基于3D打印的三自由度碼垛教學(xué)機(jī)械臂

鄭凱強(qiáng)

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川 南充 637131）

1 工業(yè)機(jī)器人專業(yè)當(dāng)前教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

當(dāng)前雖然很多高職院校開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人專業(yè)，但是大部分院校都存在同一個(gè)問題就是教學(xué)設(shè)備的投入不足導(dǎo)致學(xué)生無法深刻理解工業(yè)機(jī)器人的種類及工作原理。很多院校在設(shè)備投入之初考慮到設(shè)備的通用性與使用周期的時(shí)長性都會(huì)直接采用當(dāng)下使用面最廣、動(dòng)作最靈活、功能最多樣化的六自由度關(guān)節(jié)機(jī)械臂。但是這類機(jī)械臂雖然動(dòng)作靈活功能豐富但其價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且高職學(xué)生的基礎(chǔ)本就不是太高，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不利于學(xué)生的入門學(xué)習(xí)。而且工業(yè)機(jī)器人種類繁多例如：直角坐標(biāo)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人、球坐標(biāo)機(jī)器人等；只用六自由度關(guān)節(jié)機(jī)械臂進(jìn)行教學(xué)使得學(xué)生對(duì)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)無法全面認(rèn)識(shí)，并且從六自由度機(jī)械臂開始進(jìn)入學(xué)習(xí)也違背了循序漸進(jìn)、由易到難的教學(xué)規(guī)律。工業(yè)機(jī)器人作為一個(gè)高度集成化的機(jī)電一體化產(chǎn)品，涉及機(jī)械、電氣、控制等多方面的學(xué)科知識(shí)點(diǎn)，采用機(jī)器人成品進(jìn)行教學(xué)無法很好的將各學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)有機(jī)的串聯(lián)起來鍛煉學(xué)生學(xué)以致用的 能力。

2 基于3D打印的三自由度碼垛教學(xué)機(jī)械臂

三自由度碼垛教學(xué)機(jī)械臂采用完全3D打印的機(jī)械本體設(shè)計(jì)，可采用3D打印技術(shù)加工制造零件，零件制造簡單便捷。碼垛機(jī)械臂采用簡易的平行四邊形機(jī)構(gòu)做為理論運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在該機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上可以設(shè)計(jì)出不同大小、不同形式、匹配不同電機(jī)的三自由度碼垛機(jī)械臂。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡易并且具有末端始終與水平面保持平行的特點(diǎn)，非常適合碼垛用途，并且該結(jié)構(gòu)簡單易于設(shè)計(jì)裝配，學(xué)生在該機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上可以自由發(fā)揮設(shè)計(jì)末端夾爪結(jié)構(gòu)，利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。不同形式的機(jī)械臂可采用市面上常見的MG996R、MG945、SG90、MG90舵機(jī)以及28BY-J48步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這類電機(jī)都具有低電壓易于控制等特點(diǎn)。機(jī)械臂的整體裝配都采用標(biāo)準(zhǔn)M3、M4、M6螺釘以及對(duì)應(yīng)螺母，螺釘長度根據(jù)實(shí)際需要選用，額外還需606軸承一粒，價(jià)格低廉易購，降低了裝配難度。

3 采用3D打印的三自由度碼垛機(jī)械臂進(jìn)行教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

采用該機(jī)械臂進(jìn)行教學(xué)可以使學(xué)生由易到難循序漸進(jìn)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。因機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡單小巧、并且采用3D打印制造機(jī)械本體的方式，學(xué)生可以自行動(dòng)手完成從零件加工制造到裝配成機(jī)械臂本體的全過程。在此過程之中學(xué)生可以更加深刻的理解機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)提升學(xué)生的實(shí)操能力與發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。因?yàn)闄C(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)部分采取舵機(jī)或者小型步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力所以可采用電子電路的方式進(jìn)行控制，51單片機(jī)、Arduino、嵌入式芯片都可以完成對(duì)機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)控制。恰好工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)一般都開設(shè)有單片機(jī)、嵌入式、C語言等課程，剛好可以利用此機(jī)械臂作為媒介將單片機(jī)、C語言、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)這三門課程有機(jī)串聯(lián)起來。學(xué)生利用所學(xué)單片機(jī)知識(shí)為機(jī)械臂設(shè)計(jì)制作控制電路，然后利用C語言所學(xué)知識(shí)為機(jī)械臂編寫控制代碼設(shè)計(jì)控制程序，并且可進(jìn)階控制APP程序的開發(fā)。利用這種多學(xué)科知識(shí)點(diǎn)融合的教學(xué)方式，使得各學(xué)科之間可以相輔相成，各學(xué)科之間不再是獨(dú)立的教學(xué)而是考慮到各學(xué)科之間的聯(lián)系，并且將各學(xué)科之間的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，提升了知識(shí)的轉(zhuǎn)化能力，使學(xué)生能夠?qū)W以致用，學(xué)生所學(xué)及所見所得，學(xué)習(xí)成果不再是單一枯燥的考試分?jǐn)?shù)，極大的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)成就感，有助于教育教學(xué)的順利推進(jìn)。

4 3D打印三自由度碼垛教學(xué)機(jī)械臂發(fā)展趨勢(shì)

學(xué)生以此機(jī)械臂為原型設(shè)計(jì)出體積更大負(fù)載更強(qiáng)的碼垛機(jī)械臂，例如采用42步進(jìn)電機(jī)做為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的碼垛機(jī)械臂。學(xué)生也可在此機(jī)械臂的基礎(chǔ)上發(fā)揮創(chuàng)新思維設(shè)計(jì)多樣化的末端夾具，結(jié)合機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)等課程培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，并可在此課程基礎(chǔ)上繼續(xù)與電氣控制、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等課程融合教學(xué)。