机器人实验室建设方案.doc

机器人实验室建设方案(参考样例)*公司I目录第一部分  机器人国内外发展概况及人才需求分析. - 3 -1.1机器人国际发展状况. - 3 -1.2机器人国内发展状况. - 4 -1.3机电电器类人才需求分析. - 5 -第二部分  机器人实验室建设规划. - 9 -2.1  基础训练区. - 9 -2.1.1  最小机电系统连接与控制实训平台 .- 9 -2.1.2  基础提高训练设备 .- 10 -2.2综合应用实训区. - 11 -2.2.1多控制四轴码垛机器人系统 . - 11 -2.2.26 自由度多控制模块化可拆装机器人系统 .- 12 -2.2.36 自由度弧焊机器人工作站系统 .- 13 -2.2.46 自由度搬运装配机器人工作站系统 .- 14 -2.2.56 自由度点焊机器人工作站系统（体积较大，可选）.- 15 -2.2.6模块化多机器人柔性制造/自动化物流综合实训系统 .- 15 -2.2.7智能移动机器人 .- 16 -2.2.8AGV 小车 .- 17 -2.3拓展展示区. - 17 -2.3.1仿人形机器人 .- 17 -2.3.2特种爬壁机器人 .- 18 -2.3.3特种球形机器人 .- 18 -2.3.4可重构并联机器人 .- 19 -第三部分  机器人机电教学模式探讨. - 20 -3.1  机器人推荐教学模式及教学理念. - 20 -3.2 提供的资料介绍. - 21 -3.3  校企合作与培训说明. - 21 -3.4  机器人实验室针对教师与学生教学效果. - 21 -II第一部分  机器人国内外发展概况及人才需求分析1.1机器人国际发展状况机器人技术是多学科交叉与综合的高技术，对国民经济和国家安全具有重要的战略意义，具有广阔的应用前景和市场。在汽车、电子、石化、自动化等工业领域已得到广泛的应用，目前正向教育、娱乐、助老助残、危险环境作业等服务领域发展，并正在形成巨大的产业。机器人技术与仿生及纳米技术的结合出现了仿生机器人、纳米机器人、医疗机器人等前沿方向。美国、欧盟、日本、韩国都制定了本国的机器人发展战略。工业机器人已经成为展示一个国家制造水平和科技水平的重要标志，在技术发达国家已经建成一批工业机器人制造厂，如：瑞典的ABB  、日本的FANUC、MOTOMAN、德国的KUKA  、美国的Adept  、意大利COMAU等，已经成为其所在国的支柱性产业。据联合国欧洲经济委员会（UNECE）报告，2008年全球工业机器人装机总量已超过100万套，2007年全球新安装的工业器人的数量达到106000套，预计2011年将达到12万套。现阶段机器人产品应用分布按品种分：弧焊、点焊、装配机器人应用的最多；其次是搬运（上下料、冲压、压铸、铸锻、注塑等实质上都是搬运机器人）；再次是包装、码垛、拆垛机器人（也可以统称为搬运机器人）和密封涂胶机器人；其中：焊接26%，喷涂8%，洁净8%，搬运/装配57%，其他1%。随着技术的进步和产业的发展，机器人的应用领域不断向食品、医药、IC、MEMS、光电子等极端制造领域拓展，出现了高速、高精、重载、轻量化机器人和微纳米操作机器人、基于工业机器人概念的封装与装配精密作业装备等高性能工业机器人与装备，在精度、速度和负载能力等方面的指标不断提高。据IFR  2008年报告显示，截至2006年底，世界累计安装个人服务机器人约240万套，2007一年世界新安装个人服务机器人达100万套。预计2011年家用、娱乐与医疗康复等服务机器人将发展拥有1700台套。日本机器人协会的调查报告显示，服务机器人将有大幅的成长，预估2010年约有171亿美元，2025年将有517亿美元的市场规模。