梁瑩林,王文一

摘要：本文對傳統(tǒng)智能機電實驗存在的主要問題進行了分析，并結(jié)合我校專業(yè)學(xué)科特點提出了一種基于四自由度機器手平臺的新實驗方案，培養(yǎng)學(xué)生獨立進行機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計、分析、調(diào)試和創(chuàng)新設(shè)計能力。

關(guān)鍵詞：智能機電綜合實驗；實踐創(chuàng)新能力；人才培養(yǎng)

中圖分類號：G642.423 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）01-0209-03

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，用人單位對畢業(yè)生的創(chuàng)新意識和知識綜合運用能力提出了更高的要求，這促使高等院校工科類實踐教學(xué)不斷深入改革，探索新的實驗教學(xué)內(nèi)容，突出學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力培養(yǎng)。四自由度機器手是我校2006年購進的實驗平臺，面向全校工科專業(yè)的本科學(xué)生開設(shè)智能機電綜合設(shè)計選修實驗，旨在培養(yǎng)學(xué)生對機電一體化系統(tǒng)的分析與設(shè)計能力。然而學(xué)生的工程實踐與創(chuàng)新能力都應(yīng)建立在具有扎實的軟、硬件知識基礎(chǔ)之上，而且需要有較好的切入點，使學(xué)生的實踐能力在已有的技術(shù)基礎(chǔ)之上通過實驗得到進一步提高。傳統(tǒng)的驗證性實驗內(nèi)容沒有涉及完整的機電系統(tǒng)設(shè)計，對學(xué)生綜合運用課堂知識進行設(shè)計的能力鍛煉也不夠，已不能滿足當(dāng)前人才培養(yǎng)的要求。因此本文基于該機器手實驗平臺提出了一種新的實驗方案，該方案結(jié)合我校專業(yè)學(xué)科特點，培養(yǎng)學(xué)生的軟、硬件綜合設(shè)計和調(diào)試能力，對提高實驗教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)創(chuàng)新人才發(fā)揮了較好的作用。

一、實驗平臺的組成與原理

四自由度機器手采用平面關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)型式，其原理如圖1所示。機器手的1、2和3軸在水平面上旋轉(zhuǎn)運動，Z軸通過螺旋副將電機的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為垂直升降運動，其中1、2軸由交流伺服電機驅(qū)動，3、Z軸由兩相混合式步進電機驅(qū)動。電氣控制采用“計算機+運動控制卡”的方式，計算機內(nèi)部安裝了基于ISA總線的電機運動信號接口卡，通過編寫程序可輸出電機驅(qū)動器所需的相應(yīng)控制指令和信號。此外，各軸運動的極限位置安裝有光電開關(guān)，通過程序檢測邏輯信號可防止相應(yīng)的軸超出運動范圍，起到保護作用。

二、傳統(tǒng)智能機電實驗存在的主要問題

1.學(xué)生對實驗平臺的機電控制原理理解模糊。該平臺是由機械傳動、電氣控制和軟件系統(tǒng)三大部份有機結(jié)合的典型機電一體化系統(tǒng)，僅靠講解系統(tǒng)的組成，學(xué)生不能深入了解系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，同時也對機器手的運動控制過程理解很模糊。這將成為后期控制軟件編寫的最大障礙，特別是完整的自由運動程序編制，不利于調(diào)動學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。因此，在實驗訓(xùn)練中必須要有能夠?qū)⒏鞑糠帚暯拥木C合性設(shè)計內(nèi)容。

2.軟件設(shè)計訓(xùn)練內(nèi)容不夠系統(tǒng)和全面。機器手的控制算法智能與否，是通過程序設(shè)計體現(xiàn)的，綜合性的控制程序編制是建立在具備高級程序設(shè)計理論的基礎(chǔ)之上。盡管學(xué)生在課堂教學(xué)中已經(jīng)學(xué)習(xí)過相關(guān)編程理論，但是，如果沒有系統(tǒng)和全面的軟件設(shè)計訓(xùn)練，實驗就無法很好地起到理論知識與工程實踐的橋梁作用。

