工业机器人论文参考文献：
[1]任志刚.工业机器人的发展现状及发展趋势[J].装备制造技术，2015（3）：166-168.
[2]田涛，邓双城，杨朝岚.工业机器人的研究现状与发展趋势[J].新技术新工艺，2015（3）：92-94.
[3]陈韶辉.我国工业机器人发展问题分析及对策研究[J].科技创新与应用，2015（31）：81.
[4]黄兴，何文杰，符远翔.工业机器人精密减速器综述[J].机床与液压，2015，13（43）：1-6.
[5]韩鹏，刘建龙，冯强.工业机器人关节减速机润滑脂的研制及应用[J].石油商技，2015（6）：25-29.收稿日期：2016-07-15。
工业机器人论文参考文献：
[1]陈佩云.我国工业机器人现状与发展[J].机器人技术与应用，2013：1-6.
[2]李瑞峰.中国工业机器人产业化发展战略[J].航空制造技术，2010（09）：32-38.
[3]郭永涛，唐洪涛.职业院校工业机器人专业实训基地建设研究[J].科学中国人，2015.
[4]陈小艳，沈洁.高职工业机器人技术专业人才培养模式研究与实践[N].吉林工程技术师范学院学报，2014.
[5]刘彩琴.职业教育工学结合课程开发与实施[M].北京：北京师范大学出版社，2014.
[6]牛祥永.高职“工业机器人安装与调试”课程开发和实践[J].职业教育研究，2014，3：86-90.
[7]杨薇，叶晖，胡威.仿真教学应用在工业机器人技术课程教学中的必要性[J].科技视界，2014，32：18.
工业机器人论文参考文献：
[1]梁一新，刘凯.促进我国工业机器人产业化的战略思考[J].现代产业经济，2013：28-33
[2]国家统计局.《中国统计年鉴-2015》
[3]陈韶飞.我国工业机器人发展问题分析及对策研究.科技创新与应用，2015.
[4]朱步楼.新一轮产业与技术革命的特征、挑战及其对策.江苏科技信息，2013（3）.
本文作者：工作单位：安徽埃夫特智能装备有限公司
从控制系统设计角度来说，可以采用辩证法内外因基本原理来分析影响重载机器人控制品质的因素，首先，如果系统存在动力学耦合、柔性等非线性因素，仅仅采用传统的线性控制很难获得良好的控制品质，底层伺服回路的控制缺陷是影响机器人控制品质的内因。第二，如果运动规划环节处理不当，传输给底层运动控制回路的运动指令不合理，即存在位置不连续，速度不连续，加速度跃变等情况，对系统会产生严重的冲击，即便底层伺服控制设计再优秀，同样也会严重影响系统控制品质，这就是所谓的外因。下面就从内外因角度对目前在机器人运动规划和底层伺服控制方面的相关进展进行综述。机器人运动规划方法运动规划与轨迹规划是指根据一定规则和边界条件产生一些离散的运动指令作为机器人伺服回路的输入指令。运动规划的输入是工作空间中若干预设点或其他运动学和动力学的约束条件；运动规划的输出为一组离散的位置、速度和加速度序列。运动规划算法设计过程中主要需要考虑以下三个问题：（1）规划空间的选取：通常情况下，机器人轨迹规划是在全局操作空间内进行的，因为在全局操作空间内，对运动过程的轨迹规划、避障及几何约束描述更为直观。然而在一些情况下，通过运动学逆解，运动规划会转换到关节空间内完成。在关节空间内进行运动规划优点如下：a.关节空间内规划可以避免机构运动奇异点及自由度冗余所带来种种问题[1-4]；b.机器人系统控制量是各轴电机驱动力矩，用于调节各轴驱动力矩的轴伺服算法设计通常情况也是在关节空间内的，因此更容易将两者结合起来进行统一考虑[5,6]；c.关节空间运动规划可以避免全局操作空间运动规划带来的每一个指令更新周期内进行运动规划和运动学正逆计算带来的计算量，因为如果指令更新周期较短，将会对CPU产生较大的计算负荷。（2）基础函数光滑性保证：至少需要位置指令C2和速度指令C1连续，从而保证加速度信号连续。不充分光滑的运动指令会由于机械系统柔性激起谐振，这点对高速重载工业机器人更为明显。在产生谐振的同时，轨迹跟踪误差会大幅度增加，谐振和冲击也会加速机器人驱动部件的磨损甚至损坏[7]。针对这一问题，相关学者引入高次多项式或以高次多项式为基础的样条函数进行轨迹规划，其中Boryga利用多项式多根的特性，分别采用5次、7次和9次多项式对加速度进行规划，表达式中仅含有一个独立参数，通过运动约束条件，最终确定参数值，并比较了各自性能[8]。Gasparetto采用五次B样条作为规划基础函数，并将整个运动过程中加速度平方的积分作为目标函数进行优化，以确保运动指令足够光滑[9]。刘松国基于B样条曲线，在关节空间内提出了一种考虑运动约束的运动规划算法，将运动学约束转化为样条曲线控制顶点约束，可保证角度、角速度和角加速度连续，起始点和终止点角速度和角加速度可以任意配置[10]。陈伟华则在Cartesian空间内分别采用三次均匀B样条，三次非均匀B样条，三次非均匀有理B样条进行运动规划[11]。（3）运动规划中最优化问题：目前常用的目标函数主要为运行时间、运行能耗和加速度。其中关于运行时间最优的问题，较为经典是Kang和Mckay提出的考虑系统动力学模型以及电机驱动力矩上限的时间最优运动规划算法，然而该算法加速度不连续，因此对于机器人来说力矩指令也是不连续的，即加速度为无穷大，对于真实的电驱伺服系统来说，这是无法实现的，会对系统产生较大冲击，大幅度降低系统的跟踪精度，对机械本体使用寿命也会产生影响[12]。针对上述问题Constantinescu提出了解决方法，在考虑动力学特性的基础上，增加对力矩和加速度的约束，并采用可变容差法对优化问题进行求解[13]。除了以时间为优化目标外，其他指标同样被引入最优运动规划模型中。Martin采用B函数，以能耗最少为优化目标，并将该问题转化为离散参数的优化问题，针对数值病态问题，提出了具有递推格式的计算表达式[14]。Saramago则在考虑能耗最优的同时，将执行时间作为优化目标之一，构成多目标优化函数，最终的优化结果取决于两个目标的权重系数，且优化结果对于权重系数选择较为敏感[15]。Korayem则在考虑机器人负载能力，关节驱动力矩上限和弹性变形基础上，同时以在整个运行过程中的位置波动，速度波动和能耗为目标，给出了一种最优运动规划方法[6]，然而该方法在求解时，收敛域较小，收敛性较差，计算量较大。
