錢鈞+訾斌+周蓉

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

摘要：針對(duì)機(jī)器人課程的多學(xué)科交叉特點(diǎn)和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備功能有限的現(xiàn)狀，自主設(shè)計(jì)了一款開放式可升降雙軸隨動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)。該轉(zhuǎn)臺(tái)具有三個(gè)自由度，可以開展底層運(yùn)動(dòng)控制、傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)與跟蹤實(shí)驗(yàn)，具有很好的開放性，對(duì)機(jī)器人本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有良好的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；轉(zhuǎn)臺(tái)；開放性

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）24-0267-02

一、機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問題

高校機(jī)器人課程是一門多學(xué)科綜合交叉的邊緣學(xué)科。隨著中國(guó)制造的產(chǎn)業(yè)化升級(jí)和“中國(guó)制造2025”政策的發(fā)布，對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域的專業(yè)人才需求量越來越大，機(jī)器人教學(xué)應(yīng)當(dāng)積極應(yīng)對(duì)這一變化，順勢(shì)而為。針對(duì)高校機(jī)器人課程教學(xué)中存在的問題，已有很多相關(guān)的研究和探索，旨在改進(jìn)課程教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。然而，機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然存在諸多問題，包括實(shí)驗(yàn)儀器開發(fā)、實(shí)驗(yàn)方法研究和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等，僅靠教學(xué)人員或?qū)嶒?yàn)人員均無法獨(dú)立解決。筆者多年從事機(jī)器人教學(xué)和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：首先，組成機(jī)器人的機(jī)械、控制和感知系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的知識(shí)內(nèi)容相互孤立；其次，機(jī)器人教學(xué)、科研和應(yīng)用開發(fā)等用途之間相互孤立。二者分別對(duì)應(yīng)微觀、宏觀兩個(gè)層面的“孤島效應(yīng)”，制約了學(xué)生對(duì)機(jī)器人課程關(guān)鍵知識(shí)的理解和吸收，無法形成完整的閉環(huán)?，F(xiàn)有的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器存在功能、開放程度、與課程體系的結(jié)合程度等方面的不足，無法滿足新形勢(shì)下機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。為此，自主研制了一款開放式可升降雙軸隨動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)。該轉(zhuǎn)臺(tái)獲得了安徽省首屆高等學(xué)校自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備展評(píng)活動(dòng)一等獎(jiǎng)和第四屆全國(guó)高等學(xué)校自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備評(píng)選活動(dòng)三等獎(jiǎng)。

二、開放式可升降雙軸隨動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的研制

該轉(zhuǎn)臺(tái)是一款由可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制的三自由度云臺(tái)，由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。通過在轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝視覺傳感器，可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)與跟蹤。

1.機(jī)械系統(tǒng)。由升降、偏航和俯仰機(jī)構(gòu)組成。升降機(jī)構(gòu)使用電動(dòng)缸帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)在豎直方向上直線移動(dòng)。偏航、俯仰機(jī)構(gòu)使用直流伺服電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速和同步帶傳動(dòng)后，分別繞豎直、水平轉(zhuǎn)軸做回轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在水平轉(zhuǎn)軸上安裝了視覺傳感器，通過轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多視角圖像采集。

2.控制系統(tǒng)。底層控制器為西門子S7-1214 PLC及其擴(kuò)展模塊，用于進(jìn)行電機(jī)控制、編碼器數(shù)據(jù)采集和輸入輸出控制等。上位機(jī)使用筆記本電腦，用于進(jìn)行視覺傳感器圖像采集與處理、以及三自由度運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)計(jì)算。為了跟蹤運(yùn)動(dòng)物體的方位，使其始終處于圖像中心位置，使用插補(bǔ)算法，計(jì)算每個(gè)自由度的關(guān)節(jié)變量。最后，通過以太網(wǎng)通信，將計(jì)算值傳遞給PLC，控制轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并返回編碼器數(shù)據(jù)。為了便于調(diào)試，分別使用電子手輪、無線遙控手柄進(jìn)行精確、粗略手動(dòng)控制，并使用觸摸屏進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該轉(zhuǎn)臺(tái)既是教學(xué)、科研實(shí)驗(yàn)臺(tái)，同時(shí)也是一款具有實(shí)用價(jià)值的機(jī)電產(chǎn)品。

三、轉(zhuǎn)臺(tái)在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

為了配合機(jī)器人本科課程教學(xué)，結(jié)合開放式可升降雙軸隨動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的功能和特點(diǎn)，開展了以下機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