3.實驗以驗證為主，沒有自主設(shè)計環(huán)節(jié)。每次實驗過程中，總會有學(xué)生提出一些新穎的想法，希望能夠進行自主設(shè)計，但是由于實驗平臺缺少配置、學(xué)生對軟件開發(fā)環(huán)境不熟悉等各種原因，不可避免地將實驗局限在以驗證和演示為主的內(nèi)容上，從而導(dǎo)致實驗內(nèi)容的水平和質(zhì)量難以提升。

三、實驗教學(xué)的改進與實踐

我校的工科專業(yè)特色是以電子信息為主，學(xué)生的興趣傾向于電路系統(tǒng)設(shè)計與軟件設(shè)計，諸如VC++、Protel等各類軟、硬件開發(fā)平臺在各類課程中都有提及甚至使用過。因此在這樣一個大環(huán)境背景中，只要對學(xué)生加以訓(xùn)練，將課堂教學(xué)和實際應(yīng)用緊密聯(lián)系起來，提高實驗的整體水平并非難事。對于少數(shù)能力較強的學(xué)生，還可適當(dāng)增加拓展性實驗內(nèi)容，引導(dǎo)他們進行自主創(chuàng)新設(shè)計。

1.步進電機的驅(qū)動信號接口電路設(shè)計。步進電機配套具有標(biāo)準(zhǔn)接口的驅(qū)動器，只需要輸入脈沖和方向信號。以實際使用的驅(qū)動信號接口電路設(shè)計作為實驗的開始，既能讓學(xué)生從熟悉的專業(yè)方向入手，容易激起其學(xué)習(xí)興趣；同時對步進電機的驅(qū)動原理有了深刻的理解，為往后的控制程序設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)；更重要的是，該電路的設(shè)計不但要清楚計算機指令如何設(shè)置脈沖頻率和方向，還要掌握計算機接口和電路硬件的相關(guān)知識，而且對機電驅(qū)動技術(shù)也要很熟悉，屬于軟、硬件結(jié)合的綜合性設(shè)計。接口電路原理圖如圖2所示，由2個計數(shù)器芯片8253控制3軸和Z軸。每個8253共有3個計數(shù)器，工作在方式2（分頻器）下的計數(shù)器2為計數(shù)器0提供時鐘輸入，它將外部晶振的2MHz信號分頻為134KHz，原因是步進電機的最高運行頻率一般不大于200KHz；計數(shù)器0工作在方式3（方波發(fā)生器）下，輸出頻率可控的脈沖驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，頻率的高低決定了相應(yīng)機器手關(guān)節(jié)的運動速度；計數(shù)器1工作在方式0（計數(shù)器）下，用于計數(shù)0輸出脈沖的計數(shù)，當(dāng)計數(shù)達到預(yù)設(shè)值時，其OUT1引腳變?yōu)楦唠娖?，?jīng)過反相器74HC04后使計數(shù)器0的門控信號為低電平，停止脈沖輸出，從而實現(xiàn)了機器手關(guān)節(jié)的角位移量控制。并口芯片8255的PC0與PC1引腳輸出步進電機轉(zhuǎn)向控制信號，PB0~PB3引腳用于檢測限位開關(guān)信號，防止機器手的運動超出極限范圍。

計算機地址總線A23~A2位的狀態(tài)通過譯碼器74HC138轉(zhuǎn)為各芯片的片選信號，A1、A0位則對應(yīng)了芯片中相應(yīng)的寄存器地址，各功能控制指令的端口地址如表1所示。對于伺服電機的控制接口卡，其原理也與此類似。