考虑部件柔性的机器人控制算法机器人系统刚度是影响动态性能指标重要因素。一般情况下，电气部分的系统刚度要远远大于机械部分。虽然重载工业机器人相对于轻型臂来说，其部件刚度已显著增大，但对整体质量的要求不会像轻型臂那么高，而柔性环节仍然不可忽略，原因有以下两点：（1）在重载情况下，如果要确保机器人具有足够的刚度，必然会增加机器人部件质量。同时要达到高速高加速度要求，对驱动元件功率就会有很高的要求，实际中往往是不可实现（受电机的功率和成本限制）。（2）即使驱动元件功率能够达到要求，机械本体质量加大会导致等效负载与电机惯量比很大，这样就对关节刚度有较高的要求，而机器人关节刚度是有上限的（主要由减速器刚度决定）。因此这种情况下不管是开链串联机构还是闭链机构都会体现出明显的关节柔性[16,17]，在重载搬运机器人中十分明显。针对柔性部件带来的系统控制复杂性问题，传统的线性控制将难以满足控制要求[17-19]，目前主要采用非线性控制方法，可以分成以下几大类：（1）基于奇异摄动理论的模型降阶与复合控制首先针对于柔性关节控制问题，美国伊利诺伊大学香槟分校著名控制论学者MarkW.Spong教授于1987年正式提出和建立柔性关节的模型和奇异摄动降阶方法。对于柔性关节的控制策略绝大多数都是在Spong模型基础上发展起来的。由于模型的阶数高，无法直接用于控制系统设计，针对这个问题，相关学者对系统模型进行了降阶。Spong首先将奇异摄动理论引入了柔性关节控制，将系统分成了慢速系统和边界层系统[20]，该方法为后续的研究奠定了基础。Wilson等人对柔性关节降阶后所得的慢速系统采用了PD控制律，将快速边界层系统近似为二阶系统，对其阻尼进行控制，使其快速稳定[21]。针对慢速系统中的未建模非线性误差，Amjadi采用模糊控制完成了对非线性环节的学习[22]。彭济华在对边界层系统提供足够阻尼的同时，将神经网络引入慢速系统控制，有效的克服了参数未知和不确定性问题。连杆柔性会导致系统动力学方程阶数较高，Siciliano和Book将奇异摄动方法引入柔性连杆动力学方程的降阶，其基本思想与将奇异摄动引入柔性关节系统动力学方程一致，都将柔性变形产生的振动视为暂态的快速系统，将名义刚体运动视为准静态的慢速系统，然后分别对两个系统进行复合控制，并应用于单柔性连杆的控制中[23]。英国Sheffield大学A.S.Morris教授领导的课题组在柔性关节奇异摄动和复合控制方面开展了持续的研究。在2002年利用Lagrange方程和假设模态以及Spong关节模型建立柔性关节和柔性连杆的耦合模型，并对奇异摄动理论降阶后的慢速和快速子系统分别采用计算力矩控制和二次型最优控制[24]。2003年在解决柔性关节机器人轨迹跟踪控制时，针对慢速系统参数不确定问题引入RBF神经网络代替原有的计算力矩控制[25].随后2006年在文献[24]所得算法和子系统模型的基础上，针对整个系统稳定性和鲁棒性要求，在边界层采用Hinf控制，在慢速系统采用神经网络算法，并给出了系统的稳定性分析[26]。随着相关研究的开展，有些学者开始在奇异摄动理论与复合控制的基础上作出相应改进。由于奇异摄动的数学复杂性和计算量问题，Spong和Ghorbel提出用积分流形代替奇异摄动[27]。针对奇异摄动模型需要关节高刚度假设，在关节柔度较大的情况下，刘业超等人提出一种刚度补偿算法，拓展了奇异摄动理论的适用范围[28]。（2）状态反馈和自适应控制在采用奇异摄动理论进行分析时，常常要同时引入自适应控制律来完成对未知或不精确参数的处理，而采用积分流形的方式最大的缺点也在于参数的不确定性，同样需要结合自适应控制律[29,30]。因此在考虑柔性环节的机器人高动态性能控制要求下，自适应控制律的引入具有一定的必要性。目前对于柔性关节机器人自适应控制主要思路如下：首先根据Spong模型，机器人系统阶数为4，然后通过相应的降阶方法获得一个二阶的刚体模型子系统，而目前的大多数柔性关节自适应控制律主要针对的便是二阶的刚体子系统中参数不确定性。Spong等人提出了将自适应控制律引入柔性关节控制，其基于柔性关节动力学奇异摄动方程，对降阶刚体模型采用了自适应控制律，主要采用的是经典的Slotine-Li自适应控制律[31]，并通过与Cambridge大学Daniel之间互相纠正和修改，确立一套较为完善的基于奇异摄动模型的柔性关节自适应控制方法[32-34]。（3）输入整形控制输入整形最原始的思想来自于利用PosicastControl提出的时滞滤波器，其基本思想可以概括为在原有控制系统中引入一个前馈单元,包含一系列不同幅值和时滞的脉冲序列。将期望的系统输入和脉冲序列进行卷积,产生一个整形的输入来驱动系统。最原始的输入整形方法要求系统是线性的，并且方法鲁棒性较差，因此其使用受到限制。直到二十世纪九十年初由MIT的Signer博士大幅度提高该方法鲁棒性，并正式将该方法命名为输入整形法后[35]，才逐渐为人们重视，并在柔性机器人和柔性结构控制方面取得了一系列不错的控制效果[36-39]。输入整形技术在处理柔性机器人控制时，可以统一考虑关节柔性和连杆柔性。对于柔性机器人的点对点控制问题，要求快速消除残余振荡，使机器人快速精确定位。
