhì)目標:
1.具備搜集相關(guān)技術(shù)資料,盡快熟悉新接觸設(shè)備和新工作場景的能力;
2.具備潛心鉆研的職業(yè)精神和必要的創(chuàng)新能力;
3.具備獨立學(xué)習(xí),靈活運用所學(xué)知識獨立分析問題并解決問題的能力;
4.具備工作安全意識與自我保護能力;
5.能自覺遵守單位的規(guī)章制度和職業(yè)道德,有強烈的工作責(zé)任感。
五、課程內(nèi)容與教學(xué)要求:
序號 |
教學(xué)綱要 |
教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)要求 |
相關(guān)參考書籍 |
參考學(xué)時 |
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機器人學(xué)導(dǎo)論 |
機器人的由來與發(fā)展,機器人的定義, 機器人技術(shù)的研究領(lǐng)域與學(xué)科范圍; 機器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域及其特點; 機器人的組成與主要技術(shù)參數(shù)。 機器人的主要分類形式; |
《機器人學(xué)導(dǎo)論》 《機器人學(xué)基礎(chǔ)》
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2 |
3D打印與機器人技術(shù) |
什么是3D打印技術(shù) 3D打印技術(shù)的由來及發(fā)展歷史 幾種典型的3D打印機 3D打印技術(shù)在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用 |
《3D打印建! 《三維設(shè)計與3D打印》 |
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3 |
桌面級六自由度機械臂 |
開源桌面級六軸機械臂簡介 桌面級六軸機械臂的組成 |
《機器人手冊》 |
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4 |
機械臂典型零件3D打印工藝 |
機械臂典型零件3D打印工藝流程 機械臂典型3D打印零件后處理流程 |
《3D打印成型工藝及技術(shù)》 |
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5 |
機械臂散件組裝工藝 |
機械臂零部件預(yù)裝; 模塊化組裝; 機械臂整機總裝; 機械臂線纜安裝 |
《工業(yè)機器人零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計》 |
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6 |
機器人常用傳感器介紹 |
位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、觸覺傳感器、力覺傳感器、接近與距離傳感器。 |
《機器人手冊》 《機器人學(xué)》
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7 |
機械臂控制電路介紹 |
機械臂電路控制原理 單片機主控結(jié)構(gòu)解析 |
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機械臂控制方法 |
掌握機器人機械機構(gòu)的自由度和工作空間; 對機器人的位姿分析有初步的了解; 掌握機器人的傳感器的分類等基本概念; 初步掌握機器人的控制系統(tǒng)以及系統(tǒng)的主要構(gòu)成; |
《機器人手冊》 《機構(gòu)與機器人動力學(xué)研究》 |
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9 |
D-H參數(shù)表的建立 |
根據(jù)機械臂的平面尺寸參數(shù),五軸、六軸機械臂的D-H參數(shù) |
《機器人學(xué)、機器視覺與控制——MATLAB算法基礎(chǔ)》
《機械臂運動學(xué)》
《機器人學(xué)》
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10 |
FK算法,在仿真軟件上驗證 |
根據(jù)機械臂的平面尺寸參數(shù),五軸、六軸機械臂的D-H參數(shù) |
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11 |
FK算法,在仿真軟件上驗證 |
建立齊次矩陣,進行FK算法的理論計算 按照接口規(guī)范編寫代碼實現(xiàn)并且在仿真軟件上驗證 |
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12 |
IK算法,在仿真軟件上驗證 |
