遲書凱 解則曉 黎明 牛炯

（中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島，266100）

機(jī)器人技術(shù)是自動化專業(yè)的一個重要的研究方向，集中了機(jī)械工程、電子技術(shù)、檢測技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制理論以及人工智能等多學(xué)科領(lǐng)域的最新研究成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就，是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一[1]，是電子、信息技術(shù)類課程及相關(guān)科技活動的良好載體。因此，以機(jī)器人作為研究對象開展實踐教學(xué)具有非常重要的意義，有利于開拓學(xué)生視野，從系統(tǒng)的角度培養(yǎng)學(xué)生對綜合知識的運用，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。但是，目前機(jī)器人應(yīng)用于實踐教學(xué)存在價格昂貴，技術(shù)開發(fā)難度大，設(shè)備使用率不高等問題。

1 機(jī)器人實踐教學(xué)現(xiàn)狀

國內(nèi)外許多高等院校都已開展了機(jī)器人教學(xué)工作。美國麻省理工學(xué)院在航空航天學(xué)、機(jī)械工程學(xué)和電氣工程與計算機(jī)科學(xué)等專業(yè)中開設(shè)了認(rèn)知機(jī)器人學(xué)、機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論、自控機(jī)器人設(shè)計競賽和機(jī)器人編程競賽等課程；俄勒岡州立大學(xué)電子工程與計算機(jī)系分別在電子設(shè)計概念導(dǎo)論、計算機(jī)原理與匯編語言和機(jī)械設(shè)計等多門課程中使用TekBots機(jī)器人作為學(xué)習(xí)平臺；我國清華大學(xué)在本科生實踐環(huán)節(jié)設(shè)置了機(jī)器人綜合實驗，包括人形機(jī)器人組和四腿機(jī)器人組兩組實驗；北京郵電大學(xué)為本科生開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，相應(yīng)的實驗課為機(jī)器人系統(tǒng)綜合性試驗[2]；浙江大學(xué)自動控制系開設(shè)了本科課程機(jī)器人學(xué)，在校內(nèi)組織了FIRA小型組足球機(jī)器人競賽等多種形式的機(jī)器人競賽活動?？傊瑖鴥?nèi)外高校廣泛開展了以機(jī)器人為對象的教學(xué)平臺建設(shè)，開設(shè)機(jī)器人技術(shù)課程、開展本科畢業(yè)設(shè)計的機(jī)器人實踐活動以及多層次機(jī)器人競賽活動。

我院在自動化專業(yè)的培養(yǎng)計劃中，開設(shè)了機(jī)器人技術(shù)、光機(jī)電控制系統(tǒng)專題實驗，數(shù)字圖像處理等本科生課程；在控制科學(xué)與工程研究生課程中開設(shè)了仿生機(jī)器人、機(jī)器視覺與視覺測量、模式識別等課程。在大學(xué)生創(chuàng)新活動開展方面，我院組織和參與了國內(nèi)外多項機(jī)器人競賽，包括“FIRA世界杯機(jī)器人足球賽”、“中國機(jī)器人大賽”、“中國水下機(jī)器人大賽”、“全國機(jī)器人錦標(biāo)賽”、“電腦鼠走迷宮”競賽等。從目前的實踐教學(xué)和創(chuàng)新活動看，針對大學(xué)生的機(jī)器人實踐活動側(cè)重于各種啟發(fā)性、趣味性的競賽類活動，實驗設(shè)備偏向于仿生機(jī)器人、小型機(jī)器人等，對于在目前工業(yè)界應(yīng)用廣泛、實用性強(qiáng)的工業(yè)機(jī)器人還未有涉及。

工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時間作業(yè)，或是在危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)。目前工業(yè)機(jī)器人在國內(nèi)外各個領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用。常用的工業(yè)機(jī)器人有串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人兩類，圖1為一種6軸串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人，圖2為DELTA并聯(lián)機(jī)器人。

圖1 通用6軸串聯(lián)機(jī)器人

圖2 DELTA并聯(lián)機(jī)器人

相對于6軸串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人，DELTA并聯(lián)機(jī)器人具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、精度高、速度快、成本低等特點，適合于完成精確抓取工作，被廣泛應(yīng)用于食品、制藥、包裝等工業(yè)現(xiàn)場。