最近美国、欧盟、日本、韩国等又先后制定了服务机器人的相应研究国家计划，都试图抢占这方面高技术研-3-究制高点。目前服务机器人主要包括：助老/助残机器人、教育/娱乐机器人、家用服务机器人和危险作业机器人。1.2机器人国内发展状况中国正从制造大国走向制造强国，其中工业机器人作为一类高技术高附加值的重要基础装备，在汽车工业、航空制造、电子装配和现代物流等规模化生产中确保产品质量与效率方面正发挥着越来越重要作用。在世界范围内工业机器人平均年增长率在  5-8左右，在中国乃至在亚洲各类工业机器人正在以 20-25速度增长，预计到 2011 年中国新安装各类工业机器人 9500 台，市场保有量将达到 48600 台。（数据来源：中华人民共和国工业和信息化部运行监测协调局）以汽车工业自动化生产线为例，制造生产线严重依赖进口，如一条白车身焊接生产线约有 60-100 台套单元机器人，其核心装备焊接机器人 100%依赖进口，严重受制于人。当我国企业进行产品结构升级换代，需要改造生产线工艺、或是替换相关部件等，不仅请国外专家进行重新设计与维护，价格十分昂贵，而且有一些成套设计技术与关键部件进行封锁，这样严重制约了我国企业产品转型、技术改造、更新换代等方面的国际竞争力。随着我国逐步进入老龄化社会，我国助老助残型服务机器人需求量将面临井喷式增长。随着国内生活水平的提高和教育投入的逐年递增，我国教育型、娱乐型机器人的需求也在稳步快速提升。我国政府十分重视机器人技术的研究与开发，尤其是自 863 计划启动以来，一直将机器人作为重点支持的主题方向，国家中长期科学和技术发展规划纲要将智能服务机器人列为重点方向，以服务机器人和危险作业机器人应用需求为重点，研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术。经过二十多年的发展，在机器人技术基础理论、关键技术、系统集成和研发基地建设等方面取得重要进展：n   在工业机器人研发方面积累了重要基础：开发出多种面向汽车、航空、物流等行业的弧焊、点焊、喷涂、搬运等工业机器人，在工业机器人机构设计、驱动与控制、制造、系统集成与工程应用等方面积累了大量的经验。国家“高档数控机床与基础制造装备”重大专项设立了“焊接机器人、喷涂机器人、搬运机器人“等研究方向，对工业机器人的研发与-4-产业化进一步支持。n   服务机器人研发方兴未艾：  “十五”和“十一”863 计划重点支持了个人卫生护理机器人、陪护机器人、中医按摩机器人、多功能助行康复机器人、网络化远程上肢康复训练机器人、老人/残障者智能型室内助动系统、老人/残障者上下楼梯助行系统等助老助残机器人，面向中小学生和大学生的教育娱乐机器人，面向矿难、地震救援和极地科考的危险环境作业和双足与仿生机器人等。n   极端作业机器人取得创新成果： 哈尔滨工业大学、中科院沈阳自动化所、上海交通大学、南开大学等单位，开发出 MEMS 装配、IC 硅片传输、高性能（高速、高精度、高加速度）封装、细胞操作、纳米结构操作与组装等微纳米操作机器人与精密作业装备。机器人研发与产业化基地建设取得重要进展：经过二十多年的发展，形成了以哈尔滨工业大学、中科院沈阳自动化所、北京航空航天大学、北京理工大学等为代表的研究基地和以沈阳新松机器人公司、哈尔滨博实自动化设备公司、苏州博实机器人技术有限公司、奇瑞汽车集团公司等为代表的多个机器人开发与应用基地，并得到地方政府与企业的高度关注。综上，机器人在工业领域已得到广泛的应用，其应用领域从传统的工业领域向IC、微纳制造、生物制造等先进领域和教育娱乐、助老助残、家政服务、危险环境作业等非制造领域发展，并正在形成巨大的高技术产业。其技术发展趋势是：高性能化（高速、高精、重载、轻量化）、极端化 （高温、真空、微纳米精度）、智能化（智能仿生）和网络化。