建立齊次矩陣,進行IK算法的理論計算 按照接口規(guī)范編寫代碼實現(xiàn)并且在仿真軟件上驗證 |
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直線軌跡規(guī)劃,在仿真軟件上驗證 |
進行直線軌跡規(guī)劃的理論計算 按照接口規(guī)范編寫代碼實現(xiàn)并且在仿真軟件上驗證 |
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14 |
微分運動和速度,在仿真軟件上驗證 |
進行微分運動和速度的理論計算 按照接口規(guī)范編寫代碼實現(xiàn)并且在仿真軟件上驗證 |
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綜合練習(xí)1-在實體機械臂上完成仿真軟件上實現(xiàn)的整體流程動作 |
在仿真軟件上實現(xiàn)一個完整的機械臂動作流程 獲取相關(guān)數(shù)據(jù),在實體機械臂上編碼實現(xiàn)動作流程 |
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綜合練習(xí)2-與機器視覺結(jié)合,使用實體機械臂完成九點標定和物體的抓取 |
機器視覺halcon編程的學(xué)習(xí) 完成九點標定 使用實體機械臂實現(xiàn)物體定位抓取 |
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機械臂應(yīng)用案例 |
熟悉噴漆、涂膠、焊接、抓取、吸盤等工業(yè)機器人典型應(yīng)用 |
《工業(yè)機器人典型應(yīng)用案例精晰》 |
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機械臂拓展應(yīng)用 |
AGV+機械臂 機械臂+視覺 |
《機器人學(xué)、機器視覺與控制——MATLAB算法基礎(chǔ)》 |
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實訓(xùn)項目 |
項目1:機械臂夾取貨物搬運 項目2:機械臂噴漆設(shè)備 項目3:機械臂點焊電路板 項目4:機械臂涂膠 |
《工業(yè)機器人實操與應(yīng)用技巧》 《工業(yè)機器人典型應(yīng)用案例精晰》 |
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五、機器人實驗室:
機器人實驗室相關(guān)實驗套裝主要涵蓋機械、電子、軟件3大領(lǐng)域,分為51種標準件,11種非標定制件,30種3D打印零部件(不包含電子類),科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,靈活的控制方案,多樣的功能搭配,大大節(jié)省了開設(shè)機器人實驗室的開支。精心的產(chǎn)品制造,配備豐富的軟性資源和齊全的組裝說明書,旨在讓每一個學(xué)生都可以體驗科學(xué)技術(shù)的神奇,感受機器人的魅力,打造出低成本,高效益的機器人實驗室。
機器人實驗室以小組分配制,相互合作,互學(xué)互鑒,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率以及合作能力?筛鶕(jù)教學(xué)需要與專業(yè)建設(shè)要求開展多層次全方位的二次開發(fā)與研究,也可結(jié)合機器人技術(shù)與當?shù)毓I(yè)背景開展應(yīng)用課題研究。機器人實驗室相關(guān)實驗套裝設(shè)備主要有3D打印機套裝、機械臂3D打印散件套裝、機械臂金屬零部件套裝、機械臂外設(shè)傳感模塊套裝和桌面型六軸機械臂成品機。
3D打印機:
理念圖:
機器人實驗室效果圖:
六、教學(xué)條件與設(shè)施要求:
1.多媒體教學(xué)設(shè)施
本課程的教學(xué)是在機器人實驗室進行,多媒體教學(xué)能將抽象、生澀、陌生的知識直觀化、形象化,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動其主動學(xué)習(xí)的積極性,增大教學(xué)信息量,有效拓展課時容量,提高教學(xué)質(zhì)量。運用形式多樣的課件教學(xué),能活躍課堂氛圍,加深鞏固教學(xué)內(nèi)容,使學(xué)生感受到學(xué)習(xí)的喜悅,寓學(xué)于樂。
2.教學(xué)條件
教師應(yīng)采用實物教學(xué),讓學(xué)生在實際的實訓(xùn)或生產(chǎn)環(huán)境中學(xué)習(xí)。要重視現(xiàn)代教育技術(shù)與課程的整合,充分發(fā)揮計算機、互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代媒體的優(yōu)勢,提高教學(xué)的質(zhì)量和效果。