從機(jī)器人教學(xué)角度來看，DELTA并聯(lián)機(jī)器人空間建模復(fù)雜度低、逆解算法和控制算法相對簡單，學(xué)習(xí)門檻低，適合作為入門級的工業(yè)機(jī)器人實驗系統(tǒng)。另一方面，該機(jī)器人可以實現(xiàn)復(fù)雜的高精度抓取控制，配合視覺系統(tǒng)等輔助設(shè)備可以實現(xiàn)高復(fù)雜度的綜合性和創(chuàng)新性實驗。因此，DELTA并聯(lián)機(jī)器人是開展機(jī)器人及其相關(guān)課程教學(xué)的很好平臺。

2 DELTA并聯(lián)機(jī)器人實驗系統(tǒng)及實驗內(nèi)容

結(jié)合教學(xué)和科研需要，我們自主開發(fā)了一套DELTA并聯(lián)機(jī)器人實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件由上位計算機(jī)、驅(qū)動控制柜、DELTA機(jī)器人本體、攝像機(jī)以及傳送帶等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 DELTA并聯(lián)機(jī)器人實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)各部分的功能如下：

自主研發(fā)的DELTA機(jī)器人 (圖4)機(jī)構(gòu)由靜平臺、動平臺、3根主動桿、3個平行四邊形從動支鏈組成。主動桿與靜平臺通過轉(zhuǎn)動副相連接，從動桿一端通過2個自由度的轉(zhuǎn)動副與主動桿相連，另一端通過U形關(guān)節(jié)與動平臺相連。3個平行四邊形從動支鏈保證了動平臺只能有3個方向的平動自由度。

上位計算機(jī)：采用工控機(jī)，內(nèi)部集成了多軸運動控制卡和工業(yè)攝像機(jī)控制卡，配置相應(yīng)的上位機(jī)軟件，可以采集圖像信息分析處理，通過通信線纜連接到驅(qū)動控制柜，通過驅(qū)動柜采集DELTA機(jī)器人和相關(guān)外設(shè)的狀態(tài)信息，并能完成對DELTA機(jī)器人和傳送帶的控制。

圖4 自制DELTA并聯(lián)機(jī)器人

驅(qū)動控制柜：由電源部分和電機(jī)驅(qū)動部分組成。電源部分負(fù)責(zé)給DELTA機(jī)器人、傳送帶供電。電機(jī)驅(qū)動部分包括用于DELTA機(jī)器人的（三只手臂電機(jī)和一只機(jī)械手末端電機(jī)）的驅(qū)動器、傳送帶電機(jī)的驅(qū)動器。驅(qū)動器受上位計算機(jī)的運動控制板卡控制。

攝像機(jī)：利用工業(yè)攝像機(jī)采集圖像信息，并傳送至上位機(jī)的圖像采集卡。

傳送帶：傳送帶用于傳送被抓取的物體，傳送帶速度可調(diào)，可用于測試機(jī)器人的控制性能。

DELTA并聯(lián)機(jī)器人實驗系統(tǒng)的硬件成本高，為了更充分地發(fā)揮機(jī)器人的教學(xué)作用，在機(jī)器人實驗系統(tǒng)的配套軟件開發(fā)中，要考慮到可擴(kuò)展性。為此，按照模塊化的設(shè)計思想，我們對DELTA并聯(lián)機(jī)器人實驗系統(tǒng)的軟件，進(jìn)行了分層規(guī)劃。

如圖5所示，系統(tǒng)的軟件可分為三層：設(shè)備驅(qū)動層、基礎(chǔ)模塊層、應(yīng)用調(diào)度層。

底層的設(shè)備驅(qū)動層軟件是對系統(tǒng)各種硬件外設(shè)的軟件驅(qū)動，主要包括相機(jī)驅(qū)動，機(jī)器人各軸電機(jī)驅(qū)動、傳送帶電機(jī)驅(qū)動以及各外設(shè)傳感檢測的驅(qū)動程序。

中間的基礎(chǔ)模塊層軟件調(diào)用設(shè)備驅(qū)動層的相關(guān)驅(qū)動軟件，開發(fā)相關(guān)核心算法，完成相應(yīng)的獨立功能，具有獨立的接口，能夠完成相對完整的單項功能，可以完成相應(yīng)的單項實驗。如相機(jī)標(biāo)定模塊、相機(jī)測量模塊、運動控制模塊等。

頂層的應(yīng)用調(diào)度層則調(diào)用下層的基礎(chǔ)模塊和設(shè)備驅(qū)動模塊，根據(jù)實驗需要組成完整的應(yīng)用程序，完成相應(yīng)的功能，能夠完成綜合設(shè)計型的實驗。