这类问题对于输入整形控制来说是较容易实现的，但由于机器人柔性环节较多，呈现出多个系统模态，因此必须解决多模态输入整形问题。相关学者对多模态系统的输入整形进行了深入研究。多模态系统的输入整形设计方法一般有:a)级联法：为每个模态设计相应的滤波器，然后将所有模态的时滞滤波器进行级联,组合成一个完整的滤波器，以抑制所有模态的振荡；b)联立方程法:直接根据系统的灵敏度曲线建立一系列的约束方程，通过求解方程组来得到滤波器。这两种方法对系统的两种模态误差均有很好的鲁棒性。级联法设计简单，且对高模态的不敏感性比联立方程法要好；联立方程法比较直接，滤波器包含的脉冲个数少,减少了运行时间。对于多模态输入整形控制Singer博士提出了一种高效的输入整形方法，其基本思想为：首先在灵敏度曲线上选择一些满足残留振荡最大幅值的频段，在这些特定的频带中分别选择一些采样频率，计算其残留振荡；然后将各频率段的残留振荡与期望振荡值的差平方后累加求和，构成目标函数，求取保证目标函数最小的输入整形序列。将频率选择转化为优化问题，对于多模态系统，则在每个模态处分别选择频率采样点和不同的阻尼系数，再按上述方法求解[40]。SungsooRhim和WayneBook在2004年针对多模态振动问题提出了一种新的时延整形滤波器，并以控制对象柔性模态为变量的函数形式给出了要消除残余振动所需最基本条件。同时指出当滤波器项数满足基本条件时，滤波器的时延可以任意设定，消除任何给定范围内的任意多个柔性振动模态产生的残余振动，为输入整形控制器实现自适应提供了理论基础[41]，同时针对原有输入整形所通常处理的点对点控制问题进行了有益补充，M.C.Reynolds和P.H.Meckl等人将输入整形应用于关节空间的轨迹控制，提出了一种时间和输入能量最优的轨迹控制方法[42]。（4）不基于模型的软计算智能控制针对含有柔性关节机器人动力学系统的复杂性和无法精确建模，神经网络等智能计算方法更多地被引入用于对机器人动力学模型进行近似。Ge等人利用高斯径向函数神经网络完成柔性关节机器人系统的反馈线性化，仿真结果表明相比于传统的基于模型的反馈线性化控制，采用该方法系统动态跟踪性能较好，对于参数不确定性和动力学模型的变化鲁棒性较强，但是整个算法所用的神经网络由于所需节点较多，计算量较大，并且需要全状态反馈，状态反馈量获取存在一定困难[43]。孙富春等人对于只具有关节传感器的机器人系统在输出反馈控制的基础上引入神经网络，用于逼近机器人模型，克服无法精确建模的非线性环节带来的影响，从而提高机器人系统的动态跟踪性能[44]。A.S.Morris针对整个柔性机器人动力学模型提出了相应的模糊控制器，并用GA算法对控制器参数进行了优化，之后在模糊控制器的基础上，综合了神经网络的逼近功能对刚柔耦合运动进行了补偿[45]。除采用神经网络外，模糊控制也在柔性机器人控制中得以应用。具有代表性的研究成果有V.G.Moudgal设计了一种具有参数自学习能力的柔性连杆模糊控制器，对系统进行了稳定性分析，并与常规的模糊控制策略进行了实验比较[46]。Lin和F.L.Lewis等人在利用奇异摄动方法基础上引入模糊控制器，对所得的快速子系统和慢速子系统分别进行模糊控制[4748]。快速子系统的模糊控制器采用最优控制方法使柔性系统的振动快速消退，慢速子系统的模糊控制器完成名义轨迹的追踪，并对单柔性梁进行了实验研究。Trabia和Shi提出将关节转角和末端振动变形分别设计模糊控制器进行控制，由于对每个子系统只有一个控制目标，所以模糊规则相对简单，最后将两个控制器的输出进行合成，完成复合控制，其思想与奇异摄动方法下进行复合控制类似[49]。随后又对该算法进行改进，同样采用分布式结构，通过对输出变量重要性进行评估，得出关节和末端点的速度量要比位置量更为重要，因此将模糊控制器分成两部分，分别对速度和位置进行控制，并利用NelderandMeadSimplex搜索方法对隶属度函数进行更新[50]。采用基于软计算的智能控制方法相对于基于模型的控制方法具有很多优势，特别是可以与传统控制方法相结合，完成对传统方法无法精确建模的非线性环节进行逼近，但是目前这些方法的研究绝大部分还处于仿真阶段，或在较简单的机器人（如单自由度或两自由度机器人）进行相关实验研究。其应用和工程实现受限的主要原因在于计算量大，但随着处理器计算能力的提高，这些方法还有广泛的应用前景。
1.1工业机器人。工业机器人的出现在一定程度上可替代人的劳动，对于高辐射、高噪声污染、高浓度有害气体的工作场合来说，工业机器人是一个理想的选择。工业机器人的发展经历了三个阶段，第一代工业机器人智能化程度较低，只能通过预设的程序进行简单的重复动作，无法应对多变的工作环境和工作岗位。随着科技的发展，在第一代机器人的基础上通过各种传感器的应用使其可通过对环境信息的获取、分析、处理并反馈给动作单元，从而进行一些适应性的工作，这种机器人虽然智能化程度较低，但已经在一些特定的领域得以成功应用。在机电一体化技术相对成熟的今天，第三代机器人的智能化水平已经得到了较大的提升，其可以通过强大的传感原件收集信息数据，并根据实际情况作出类似于人脑的判断，因此可以在多种环境下进行独立作业，但成本较高，在一定程度上限制了实际应用。