2.基于VC++開發(fā)平臺，以功能模塊化編程為主要教學(xué)內(nèi)容。VC++6.0是目前應(yīng)用最廣泛的開發(fā)平臺之一，通過編寫完整的控制程序，學(xué)生對典型機電系統(tǒng)的控制軟件設(shè)計有了深刻的了解，同時工程實踐能力也得到了綜合的鍛煉?；镜膶嶒瀮?nèi)容按功能可以分為3部分：人機界面、計算機I/O端口操作和機器手關(guān)節(jié)控制。利用MFC App Wizard向?qū)Чぞ邉?chuàng)建一個初步的應(yīng)用程序，在工程中添加程序運行所需的資源文件，如各種頭文件、動態(tài)鏈接庫、系統(tǒng)文件等，并且在對話框界面中添加控制系統(tǒng)所需的各種控件以及一些關(guān)于實驗的信息，從而完成整個人機界面的設(shè)計。根據(jù)信號接口電路，步進電機控制與限位信號是通過I/O口直接進行操作來實現(xiàn)。然而，Window的保護模式不允許對I/O直接進行操作，必須通過調(diào)用WinIO.dll庫中的InitializeWinIo（）函數(shù)進入內(nèi)核模式，實現(xiàn)對I/O的直接讀寫，在使用結(jié)束后再調(diào)用ShutdownWinIo（）退出內(nèi)核。I/O口操作舉例如下：_outp（0x26b，0x02）；//8255的PC1=1，3軸正轉(zhuǎn)；_outp（0x263，0x36）；//計數(shù)器0，方式3，產(chǎn)生方波；value=0x01&（_inp（0x269））；//讀8255的PB0引腳。

機器手生產(chǎn)廠家以動態(tài)鏈接庫的形式提供了控制板卡驅(qū)動Kld.dll文件，函數(shù)庫中包括伺服和步進電機位置運動、伺服PID參數(shù)設(shè)置、限位信號獲取等10多個功能函數(shù)。其中，步進電機控制與限位信號獲取的相關(guān)函數(shù)功能與通過I/O口直接進行操作是等效的，前者是后者封裝在函數(shù)庫中的結(jié)果。學(xué)生經(jīng)過此前的I/O端口操作實驗，已經(jīng)對其實現(xiàn)過程（包括軟硬件）有了深入的了解，能夠清楚地知道每一個入口參數(shù)的作用。機器手的關(guān)節(jié)控制主要是根據(jù)各關(guān)節(jié)的脈沖當(dāng)量，調(diào)整各關(guān)節(jié)運動參數(shù)之間的關(guān)系，使機器手的末端最終達到對準(zhǔn)確、快速定位的目的。

3.增加圖像采集與處理為拓展實驗內(nèi)容。在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，傳感技術(shù)是機電一體化系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵性技術(shù)，其水平高低決定了系統(tǒng)的自動化程度。傳感檢測已不再局限于邏輯信號和簡單的模擬量，圖像采集與處理成為目前機器人技術(shù)中較為熱門的研究方向。盡管圖像處理算法的入門臺階較高，普通本科生難以完成算法方面的實驗內(nèi)容，但是，對一些學(xué)有余力且具有強烈探索欲望的學(xué)生（通常占上課人數(shù)的20%左右），卻是激發(fā)他們獨立設(shè)計的一個極好切入點。通過引導(dǎo)這部分優(yōu)秀學(xué)生采用攝像頭獲取動、靜態(tài)圖像，并自主進行圖像識別算法設(shè)計，可以為他們今后參與相關(guān)科研或工程項目打下基礎(chǔ)，同時也使得實驗更具完整性和趣味性。視頻設(shè)備進行圖像采集主要是通過在VC++中，使用微軟公司多媒體編程接口開發(fā)工具包DirectX9.0中的DirectShow捕捉視頻流，以及CCaptureVideo視頻捕捉類進行啟動、關(guān)閉、截取靜態(tài)圖像等操作。

完整的機器手控制程序運行界面如圖3所示。

新的實驗方案為學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力提供了良好的實踐平臺，大大提高了學(xué)生做實驗的積極性。學(xué)生通過設(shè)計接口電路和編寫完整的控制程序，對典型機電系統(tǒng)的構(gòu)成及其智能控制方法有了深入的了解，同時培養(yǎng)了學(xué)生綜合運用課程知識進行工程實踐的能力，也為進一步探索機器人的創(chuàng)新功能提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本實驗從2009年開始進行探索性改革，面向全校各專業(yè)學(xué)生開設(shè)跨專業(yè)的創(chuàng)新選修實驗，取得了良好的教學(xué)成果。

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作者簡介：梁瑩林（1983-），男，廣西人，助理工程師，碩士，研究方向為機電測控的教學(xué)與研究。