圖5 DELTA并聯(lián)機(jī)器人實驗系統(tǒng)軟件分層結(jié)構(gòu)圖

DELTA并聯(lián)機(jī)器人實驗系統(tǒng)涉及了本專業(yè)多門核心課程知識，針對這一特點，我們對實驗系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的模塊劃分并開發(fā)相應(yīng)的實驗項目，針對不同學(xué)習(xí)階段的學(xué)生，開發(fā)相應(yīng)難易程度的實驗內(nèi)容。

DELTA并聯(lián)機(jī)器人實驗系統(tǒng)，可開設(shè)的部分實驗項目見表1。

表1 ：DELTA并聯(lián)機(jī)器人實驗系統(tǒng)實驗項目

以綜合性實驗中的固定抓取實驗為例，主要針對高年級的本科生，實驗調(diào)用了基礎(chǔ)模塊中的運動控制模塊、運動軌跡規(guī)劃模塊等，通過頂層的應(yīng)用程序設(shè)計完成指定DELTA機(jī)器人對設(shè)定位置目標(biāo)物體的抓取并放到指定位置，運動控制模塊調(diào)用了設(shè)備驅(qū)動層的機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動模塊和傳感器驅(qū)動模塊等程序，對本科生開放接口用于開發(fā)頂層應(yīng)用程序時方便調(diào)用。

運動控制模塊開放接口包括了DELTA機(jī)器人各臂的PID參數(shù)設(shè)置接口，各軸電機(jī)的編碼器反饋觀察窗口以及運動關(guān)鍵點位坐標(biāo)設(shè)置窗口等。學(xué)生通過對系統(tǒng)控制框圖的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)和理解自動控制技術(shù)在機(jī)器人技術(shù)中的應(yīng)用，通過PID參數(shù)的設(shè)置和調(diào)節(jié)，學(xué)習(xí)和領(lǐng)會PID參數(shù)的計算方法和其對機(jī)器人系統(tǒng)的影響，可以通過關(guān)鍵運動點位坐標(biāo)的設(shè)置及編碼器數(shù)值反饋窗口反饋，實時觀察機(jī)器人的運動效果和控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。通過綜合系統(tǒng)的實驗提高學(xué)生對自動控制系統(tǒng)的理解，鞏固和加強(qiáng)理論課程學(xué)習(xí)的成果，了解自動化各專業(yè)課程和技術(shù)在實際工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用。

3 實驗運行與開發(fā)機(jī)制

與傳統(tǒng)針對一門課程開設(shè)相關(guān)課程實驗不同，DELTA并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)涉及自動化學(xué)科多門基礎(chǔ)課、專業(yè)課的相關(guān)知識，所運用的內(nèi)容范圍廣、跨度大，涉及到本科從大一到大四以及研究生的多門課程和多項實踐環(huán)節(jié)。另外，由于DELTA并聯(lián)機(jī)器人實驗系統(tǒng)是一個新開發(fā)的實驗系統(tǒng)，尚沒有一個成熟的實驗教學(xué)方法和教學(xué)方案，實驗運行需要一個持續(xù)的開發(fā)、改進(jìn)和創(chuàng)新過程。因此，DELTA并聯(lián)機(jī)器人實驗系統(tǒng)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用不能套用傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式和實驗運行機(jī)制。

針對DELTA并聯(lián)機(jī)器人實驗系統(tǒng)的實驗運行機(jī)制包括兩個方面，一是從教學(xué)的安排上，探索一種和理論教學(xué)相呼應(yīng)，貫穿于本科四年教學(xué)過程中的實驗運行機(jī)制；另一方面，在實驗項目的開發(fā)上，老師和學(xué)生共同參與實驗項目開發(fā)，不斷探索和推出創(chuàng)新性的實驗項目，進(jìn)行實驗教學(xué)。

3.1 貫穿教學(xué)過程

新的實驗運行機(jī)制結(jié)合實驗系統(tǒng)的實驗對象和實驗內(nèi)容，按照實驗對象的能力設(shè)計相應(yīng)的實驗項目，實驗項目貫穿本科一年級到四年級以及研究生的不同學(xué)習(xí)階段相應(yīng)課程的實踐環(huán)節(jié)，實驗項目由簡單至綜合，既能滿足不同層次學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的要求，又能充分發(fā)揮實驗系統(tǒng)的能力和優(yōu)勢。

在大一入學(xué)演示實驗的過程中，老師首先提出問題，讓同學(xué)們在學(xué)習(xí)過程中帶著問題學(xué)習(xí)，在相應(yīng)的課程學(xué)習(xí)中找到答案，在設(shè)計的相應(yīng)實踐環(huán)節(jié)中驗證答案，并能運用所學(xué)知識完成最終的綜合實驗。