建立機器人一體化實驗室,充分利用實驗與實訓(xùn)教學(xué),以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和課堂教學(xué)質(zhì)量。
3.實施建議
1.在教學(xué)中要加強基本操作技術(shù)和技能的訓(xùn)練,掌握好組織教學(xué)、講解、示范和講評等各個教學(xué)環(huán)節(jié)。貫徹講解與師范相結(jié)合、集體指導(dǎo)與個別指導(dǎo)相結(jié)合的教學(xué)方法。
2.在基本技能操作訓(xùn)練中,教師要注意激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和客服困難的信心,勤學(xué)苦練,扎扎實實的練好基本功。
3.在技能訓(xùn)練的整個教學(xué)過程中,要注意培養(yǎng)學(xué)生愛護工具和設(shè)備的習(xí)慣。
4.在技能訓(xùn)練的過程中,必須加強安全教育,嚴格執(zhí)行機器人安全操作規(guī)程。
4.教材編寫建議
教材編寫應(yīng)以本課程標準為依據(jù),合理安排必修和選修內(nèi)容。教材內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)以就業(yè)為導(dǎo)向、以學(xué)生為主體的原則,將知識與生產(chǎn)中的實際應(yīng)用相結(jié)合。
1.以項目(課題)為中心,突出實踐動手能力,可以將課程分解成若干個項目(課題),按項目(課題)編寫教材。
2.不依據(jù)某種教材組織教學(xué),鼓勵按照人才培養(yǎng)目標對教學(xué)內(nèi)容重新進行設(shè)計。
3.教材應(yīng)充分體現(xiàn)任務(wù)驅(qū)動、實踐導(dǎo)向的教學(xué)思路,以完成典型工作任務(wù)來驅(qū)動,通過實際案例、情境模擬、資訊單、實施單、檢查單、評價單等和課后拓展作業(yè)等多種手段,根據(jù)工業(yè)機器人工作過程的工作順序和所需相應(yīng)知識的深度及廣度來組織編寫,使學(xué)生在教學(xué)活動任務(wù)中感受到各知識點之間的連貫性和完整性。
4.教材應(yīng)突出實用性、開放性和專業(yè)定向性,應(yīng)避免把專業(yè)能力理解為純粹的技能操作,應(yīng)該注重理論與實用技術(shù)的兼顧,同時要具有前瞻性,把握本專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,將工業(yè)機器人領(lǐng)域的新技術(shù)、新方法和新理論及時補充進教材中。
5.教材應(yīng)以學(xué)生為本,文字表述要簡明扼要,內(nèi)容展現(xiàn)應(yīng)圖文并茂,突出重點,重在提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。
6.教材編排要求取材新穎,充分考慮到學(xué)生的特點,內(nèi)容表述深入
5.常用術(shù)語解釋:
1.自由度:描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù),手指的開合以及手指關(guān)節(jié)的自由度一般不包括在內(nèi)。
2.工作空間:機器人手腕參考點或末端操作器安裝點所能到達的所有空間區(qū)域,一般不包括末端操作器本身所能到達的區(qū)域。
3.工作速度:指機器人各個方向的移動速度或轉(zhuǎn)動速度。
4.承載能力:機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。
5.重復(fù)性:機器人重復(fù)到達某一目標位置的差異程度。
6.定位精度:機器人末端參考點實際到達的位置與所需要到達的理想位置的差距。
7.示教器:進行機器人的手動操縱、程序編寫、參數(shù)設(shè)置以及監(jiān)控用的手持裝置。
8.機器人線性運動:安裝在機器人第六軸法蘭盤上的工具在空間中做線性運
動。
9.人機交互系統(tǒng):使操作人員參與機器人控制并與機器人進行聯(lián)系的裝置。
七、主要技術(shù)規(guī)格和參數(shù)配置要求:
序號 |
項目名稱 |
技術(shù)參數(shù) |
功能用途 |
數(shù)量 |
單位 |
1 |
3D打印機 |
成型技術(shù):熔融沉積技(FDM)外包裝:40*40*75CM 成型體積:底面直徑200MM 高度300MM 產(chǎn)品尺寸:35*35*70 M 打印精度:0.05-0.4MM 產(chǎn)品重量:10KG 定位精度:X,Y,Z 0.05MM 包裝重量:12KG 耗材規(guī)格:1.75MM PLA 噴頭直徑:0.4MM 工作溫度:15℃-35℃ 存放溫度:0℃-35℃ 控制軟件: CURA 14.12 電壓:AC100-240V 50-60HZ 文件格式:STL、AMF、OBJ 電流:DC24V 5A 操作系統(tǒng):WINDOWS 7 MAC OSX 打印時:20-250MM/s 移動時:300MM/S 結(jié)構(gòu):鋁合金件 外殼:亞克力板材 熱床:3MM 6系鋁合金熱床 步進電機:1.8度步進角 1/16細分 導(dǎo)軌:工業(yè)級線性導(dǎo)軌 |