1.2分布式控制系统。分布式控制系统是相对于集中式控制系统而言的，是通过一台中央计算机对负责现场测控的多台计算机进行控制和指挥，由于其强大的功能和安全性，使其成为当前大型机电一体化系统的主流技术。根据实际情况分布式控制系统的层级可分为两级、三级或更多级，通过中央计算机完成对现场生产过程的实时监控、管理和操作控制等，同时，随着测控技术的不断发展与创新，分布式控制系统还可以对生产过程实现实时调度、在线最优化、生产计划统计管理等功能，成为一种集测、控、管于一体的综合系统，具有功能丰富、可靠性高、操作方便、低故障率、便于维护和可扩展等优点，因此使系统的可靠性大幅提高。
2机电一体化技术的发展趋势
2.1人工智能化。人工智能就是使工业机器人或数控机床模拟人脑的智力，使其在生产过程中具备一定的推理判断、逻辑思维和自主决策的能力，可大幅提升工业生产过程的自动化程度，甚至实现真正的无人值守，对于降低人力成本，提高加工精度和工作效率具有十分重要的意义。目前，人工智能已经不只是停留在概念上，因此可预见机电一体化技术将向着人工智能化的方向发展。虽然以当前的科学技术水平不可能使机器人或数控机床完全具备人类的思维模式和智力特点，但在工业生产中，使这些机电一体化设备具备部分人类的职能是完全可以通过先进的技术达到的。
2.2网络化。网络技术的发展给机电一体化设备远程监视和远程控制提供了便利条件，因此，将网络技术与机电一体化技术结合起来将是机电一体化技术发展的重点。在生产过程中，操作人员需要在车间内来回走动，对设备的状态进行掌握，并对机床的操作面板进行操作，通过在机电一体化设备与控制终端之间建立通信协议，并通过光纤等介质实现信息数据的传递，即可实现远程监视和操作，降低工人的劳动量，并且各种控制系统功能的实现，理论上来说都是建立在网络技术基础上的。
2.3环保化。在人类社会发展的最近几十年里，虽然经济得到了迅猛的发展，人们生活水平得到了显著的提高，然而以牺牲资源和环境为代价的发展模式使得人类赖以生存的环境遭到严重的污染，因此，在可持续发展战略提出的今天，发展任何技术都应当以对环境友好作为前提，否则就是没有前途的，故环保化是机电一体化技术发展的必然趋势。在机电一体化应用过程中，通过对资源的高效利用，并在制造过程中做到达标排放甚至零排放，产品在使用过程中对生态环境不造成影响，即便报废后也可对其进行有效回收利用，这就是机电一体化技术环保化的具体表现形式，符合可持续发展的要求。
2.4模块化。由于机电一体化装置的制造商较多，为降低系统升级改造的成本，并为维修提供便利，模块化将是一个非常有前途的研究方向。通过对功能单元进行模块化改造，可在需要增加或改变功能时直接将对应的功能模块进行组装或更换，即便出现故障，只需将损害的模块进行更换即可，工作效率极高，通用性的增强为企业节约了大量的成本。
2.5自带能源化。机电一体化对电力的要求较高，如果没有充足的电能供应就会影响生产效率，甚至由于停电造成数据的丢失等，因此通过设备自带动力能源系统可始终保持充足的电力供应，使系统运行更流畅。
3结语
传统的家居服务机器人通常无法突破用户心理上的固定观念，因为外观的机械性较强，人们无法将机器人当成生活的伙伴。在这个日新月异的社会中，人们追求的不是一个冰冷的机器，而是变化与新鲜，同时渴望有文化意味以及具有艺术情趣的产品。为了让使用者从心理上更容易接受，尤其是上了年纪的老人，在其外形的设计上需要花一定的笔墨，尤其是情感陪护机器人，它是有感彩的一个陪护，是使用者的一个伙伴。在本项目的设计中，独特流畅的流线型外观设计，力求突破用户心理上对家居服务产品的一贯认识，给用户带来视觉上全新的体验。该家居服务机器人在传统家居服务系统外观造型方面取得重大突破，将仿生设计概念植入产品设计当中，在强调产品本身具有较强服务功能的同时,将外观造型与仿生体系完美贴合，使产品更为美观实用。外形特征如图3所示，向上微微翘起的两翼，与魔鬼鱼结构相似，使产品更加轻盈灵动，整个产品外观更俏皮活泼。操作键与产品外观设计完美融合，不仅简洁美观，且更易于使用者辨识及操作，在实施监护的同时植入娱乐，简单明了的操作即可实现多种齐全的功能，丰富用户的使用体验。该设计简洁，拥有流畅简单的外观及结构，却又不失灵动与活力感，方便灵活的移动，功能齐全，方便用户在不同需求中使用，监护与娱乐同时兼顾，为使用者提供高效的工作及愉悦的心情。
2色彩设计
在为此模型配色的过程中，充分考虑到老年人的特征，他们对色彩的喜好，以及颜色对于老人的影响，照顾到他们心理的变化，情感的寄托等等。步入老年，人们就变得不再喜欢艳丽的色彩，更偏向于安然、素雅的风格，低调质朴也表现了他们对生活淡定的态度。如图4所示，在此配色方案中，白色象征单纯、圣洁、高尚，它与任何色相都容易取得调和，让所有色彩看起来更浓厚。蓝色内在，收敛，沉静的基本特质，另一方面蓝色是幽静的，绝无暖色的躁动与喧哗，凝望着蓝色能感受到那种悠远而深邃，宛如哲人超然的冥想[3]。混合了白色的紫色意味着特殊的优雅，高贵而矜持。蓝色与紫色对比，效果微妙，柔和，具有单纯性，很容易保持色彩统一。如图5所示，魔鬼鱼的主体选用偏暖的米黄色，想给老年人安静祥和的产品形象，改变了先前的苍白，低调中的明亮，增强了产品的活力，又不会过分强烈，非常适合老人的淡薄的性格。选藕荷色以及浅绿色是为了避免复杂的花色，让老人思想负担加重，认识更混淆。老人视觉退化，明度应比其他年龄段的使用者高一些，同时对于色系色彩不敏感，容易把青色与黑色、黄色与白色混淆[4]。所以在为按钮选择颜色的时候，应使用明亮的色彩，提醒老人这是一个按键。如图6所示，在此配色方案中，干净的白色为主体，与蓝色相调和，整体上流露出淡雅、古典、低调、大气的感觉。内敛沉静的蓝绿色，显得悠远而深邃，能够收敛虚浮的心性，崇尚理性，内省精神的文化，高雅稳重的灰色按钮，耐脏的同时，与纯净的白相对比，让人准确辨识按钮的位置。简约低调的色彩搭配，尽显机器人的高贵神秘，轻柔灵活，是时尚老年人的必备品。