1.3机电电器类人才需求分析电类专业为社会培养机电类方面的生产、管理、使用维护的第一线的高等技术应用型人才。加入 WTO 后，我国机电行业等制造业迅猛发展，产业结构大幅度调整，社会对机电类人才需求发生很大变化。随着科学技术的不断进步，机械与电子电气已变得密不可分，尤其是电脑信息技术的广泛应用和对各领域的渗透，机械设计、制造有了全新的理念，懂得电的如果不懂机械或者说懂得机械的不懂电将是一件很不可思议的事。机电设备、自动化设施、各种自动化生产线都需要既懂得电又懂得机的专业人才去使用和维护。二十一世纪是电信息时代，人们-5-的生活与电脑密不可分，电子技术已渗透到机械制造的各个方面。根据在近几年用工市场的信息可知，机电一体化的专业人才十分迫切，其工资待遇甚至超过了本科生、硕士生，特别是对懂得机器人技术、PLC、变频技术、数控技术的专业人才的需求量很大。每一个单位都需要有机电一体化的维护和修理的专业人员。随着工业生产水平的不断进步和人民生活水平的不断改善，大量的更为先进的机电设备的投入已经成为事实，靠单个外出培训已不能满足实际需要。产业的发展必然带来对人才需求的增长，技术的进步必然要求人员素质的提高。许多企业一方面为了提高人员效率而精简缺乏专业技能的冗余人员，另一方面又大量引入急需的专业技术人员。从近几年毕业生的就业情况看，各个行业中，机电行业的毕业生就业率一直处在前列。l岗位人才需求状况在综合沿海地区以及本地的机电等机电行业的发展的信息我们发现用人单位急需以下岗位人才:(1)  机电产品的制造加工，人员需求增长 16.4%;(2)  机电产品的组装、调试,  人员需求增长 12.8%;(3)  机电设备的操作、维护,  人员需求增长 6.4%;(4)  机电产品的销售、技术服务、检验与管理,  人员需求增长 5.2%;(5)  自动化生产线的调试维护等,  人员需求增长 9.3%;(6)  生产现场工艺技术人员,  人员需求增长 5%;(7)  数控机床的操作、编程、维护维修人才,  人员需求增长 11.3%；(8)  模具工艺设计,  人员需求增长 15.4%。上述岗位在原有传统行业中融进了高新技术。有些机电产品和大型生产线应用了微机、软件、PLC，微电子、激光技术，并采用各种新型的传感器来检测和控制，其产品的制造手段也不断更新，如激光加工、数控加工等等。在以机电类为主的专业中，机电一体化专业较之其他专业在选择就业岗位的面积上-6-要更加的广阔，加上某些岗位人才的奇缺，特别是一些经济发达地区对机电一体化专业的高职毕业生实际需求是巨大的，因此在培养这个专业学生的时候侧重点就放在了如何突出机电一体化专业作为电气、自动化、机械制造等专业的补充与延伸这一优势上，使这些学生的能力也从单纯的电类知识扩展到了与机械知识的共融，能更好地适应用人单位的需求。以下是部分社会调查报告，仅供参考：机电发展前景70.00%60.00%50.00%40.00%30.00%20.00%10.00%0.00%60.00%50.00%40.00%30.00%20.00%10.00%0.00%1机电就业前景1-7-非常好一般很不好不知道很好，供不应求还算可以有点困难很难类型机电人才更好就业50.00%45.00%40.00%35.00%30.00%25.00%20.00%15.00%10.00%5.00%0.00%45.00%40.00%35.00%30.00%25.00%20.00%15.00%10.00%5.00%0.00%40.00%35.00%30.00%25.00%20.00%15.00%10.00%5.00%0.00%1机电创业可能性1机电人才就业遇到的问题1-8-技术型管理型综合型没区别很可能可能可能性很小不可能专业知识不够专业技能不够市场需求不强就业竞争激烈第二部分  机器人实验室建设规划根据院系发展规划，着力提高教学与专业建设，本实验室建设方案充分体现机器人发展趋势与应用动向，所展示的机器人类型丰富，涉及内容全面。