采用鋁合金機身,更加穩(wěn)定可靠。 打印尺寸大,最大可到直徑200,高度300MM。 機型搭配自動調(diào)平傳感器,調(diào)平非常簡單。打印速度較快,大大節(jié)約保貴時間。 整機零件全部采用高品質(zhì)部件,確保設(shè)備長時間工作的可靠性和穩(wěn)定性 |
10 |
臺 |
2 |
桌面六軸機器人 |
軸 運動范圍 最大單軸線速度 第1軸 ±180° 200mm/s 第2軸 ±115° 200mm/s 第3軸 ±130° 200mm/s 第4軸 ±180° 200mm/s 第5軸 ±165° 200mm/s 第6軸 ±180° 200mm/s 水平行程: 980mm 重量(KG): 15 垂直行程: 886.3mm 結(jié)構(gòu)形式: 串聯(lián) 軸數(shù): 6軸 電源電壓: 220V/110V 電源功率: 360W 額定負載(KG): 1 最大工作半徑 482.3mm 控制器: 單片機 重復(fù)精度(mm): ±0.5 電機: 步進電機 減速裝置: 同步帶減速 本體外殼材質(zhì): 工程塑料 安裝方式: 桌面 提供3D圖紙,方便學(xué)生建模仿真。
|
應(yīng)用領(lǐng)域: ★教育行業(yè):機械裝配教學(xué)、機器人知識普及、機器學(xué)習(xí)教學(xué)、創(chuàng)客教育、機器人二次開發(fā)、機器人職業(yè)教育課程 ★基礎(chǔ)訓(xùn)練: 機器人技術(shù)的理論知識學(xué)習(xí),3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)、設(shè)計以及打印,機械臂的本體結(jié)構(gòu)組裝,機器人控制算法及編程。CCD圖像處理訓(xùn)練 ★應(yīng)用綜合實訓(xùn): 機械臂的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)用調(diào)試、完成機械臂的抓取、搬運、焊接等工業(yè)機器人典型應(yīng)用。 拓展應(yīng)用: 在熟悉機械臂操作的前提下,融合多機械電子相關(guān)設(shè)備。如:AGV+機械臂、機械臂+視覺等。 標準配置:機械臂本體+控制器 可選配末端: 1.吸盤套裝,可實現(xiàn)吸盤吸取和搬運。 2.模擬焊接,可實現(xiàn)工業(yè)機器人焊接模擬演示。 3.氣動夾爪,可以實現(xiàn)工件的夾取搬運。 4.機器人噴涂,可以實現(xiàn)工業(yè)機器人噴涂演示 5.大頭筆夾具,可實現(xiàn)寫字畫畫。 |
15 |
臺 |
3 |
吸盤套裝 |
吸盤套裝,由微型氣泵、氣管、真空吸嘴等組成,可實現(xiàn)吸盤吸取和搬運。 負壓負載:700g |
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5 |
套 |
4 |
模擬焊機 |
模擬焊接,可實現(xiàn)工業(yè)機器人焊接模擬演示。 電壓:5V 現(xiàn)象:模擬工業(yè)焊接場景時火花和響聲 |
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5 |
個 |
5 |
氣動夾爪 |
氣動夾爪末端,可實現(xiàn)對物體的抓取。 運動類型:平行開閉 夾持寬度:20mm 夾持質(zhì)量:500g |
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5 |
套 |
5 |
噴槍設(shè)備 |
機器人噴涂,可以實現(xiàn)工業(yè)機器人噴涂演示。 噴槍型號:101噴槍(臺灣) 壓力桶容量:10L 夾具:與101噴槍配套 空壓機型號:2X800W-50L 配套電磁閥 配套8mm氣管 8mm氣管轉(zhuǎn)8mm氣管轉(zhuǎn)接頭 |
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2 |
套 |
6 |
大頭筆夾 |
大頭筆夾具,可實現(xiàn)寫字畫畫。 大頭筆2支; 末端夾具:與大頭筆配套 |
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5 |
套 |
7 |
工作臺 |
尺寸: 80cm長X80cm寬X75cm高 框架材質(zhì):6061鋁合金型材 工作臺面材質(zhì):防靜電膠皮 |
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20 |
臺 |
8 |
凳子 |
尺寸: 30cm長X30cm寬X47cm高 框架材質(zhì):冷軋鋼 工作臺面材質(zhì):防靜電膠皮 |
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20 |
張 |