3材料与工艺
在设计中，材料及工艺和设计的关系是密切相关的，材料及工艺是产品设计的物质技术条件，是产品设计的基础和前提。设计通过材料及工艺转化为实体产品，材料及工艺通过设计实现其自身的价值[5]。在家居服务机器人的材料选择上（如图7所示），整体外壳采用ABS工程塑料，并通过后期的处理，使表面产生磨砂的效果，使得机器人的外观更加柔和。因此，在两翼部分以及尾部，采用透明硅胶，其柔软的材质，可防止因撞击而损坏。同时柔软的材质，以其自身的特性影响着产品设计，满足产品功能要求的同时，增加了产品与人之间的亲近感，使产品与人的互动性更强[6]。
4人机交互设计
在界面的体现上有各种形式。此设计中加入LED用于区分产品在不同功能运用下的状态，产品开机之后LED灯开始工作，用户可以根据LED的颜色及亮度来判断产品的工作状态，LED灯亮起是工作状态的标志，该设计不仅实用性强而且使产品更为活泼生动，为用户在日常生活中的使用带来了极大的方便，如图8所示。在老年人接触机器人时，通过分析老年人的情感，来表现出符合其情感需求的情感，让老年人从心理上感觉到，这个机器人是人性化的，是具有情感的，也是积极的、有朝气的。
5小结
1工业设计目标
本项目的研究对象限定为在居家环境中使用的、身体有残障的老年人，主要研究方案以能为老年人提供包括生理及心理层面的人性化援助为中心而展开。设计目标是从形态、色彩、材质以及人机工程四方面改进家居服务机器人。改变机器人只按照既定的工作流程来工作,不能能动地适应环境,没有自学习能力，生硬无趣的形象，使得用户无法从心理上接受这些原本机械化的机器人产品。
2工业设计设计过程
魔鬼鱼又名蝠鲼（如图1所示），与“福分”同音。针对国内各地区各民族共同的喜好特点，注重吉利的中国人民喜欢谐音的产品，因此选择这一生物形象作为设计原型，能够更有针对性，更有效地树立具有亲和力的机器人形象。同时，对使用者而言，名称是引起其心理活动的刺激信号，具有帮助识别和记忆商品的基本心理功能，给使用者以视觉刺激感受和心理关联，从而改变对机器人的认知。此外，不仅因为其名字的巧妙，其可爱灵巧的外形也深得人们喜欢。将魔鬼鱼作为设计仿生的对象，在形态、颜色搭配上稍作修改，形成了此方案（如图2所示）。
2.1形态设计
传统的家居服务机器人通常无法突破用户心理上的固定观念，因为外观的机械性较强，人们无法将机器人当成生活的伙伴。在这个日新月异的社会中，人们追求的不是一个冰冷的机器，而是变化与新鲜，同时渴望有文化意味以及具有艺术情趣的产品。为了让使用者从心理上更容易接受，尤其是上了年纪的老人，在其外形的设计上需要花一定的笔墨，尤其是情感陪护机器人，它是有感彩的一个陪护，是使用者的一个伙伴。在本项目的设计中，独特流畅的流线型外观设计，力求突破用户心理上对家居服务产品的一贯认识，给用户带来视觉上全新的体验。该家居服务机器人在传统家居服务系统外观造型方面取得重大突破，将仿生设计概念植入产品设计当中，在强调产品本身具有较强服务功能的同时,将外观造型与仿生体系完美贴合，使产品更为美观实用。外形特征如图3所示，向上微微翘起的两翼，与魔鬼鱼结构相似，使产品更加轻盈灵动，整个产品外观更俏皮活泼。操作键与产品外观设计完美融合，不仅简洁美观，且更易于使用者辨识及操作，在实施监护的同时植入娱乐，简单明了的操作即可实现多种齐全的功能，丰富用户的使用体验。该设计简洁，拥有流畅简单的外观及结构，却又不失灵动与活力感，方便灵活的移动，功能齐全，方便用户在不同需求中使用，监护与娱乐同时兼顾，为使用者提供高效的工作及愉悦的心情。
2.2色彩设计
在为此模型配色的过程中，充分考虑到老年人的特征，他们对色彩的喜好，以及颜色对于老人的影响，照顾到他们心理的变化，情感的寄托等等。步入老年，人们就变得不再喜欢艳丽的色彩，更偏向于安然、素雅的风格，低调质朴也表现了他们对生活淡定的态度。如图4所示，在此配色方案中，白色象征单纯、圣洁、高尚，它与任何色相都容易取得调和，让所有色彩看起来更浓厚。蓝色内在，收敛，沉静的基本特质，另一方面蓝色是幽静的，绝无暖色的躁动与喧哗，凝望着蓝色能感受到那种悠远而深邃，宛如哲人超然的冥想[3]。混合了白色的紫色意味着特殊的优雅，高贵而矜持。蓝色与紫色对比，效果微妙，柔和，具有单纯性，很容易保持色彩统一。如图5所示，魔鬼鱼的主体选用偏暖的米黄色，想给老年人安静祥和的产品形象，改变了先前的苍白，低调中的明亮，增强了产品的活力，又不会过分强烈，非常适合老人的淡薄的性格。选藕荷色以及浅绿色是为了避免复杂的花色，让老人思想负担加重，认识更混淆。老人视觉退化，明度应比其他年龄段的使用者高一些，同时对于色系色彩不敏感，容易把青色与黑色、黄色与白色混淆[4]。所以在为按钮选择颜色的时候，应使用明亮的色彩，提醒老人这是一个按键。如图6所示，在此配色方案中，干净的白色为主体，与蓝色相调和，整体上流露出淡雅、古典、低调、大气的感觉。内敛沉静的蓝绿色，显得悠远而深邃，能够收敛虚浮的心性，崇尚理性，内省精神的文化，高雅稳重的灰色按钮，耐脏的同时，与纯净的白相对比，让人准确辨识按钮的位置。简约低调的色彩搭配，尽显机器人的高贵神秘，轻柔灵活，是时尚老年人的必备品。
2.3材料与工艺
在设计中，材料及工艺和设计的关系是密切相关的，材料及工艺是产品设计的物质技术条件，是产品设计的基础和前提。设计通过材料及工艺转化为实体产品，材料及工艺通过设计实现其自身的价值[5]。在家居服务机器人的材料选择上（如图7所示），整体外壳采用ABS工程塑料，并通过后期的处理，使表面产生磨砂的效果，使得机器人的外观更加柔和。因此，在两翼部分以及尾部，采用透明硅胶，其柔软的材质，可防止因撞击而损坏。同时柔软的材质，以其自身的特性影响着产品设计，满足产品功能要求的同时，增加了产品与人之间的亲近感，使产品与人的互动性更强[6]。