以结合生产实际的实训为核心设施，注重基础训练，适当兼顾未来应用的新型机器人，拓展学生视野。建设成为国内先进、特色明显，具有示范代表性的机器人主题实验室。机器人实验室总体采取分区教学模式，包括：基础训练区、应用综合实训区、拓展展示区。三部分既相互区分又相互联系，由浅入深，由单机到系统，技术具有连续性。由实验平台模拟到实际工业现场应用，由工业机器人到特种机器人，让学生逐步掌握机器人技术、工业机器人现场应用与操作、工业控制与运动控制等机器人实用技术。在掌握机器人高级技术应用的同时，训练学生动手能力、操作能力和故障检测维护能力。同时通过教育娱乐创新机器人、特种机器人、仿人形机器人的演示与操作，寓教于乐，提高学生学习兴趣、拓宽知识面，为在更高领域的研究夯实基础。系统提供开放性的平台，可根据教学需要与专业建设要求开展多层次全方位的二次开发与研究，也可结合机器人技术与当地工业背景开展应用课题研究。2.1  基础训练区2.1.1  最小机电系统连接与控制实训平台产品用途：电机控制基础训练训练内容和产品特色：¨机电系统的最小组成（电机、驱动器、控制器）和基本原理，能够完成配线图的-9-绘制和连接；¨能够对电机完成基本的控制，包括：气动/停止、调速、换向等；¨掌握电机控制的几种基本方式：专用控制卡、PLC、变频控制、电子调速控制；¨系统包括：一套控制卡+伺服驱动器+伺服电机；一套  PLC+步进驱动器+步进电机；一套变频器+变频电机；一套电子调速器+调速电机，基本覆盖了工业上常用的电机和控制方式。2.1.2  基础提高训练设备单轴或双轴控制实训平台产品用途：在掌握电机基本控制系统的基础上完成一个基本的搬运装配作业过程。训练内容和产品特色：¨掌握脉冲当量换算，驱动器细分当量换算等基本控制算法；¨掌握简单气动系统的组成和连接；¨掌握机械传动部件的选择，结构件的设计，传感器的选择和使用，电机的选择和使用；¨能够采用 PLC 编程完成对电机和气缸的位置控制。¨系统组成：一轴步进驱动系统（电机、丝杠、导轨）、一轴气动驱动系统（气缸、电磁阀、真空系统），PLC 控制。乒乓球搬运三轴工作台- 10 -产品用途：在掌握电机基本控制系统的基础上完成乒乓球的转运过程。训练内容和产品特色：¨掌握 2 轴直线插补和圆弧插补基本控制算法；¨掌握最佳路径规划的基本思想和实现方法；¨掌握直线电动缸的基本原理；¨能够采用 PLC 编程完成对电机和气缸的位置控制。¨系统组成：二轴伺服驱动系统（电机、电动缸）、一轴气动驱动系统（气缸、电磁阀、真空系统），PLC 控制。2.2综合应用实训区2.2.1多控制四轴码垛机器人系统- 11 -产品用途：完成直角坐标机器人的实训，模拟工业码垛搬运机器人的运行。实训内容和产品特色：¨直角坐标机器人的结构和工业码垛机器人的运行过程；¨掌握直角坐标机器人的多种控制方法（控制卡、PLC）；¨机器人本体可拆装组合，控制系统可插拔式连接，开放性好；¨能够采用控制卡和 PLC 编程完成对电机和气缸的位置控制。¨系统组成：三轴电机驱动直线系统（步进、伺服混合驱动）、一轴电机驱动旋转系统（步进驱动），一路气动手爪系统（气缸、电磁阀、真空系统）；¨控制卡、PLC、手动控制三种控制方式，一体化电控柜。2.2.26 自由度多控制模块化可拆装机器人系统多控制机器人系统单控制机器人系统机器人各关节模块- 12 -不同关节模块组合后的不同自由度的机器人产品用途：完成多关节串联机器人的实训，模拟工业串联机器人的运行。