大學(xué)新生入學(xué)時，往往對于所學(xué)專業(yè)缺乏感性、直觀的認(rèn)識，容易造成學(xué)習(xí)目的不明確，動力不足。在專業(yè)概論課程和認(rèn)識實習(xí)中增加相應(yīng)的實踐環(huán)節(jié)，設(shè)計相關(guān)演示實驗，如抓取演示、視覺識別演示、視覺跟蹤演示等，介紹自動化學(xué)科在實際生產(chǎn)中的典型應(yīng)用，讓同學(xué)們充分認(rèn)識自己所學(xué)知識和實際生產(chǎn)的緊密聯(lián)系。

系統(tǒng)講解機(jī)器人技術(shù)涉及的自動化相關(guān)課程和知識，使學(xué)生了解所學(xué)的內(nèi)容在實際工業(yè)現(xiàn)場如何應(yīng)用以及各門課程在機(jī)器人技術(shù)中的地位和作用，提高學(xué)生對于自動化學(xué)科的整體認(rèn)識，用趣味性的演示實驗直觀展示自動化學(xué)科在實際生產(chǎn)的成功應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識學(xué)習(xí)自動化學(xué)科的重要意義，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的綜合性，按涉及的知識和相關(guān)課程合理分解模塊，設(shè)計貫穿四年本科學(xué)習(xí)過程的實驗，如表1中所列出的驗證性實驗及綜合性實驗。

3.2 實驗內(nèi)容的開發(fā)和持續(xù)改進(jìn)

機(jī)器人系統(tǒng)屬于自動化學(xué)科領(lǐng)域的前沿科技，盡管DELTA并聯(lián)機(jī)器人在實際生產(chǎn)過程中已有應(yīng)用，但其涉及的很多知識有一定的深度和難度。

針對不同學(xué)習(xí)階段的學(xué)生，實驗內(nèi)容需要作對應(yīng)的設(shè)計和調(diào)整，DELTA并聯(lián)機(jī)器人實驗系統(tǒng)的實驗內(nèi)容開發(fā)和改進(jìn)如圖6所示。

對于系統(tǒng)軟件的底層驅(qū)動模塊和中間層的基礎(chǔ)模塊，開發(fā)和改進(jìn)方式有兩種，一是由指導(dǎo)教師主導(dǎo)設(shè)計相關(guān)研究生課程的實驗，指導(dǎo)研究生完成對相關(guān)模塊的設(shè)計開發(fā)和更新；二是根據(jù)本科生實驗過程中的實際需求反饋來設(shè)計相關(guān)的研究生實驗。在本科生的單元實驗和綜合實驗中，對相關(guān)模塊進(jìn)行調(diào)用，進(jìn)行頂層應(yīng)用調(diào)度層的組合和設(shè)計，完成相應(yīng)的實驗項目。目前，我們正在探索一種由指導(dǎo)教師設(shè)計和本科生實驗需求為驅(qū)動，由指導(dǎo)教師指導(dǎo)和研究生設(shè)計開發(fā)相結(jié)合的、持續(xù)開發(fā)和改進(jìn)實驗內(nèi)容的新模式。

圖6 實驗運行機(jī)制圖

4 總結(jié)

本文從機(jī)器人教學(xué)的重要性出發(fā)，介紹了機(jī)器人教學(xué)開展的現(xiàn)狀，進(jìn)一步結(jié)合我院自動化專業(yè)的培養(yǎng)計劃，分析了與機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的課程設(shè)置，提出了以DELTA并聯(lián)機(jī)器人實驗系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)實踐的思路，并詳細(xì)介紹了實驗系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)以及在實際應(yīng)用中的實驗內(nèi)容規(guī)劃和實驗運行機(jī)制設(shè)置。

我們期望，通過合理的實驗項目規(guī)劃和有效的試驗運行機(jī)制，能夠最大限度地發(fā)揮DELTA并聯(lián)機(jī)器人自身的優(yōu)勢，使實驗系統(tǒng)在本科生和研究生的實踐教學(xué)中發(fā)揮盡可能大的作用，豐富自動化專業(yè)本科生和研究生的實踐教學(xué)內(nèi)容。

[1] 柳洪義，宋偉剛. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002：1.

[2] 魏世民. 北京郵電大學(xué)機(jī)器人教學(xué)與競賽實踐[J].北京：機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2008( 5)：31-33.