2.4人机交互设计
在界面的体现上有各种形式。此设计中加入LED用于区分产品在不同功能运用下的状态，产品开机之后LED灯开始工作，用户可以根据LED的颜色及亮度来判断产品的工作状态，LED灯亮起是工作状态的标志，该设计不仅实用性强而且使产品更为活泼生动，为用户在日常生活中的使用带来了极大的方便，如图8所示。在老年人接触机器人时，通过分析老年人的情感，来表现出符合其情感需求的情感，让老年人从心理上感觉到，这个机器人是人性化的，是具有情感的，也是积极的、有朝气的[6]。
3小结
关键词 工业机器人控制；教学改革；课程建设
中图分类号：G642.3 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2017）04-0097-03
Abstract According to the industrial robot control course teaching goals and needs of automation-robot major for application-oriented
institute， the reform and exploration methods of theory teaching and
practical teaching for industrial robot control course is discussed. The optimization measures of curriculum and practical arrangements are given. The result of curriculum reform has been applied in tea-
ching and good effect is obtained. It is useful to cultivate the student
practice and innovation ability， and to stimulate the students learning
initiative.
Key words industrial robot control； teaching revolution； course con-
struction
1 前言
近年恚随着制造业的快速发展，劳动力成本不断提高，工业机器人在全球范围内的需求急速增长，企业对高层次机器人专业技术人才的引进也将不断增加，如何培养高质量的机器人专业技术人才成为相关高校所面临的共同问题[1-3]。南京工程学院在2013年招收了第一届自动化（机器人）专业方向的本科生，目的在于培养高层次机器人专业技术应用型人才，能从事机器人系统设计与开发、技术集成，系统安装、运行、维护和技术管理等方面工作。在开设的相关课程中，工业机器人控制是自动化（机器人）专业方向的一门重要的专业课程，为进一步提升教学品质、完善教学策略。本文在对工业机器人控制课程教学大纲及教学现状进行分析的基础上，对其理论教学、实践教学以及课程考核方式进行改革探索。
2 课程特点及教学目标
课程特点 机器人控制系统在很大程度上决定了机器人的功能和性能。机器人控制涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多学科的内容。工业机器人控制技术的主要任务是控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态、轨迹、操作顺序及动作时间等。课程主要目的和任务是通过对工业机器人控制系统基本理论和最新进展的介绍，使学生掌握工业机器人常用的控制方法以及智能控制方法。
相比于研究生阶段开设的相关课程，本科阶段开设的工业机器人控制课程更注重应用实践能力的提高，在一定程度上弱化理论研究；同时，与高职院校开设的机器人控制实训课程也不同，应用型本科阶段开设的工业机器人控制课程应使学生在掌握控制理论知识的基础上，具备较高的提出问题、分析问题、解决问题的能力[4]。因此，在课程内容设置上，要兼顾理论学习与实践操作的有效融合与渗透。
教学目标 工业机器人控制课程的教学目标是要求学生掌握机器人运动学和动力学基础、机器人控制基础、机器人的位置控制和力控制、机器人智能控制技术、机器人轨迹规划等，要求学生不仅具备一定的理论分析能力，也要具备较高的解决实际问题的能力，使学生既不浮于理论之上而导致难以学以致用，也不会因为理论知识储备不足而导致难以具备以后继续学习的能力。
3 课程改革措施
南京工程学院自动化学院的工业机器人控制课程共48学时，其中理论教学40学时，实践教学8学时，是自动化（机器人）专业方向本科生的必修课程。工业机器人控制课程兼具理论学习与实践操作的教学要求，针对这一特点，在教学过程中，理论上应以引导为主，突出重点，做到深入浅出；而不是要求学生全盘推导复杂公式，否则可能导致学生在学习之初便难以理解而失去学习兴趣。在实践操作环节，应结合已讲授过的理论知识帮助学生理解机器人动作的原理与含义，将相关的运动学、动力学、控制方法、轨迹规划、传感器等知识有效渗透在实践操作过程中，而不是仅仅要求学生按照实验步骤完成机器人动作。理论学习与实践操作的相互渗透、相互结合，可帮助学生更深入理解机器人理论知识，同时加强学生的动手实践能力[5]。