实训内容和产品特色：¨串联机器人的结构原理；¨掌握串联机器人的多种控制方法（控制卡、PLC）；¨机器人本体可拆装组合（可拆到螺钉级），控制系统可插拔式连接，开放性好；¨各模块可任意组合，组装成不同自由度的串联机器人，动手实训效果好；¨能够采用控制卡和 PLC 编程完成对电机和气缸的位置控制。¨系统组成：六轴电机驱动关节系统（步进、伺服混合驱动）、一路气动手爪系统（气缸、电磁阀、真空系统）；¨控制卡、PLC、手动控制三种控制方式，一体化电控柜。2.2.36 自由度弧焊机器人工作站系统- 13 -产品用途：完成弧焊机器人的实训，采用工业级串联机器人进行。实训内容和产品特色：¨工业串联弧焊机器人的结构原理；¨掌握弧焊串联机器人的控制操作方法（专用控制器，示教盒）；¨掌握基本的机器人自动焊接（弧焊）工艺；¨掌握弧焊工业机器人的编程操作和日常维护作业；¨系统组成：全伺服工业机器人，工业级自动弧焊系统。2.2.46 自由度搬运装配机器人工作站系统产品用途：完成搬运装配机器人作业的实训，采用工业级串联机器人进行。实训内容和产品特色：¨工业串联搬运机器人的结构原理（透明式设计，开放性好）；¨掌握搬运串联机器人的控制操作方法（专用控制器）；¨掌握常用的搬运作业工具（手爪、真空吸附、电磁铁等）；¨掌握搬运工业机器人的编程操作和日常维护作业；¨系统组成：工业机器人（伺服步进混合驱动），搬运作业工具。- 14 -2.2.56 自由度点焊机器人工作站系统（体积较大，可选）产品用途：完成点焊机器人的实训，采用工业级串联机器人进行。实训内容和产品特色：¨工业点焊串联机器人的结构原理；¨掌握点焊串联机器人的控制操作方法（专用控制器，示教盒）；¨掌握基本的机器人自动焊接（点焊）工艺；¨掌握点焊工业机器人的编程操作和日常维护作业；¨系统组成：全伺服工业机器人，工业级自动点焊系统。2.2.6模块化多机器人柔性制造/自动化物流综合实训系统产品用途：完成各类机器人在柔性制造系统和自动化物流系统的应用综合实训，了解和掌握机器人的实际应用。实训内容和产品特色：¨多机器人协作：串联机器人、并联机器人、直角坐标机器人、气动机器人及气电混合机器人；- 15 -¨多种控制方式：工控机、嵌入式、，总线、变频、组态等；¨多传感器融合：机械、光电、机器视觉、电容、电阻、光学等¨模块化设计，模块即可独立运行亦可联机运行；¨掌握各类机器人的集成应用、编程操作和日常维护作业。2.2.7智能移动机器人产品用途：完成移动智能机器人的应用综合实训，了解和掌握移动机器人的关键技术。实训内容和产品特色：¨了解和掌握移动机构原理和特点；¨了解全自主移动机器人的智能特性，多传感（激光雷达、声纳、红外、视觉等）融合等；¨了解智能移动机器人的基本算法；¨可完成避障、跟踪、编队等演示；¨掌握智能移动机器人的日常维护作业。- 16 -2.2.8AGV 小车产品用途：完成 AGV 小车的应用综合实训，了解和掌握 AGV 小车的关键技术。实训内容和产品特色：¨了解和掌握 AGV 小车原理和特点；¨了解全 AGV 小车的轨迹跟踪规划和传感器类型；¨了解 AGV 小车的基本算法；¨可完物料自动化运输；¨掌握 AGV 小车的日常维护作业。2.3拓展展示区2.3.1仿人形机器人产品描述：仿人形，无线控制，16 个自由度，全进口高性能伺服舵机控制，可完成跳舞、行走、踢球等动作。动作可以学生自己来编程，提供编程环境和接口，展示效果非常好。- 17 -2.3.2特种爬壁机器人产品描述：以军用侦察和反恐防暴为应用背景，可在复杂的墙面上快速低噪音爬行，带有侦察摄像机，无线数字传输到终端监控器上，展示效果非常好。2.3.3特种球形机器人产品描述：以军用侦察和反恐防暴为应用背景，可在地面、车底，狭窄的空间内滚动，带有侦察摄像机，无线数字传输到终端监控器上；亦可带有爆炸装置，成为移动的地雷，展示效果非常好。