理论教学方法改革 在40课时的时间里要完成工业机器人运动学、动力学、轨迹规划、位置控制、力控制、智能控制等方面的教学内容，知识点繁多，且其中不乏烦琐的公式推导。因此，要能够在有限的时间内让学生掌握关键知识点，教学内容的合理安排尤为重要，可从以下几个方面来进行理论教学的改革探索。
1）架构课程知识体系。可以在绪论部分通过给学生简单介绍工业机器人的工作过程，将后续要学习的相关知识点都容纳进来，给学生提供一条学习的主线，首先架构出完整的知识体系。如对于工业机器人的工作过程，简言之，就是通过规划，将要求的工作任务变为期望的力和运动，由控制环节根据期望的力和运动信号，产生相应的控制作用，以使机器人输出实际的力和运动，进而完成期望的工作任务；工业机器人实际运动的情况通常还要反馈给规划级和控制级，以便对规划和控制的结果做出适当的修正优化。工业机器人的这一工作过程如图1所示。
在上述概念中，自然地涵盖了课程的关键知识点，如何才能在工业现场实现机器人的上述动作过程？这一问题的提出，可大大激发学生的学习兴趣，若能配合相关的视频、动画、框图进行讲解，可进一步帮助学生了解课程内容与工业现场之间的关系，进而架构更完整的知识体系。
2）打牢数学基础。工业机器人控制技术涉及多种坐标系以及复杂的姿态变换、坐标变换等，这部分内容是课程重要的数学基础。一些重要概念一定要讲解透彻，如旋转矩阵的多种表示方法、齐次变换矩阵的含义等，可借助多媒体课件加深学生对各种变换的掌握。具体的公式不要求学生记住，但是一定要理解其含义，在此基础上进一步讲解通过MATLAB仿真软件完成相关计算的方法。也就是说，这部分内容要侧重讲解变换方法与MATLAB实现方法，弱化具w的运算。
3）控制方法要具体可行。工业机器人控制系统的构成包括中心控制器、驱动电路、电动机、减速器、传感器、相关硬件和软件等组成部分，对于多变量、非线性、耦合的复杂机器人系统，其控制方式也与一般伺服系统不同，控制方法的好坏是系统性能优劣的关键因素。尽管很多研究者对机器人的高级控制方法进行了很多研究，如变结构控制、自适应控制、智能控制等，但这些更多地偏重于理论与仿真研究，对于应用型本科院校的学生来说，在工业机器人控制这门课程的教学过程中，切不可让学生脱离机器人本体而仅浮于理论研究之上进行学习，应紧密结合机器人本体进行教学，从模型建立、模型简化、电动机伺服控制原理、电动机转速调整、单关节控制、多关节控制的耦合与补偿等各个方面讲解工业机器人控制系统的基本原理。可以讲解经典机器人案例的控制方法，如PUMA机器人，其伺服控制组成结构、位置控制系统实现原理、单关节控制、多关节控制等各个方面的内容都与机器人本体紧密相关，这种具体性、可实现性也可在一定程度上增强学生学习的信心。在此基础上引导学生深入学习一些机器人高级控制算法，并通过MATLAB对算法性能进行仿真对比，进一步掌握机器人各种控制方式的特点与控制算法的优劣。
实践教学方法改革 在实践教学部分，南京工程学院自动化学院采用的实验设备是汇博六自由度模块化可拆装串联机器人，该设备6个自由度的每个模块可以独立运行操作，并能按照统一接口任意组合成2～6自由度机器人。工业机器人控制课程的实践侧重于机器人运动学、动力学研究、驱动源电气参数的设置、机器人程序的编写、基于控制卡链接库和机器人链接库的VC编程等方面。
1）拓展实践教学内容。
首先，常规的示教、搬运装配等实验是大纲中要求的实验内容，为进一步提升学生对机器人工作原理、工作方式的认知程度，应结合实验设备进一步拓展实践教学内容。6个模块多样化的结构均体现了工业机器人的特点，涉及谐波减速、行星减速、同步带传动、蜗轮蜗杆传动以及齿轮传动等工业机器人常用的结构形式，因各模块均为透明封装，便于了解其具体结构原理，故可将其与实验室已有的搬运、焊接等工业机器人结合起来进行讲解，帮助学生掌握工业机器人的机械结构与传动原理。
其次，产品设备提供了控制卡链接库函数和机器人动态链接库，因此，要求学生在掌握控制卡链接库函数和机器人链接库函数的功能及调用方法基础上，能实现对机器人的二次开发，实现机器人复位、单轴运动、状态检测等多种控制，而不仅限于能操作设备自带的软件界面。
最后，实践环节还应设置相关的MATLAB仿真实验，将一些控制算法与工业机器人对象相结合，借助MATLAB软件对机器人的动力学特性进行分析，实现对机器人的仿真控制，通过直观的图文可以加深学生对控制算法的理解，动画仿真结果也可大大激发学生的学习兴趣。
2）实践考核方式多样化。在实践环节，教师应进一步优化实践考核评价体系，各环节的考核方式均应灵活多变，注重培养学生的创新能力。虽然大纲上已安排了具体的实验，但在实验过程中，仍然应根据学生的学习能力对其进行引导，鼓励学生积极思考，利用实验室现有设备提高自己对知识的综合应用能力，而不受限于仅完成已有实验项目。同时，应鼓励学生参加各种机器人大赛，在实践中综合运用各学科知识，提升知识应用的能力。将这些纳入实践环节的评价体系中来，可以增强学生学习的主动性。
4 结束语
通过对工业机器人控制课程理论环节和实践环节教学方法及考核方式的不断改革创新，在教学过程中取得一定的效果，改革成果在实际教学中的应用为培养自动化（机器人）专业方向的优秀人才打下坚实的基础。随着机器人技术的快速发展及企业对高层次机器人专业技术人才的大量需求，南京工程学院自动化学院将进一步完善工业机器人课程创新教学平台，进一步突出素质教育和工程应用能力的培养，注重学生学科知识、工程能力和专业素质的协调发展，让学生能以工程项目为背景，在工程应用中更深刻理解机器人控制理论知识，提升解决实际问题的能力和创新能力。
参考文献
[1]王建文，王剑，马宏绪.“机器人控制”课程建设研究[J].电气电子教学学报，2013，35（6）：4-6.