- 18 -2.3.4可重构并联机器人6-SPS 伸缩式并联机器人6-PSS 滑块式并联机器人6-PSS 剪式并联机器人3-Delta 型并联机器人产品描述：以新型的并联机构为对象，用同一套零部件通过不同的传动链组合可以变化出4 种不同的并联机器人构型（如上图），具有不同的运动学和动力学性能，实现可重构，是机构创新理想的平台。- 19 -第三部分  机器人机电教学模式探讨3.1  机器人推荐教学模式及教学理念博实机器人公司经过多年与各高等院校、职业类院校的产品合作，积累了丰富的教学经验，特别机器人教学的实际操作经验，针对校方机器人教育初期开展的实际情况，配合模块化机器人等设备，建议如下措施和理念：l机器人包含拆装组合，因此工作台比较重要，台面配以胶皮，防止零件损伤及划伤台面，平台面积要足够放置机器人各模块以及放置电控部分达到机器人运行要求，建议平台分出运行区、装配区、拆分区、零件区、工具区等。平台上装配区等需配备零件分拣盒，用以存放小的零件和螺钉，并贴标签明示区别各模块。l建议机器人教学分组进行，将每班级每 3-5 人一组进行，每组学生各司其职，从拆分到清点、清洗零件、装配、检验、控制、电气装配、运行等逐级负责，由此锻炼学生独立动手能力以及团队合作能力，技术掌握熟练后，可组织每组进行竞赛。l教师教学采取理论与实践结合模式，配合机器人所配资料进行，教师动手-学生学习，学生动手-教师指导的互动模式，并可收集国内外各类机器人资料进行兴趣教学。l建议教师无论机电软各部分，均从基础知识开始进行，让学生扎实的了解机器人是如何设计和产生的，从低到高的技术进展模式。又可以在此过程中，学习到各专业的基础知识，使得机器人设备不仅表现在机器人技术，也表现在普通机电设备的教学应用上。l必要时将学生按照兴趣程度及掌握水平等分组，针对更高级的机器人技术讲解，给学生以更大的发展空间。l实验室教师应熟悉机器人各部分知识，并制定相应的实验室操作规程，并监督学生严格按照规程操作，避免不必要的零件损耗，保障安全避免事故的发生。实验完毕，按照操作规程整理设备和工具，锻炼学生责任心。l机器人教学过程中，实验室教师可人为制造一些故障和作业，让学生善于发现和解决问题，比如电气故障，无法运行，从最简单的线路连接查起，逐步上升到软件级别，锻炼学生解决问题的思路和方法。l按照提供的技术资料，学生可自行设计类似的机器人模块结构，教师可鼓励学生从操作、检测到设计全部掌握的一体式技术层面。3.2 提供的资料介绍l机器人发展史：从古至今阐述机器人的产生、发展及未来变化；可根据内容制作为电子展板形式；l各机器人设备展板与资料；l各机器人拆装工具与备品备件。3.3  校企合作与培训说明现阶段，各所职业类及高等院校始终以培养品格优良、知识全面、技能熟练、特长突出的“技能英才”为培养目标，坚持“经营职教”的办学理念，实行“校企合一”的办学模式，推行“学校即企业，课室即车间，教师即师傅，学生即员工”的工学结合人才培养模式，在管理方面推行企业化管理，在教学方面坚持工作过程导向，在学生方面实行员工管理，完成教育教学从虚拟模拟真实的过渡。由于机器人技术对校方是较新的机电技术范畴，机器人技术有其机电方面独到的技术和范畴，因此从教师到学生都需要一个过程进行机器人技术方面的培训和整合，这就需要先期针对授课教师进行机器人技术深层次理论等方面的培训，合作企业苏州博实机器人技术公司本着双赢的理念，一直致力于同用户进行深层次、多方面的机器人技术合作。具体合作模式见校企合作协议书。3.4  机器人实验室针对教师与学生教学效果博实公司设计机器人针对职业类院校的教学需求，知识面涵盖从低端到高端逐步过渡的技术模式。机械上从零件设计加工工艺入手到最终装配，扩