[2]程仙国，孙慧平，李占涛.《工业机器人技术》课程教学改革与实践[J].宁波工程学院学报，2015，27（4）：104-108.
[3]李庆龄.应用型本科工业机器人课程教学改革的探索与实践[J].中国教育技术装备，2013（21）：93-95.
关键词：工业机器人；教学；机电；控制
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.01.021
1 引言
目前，工业机器人正在全世界迅猛发展，中国的工业机器人市场也是一片欣欣向荣的景象。要实现“机器人替代人”除了需要先进的科学技术和制造工业技术之外，还需要一大批掌握工业机器人应用技术的专业性技术人才。与工业机器人结合最为紧密的专业，毫无疑问就是机电专业，工业机器人技术囊括了机械设计、机械制造和电子控制等几大专业。所以对于工业机器人教学，我们要把握准方向，要以机电方向为主，配合其他相关专业，真正的做到理论联系实际，培养出合格的工业机器人应用型人才。
2 工业机器人教学的基础课程
机器人学是一门综合了机械学、控制理论、电子学和力学的交叉性前沿学科。要想真正掌握工业机器人的应用技术，必须贮备一定理论的知识，否则仅仅是一名工业机器人操作工，而无法进一步的提升自我。工业机器人机电方向的基础核心课主要有机械工程制图、机械设计、机械原理、电子信息技术、机械控制理论、材料力学、理论力学和有限元分析等。机械工程制图是一切机械设计制造的基础，能绘制和看懂机械工程图是一个合格工业机器人应用工程师的基本能力。作为工业而机器人的使用者，不能仅仅关注机器的操作和使用，应当去探寻其实现的原理和方法。机械设计和机械原理很好为我们提供了这方面的途径。
3 工业机器人教学方法
工业机器人课程是兼具理论性和实践性的课程，对学生的要求不仅仅局限于对工业机器人本体机构和编程控制的了解，还起到培养学生创新性的作用。目前，各大本科及专科院校，对工业机器人的教学主要存在以下几点缺陷：
（1）课程进度快，内容抽象，学生理解困难。当前教学多运用多媒体教学，用幻灯片替代了以前板书，缺乏对机械理论的分析和公式的推导过程。虽然提高了教师的授课效率，但增加了学生理解的难度和较少了学生的思考时间。
（2）缺乏教学重点，知识点零星分散，学生难以从总体感知上有一个主观认识。首先，工业机器人教学既需要学习机器人的总体结构，还需要学习运动学、传动与驱动等，容易使学生产生迷惑，难以抓住重点。其次，工业机器人课程涉及到坐标方程变换、运动学方程及其推导、有限元的刚度矩阵计算和力雅克比与静力计算等，这一部分公式复杂、推导繁琐，是学生最缺乏耐心和兴趣的部分，但恰恰是这部分，才是这门课程的核心。
（3）教师主要是以理论讲解为主，缺少学生实际动手能力的锻炼。一方面，工业机器人设备昂贵，一般普通院校无力承担此费用；另一方面，即使开设实验课程也难以全方位覆盖全体学生，更不用说让学生独立完成工业机器人的设计任务。
针对工业机器人教学中所出现的问题，提出以下几点：1）明确工业机器人教学的核心任务。为了避免由于学科交叉对学生产生的困惑，可以以某一类型的工业机器人为参照，着重分析讲解，此类工业机器人的机械本体结构、运动方式、驱动原理、逻辑控制原理和末端轨迹规划等。通过此类工业机器人，使学生对机器人有一个全面的认识，关联所学的力学、电学等其他相关专业的知识，激发学生对工业机器人的兴趣。2）多媒体课件的内容仅仅是书本内容的提炼而已，难以提高学生的学习积极性。教师应当利用虚拟仿真技术和三维设计软件等工具，更加直观的表现工业机器人。比如，利用PROE、SOLIDWORKS和UG等三维设计软件绘制出某类型工业机器人的装配图和主要零部件图，使学生更加直观的认识机器人机构；利用前面建立的三维模型，运用ADAMS软件，对工业机器人的运动进行运动学分析。虚拟运动仿真与控制动画演示，让学生了解工业机器人真实的运动方式。3）由于经费和其他原因，工业机器人教学往往理论传授多于实验模拟。各大中专院校，应积极寻求与企业合作机会，以企业需求为导向，培养适合企业要求的应用型工业机器人人才。
4 工业机器人教学案列
如图1所示，取货机器人由四自由度组成，分别为行走自由度（Y方向）、臂伸缩自由度（X方向）、臂升降自由度（X方向）、臂回转自由度和爪张开自由度。将取货机器人分为五个子课题，分别选取不同专业学生进行设计，如表2所示。
通过将取货机器人结构的分解，将复杂问题简单化，待五组课题全部完成后，各小组之间相互学习，了解取货机器人的整体工作流程。 在老师的指导下，完成最后的总装配工程，用ADAMS软件，对工业机器人的运动进行运动学分析，虚拟运动仿真与控制动画演示，达到虚拟仿真的目的。此外，取货机器人在各大汽车厂使用较为普遍，通过校企联合的方式，组织学生实地考察，进一不了解取货机器人的工作环境和使用方法，做到理论联系实际。通过设计加考察的途径，加深学生对取货机器人的理解，使其不仅仅是工业机器人的“操作工”，更是工业机器人的应用专家。
5 结论
本文首先介绍工业机器人教学所需要的理论课程，其次分析传统工业机器人教学中存在的问题并创新性的提出交互式的教学方法，最后以取货工业机器人为案例进行分析。