1.底層運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。使用PLC進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)的底層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，繪制電氣控制原理圖。使用順序控制設(shè)計(jì)法，編寫相應(yīng)的控制程序，進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。學(xué)習(xí)用于控制步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)的PLC程序設(shè)計(jì)及相關(guān)運(yùn)動(dòng)功能模塊。進(jìn)行電機(jī)的位置、速度控制實(shí)驗(yàn)和PID參數(shù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的手動(dòng)輸入裝置和人機(jī)交互裝置。

2.傳感器實(shí)驗(yàn)。內(nèi)部傳感器實(shí)驗(yàn)：使用光電編碼器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)角。利用PLC的高速脈沖輸入端口和程序中的高速脈沖計(jì)數(shù)器，進(jìn)行升降、偏航和俯仰電機(jī)對(duì)應(yīng)的編碼器脈沖數(shù)據(jù)采集和處理。另外，為了精確測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)每個(gè)轉(zhuǎn)軸的零點(diǎn)位置，通過增加使用增量式光電編碼器，檢測(cè)編碼器的Z信號(hào)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的零點(diǎn)檢測(cè)程序，進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)回零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。外部傳感器實(shí)驗(yàn)：使用視覺傳感器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體測(cè)量。在轉(zhuǎn)臺(tái)的U形架上安裝視覺傳感器，使用筆記本電腦進(jìn)行圖像采集和處理，進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺算法實(shí)驗(yàn)，包括物體顏色識(shí)別、邊緣輪廓提取和中心位置提取等，從而檢測(cè)視角范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)物體的位置。

3.機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)。研究機(jī)器視覺算法和多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)與跟蹤實(shí)驗(yàn)。多軸協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)：在使用手動(dòng)方式控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，升降、偏航、俯仰運(yùn)動(dòng)各自獨(dú)立進(jìn)行。為了讓轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝的傳感器或末端執(zhí)行器能夠在三維空間中任意運(yùn)動(dòng)，在筆記本電腦上進(jìn)行軟件編程，協(xié)調(diào)控制升降、偏航和俯仰電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。分別進(jìn)行雙軸旋轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)控制和三軸協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)控制。運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)與跟蹤實(shí)驗(yàn)：將具有顯著顏色或幾何形狀特征的物體放在轉(zhuǎn)臺(tái)前方，通過手拿該物體任意運(yùn)動(dòng)，使用視覺傳感器檢測(cè)該物體，計(jì)算該物體的位置和運(yùn)動(dòng)速度，然后使用插補(bǔ)算法計(jì)算轉(zhuǎn)臺(tái)每個(gè)轉(zhuǎn)軸的角度。將轉(zhuǎn)臺(tái)每個(gè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速信號(hào)通過以太網(wǎng)傳送給底層控制器，由PLC分別控制轉(zhuǎn)臺(tái)的每個(gè)轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，從而使視覺傳感器始終對(duì)準(zhǔn)該運(yùn)動(dòng)物體的中心位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤功能。上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：在筆記本電腦上進(jìn)行Windows程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行檢測(cè)、路徑規(guī)劃和插補(bǔ)計(jì)算，通過以太網(wǎng)通信將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給底層控制器，并返回編碼器測(cè)量值，監(jiān)控轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。設(shè)計(jì)圖形化軟件界面，模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的三維動(dòng)態(tài)變化過程。本科生通過參加轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)，可以從系統(tǒng)的角度理解如何自動(dòng)控制機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)，并利用外部傳感器實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán)控制。本文設(shè)計(jì)的基于視覺傳感器的運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)與跟蹤，僅是轉(zhuǎn)臺(tái)的典型應(yīng)用示例。學(xué)生只要獲得底層運(yùn)動(dòng)控制器的通信接口規(guī)范，即可進(jìn)行不同用途的應(yīng)用開發(fā)。因此，該轉(zhuǎn)臺(tái)可以鍛煉學(xué)生的邏輯思維、系統(tǒng)性思維和發(fā)散思維能力，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

四、結(jié)論

針對(duì)機(jī)器人課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)性不強(qiáng)、聯(lián)系不緊密等問題，設(shè)計(jì)了一款開放式可升降雙軸隨動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，通過在轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝視覺傳感器，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)與跟蹤功能。該轉(zhuǎn)臺(tái)可以提供底層運(yùn)動(dòng)控制、傳感器實(shí)驗(yàn)和機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)，適用于本科生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有很好的開放性和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷靜桃，劉亮，張海洪.“機(jī)器人學(xué)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（5）.

[2]郭艷婕，桂亮，金悅.基于本科生的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與探索.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2015，18（1）.

[3]容愛瓊.“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法.教育教學(xué)論壇，2016，（8）.

[4]薛文平，李康吉.《工業(yè)機(jī)器人》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐.2014，12（1）.

[5]趙京，衛(wèi)沅.機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)踐方法及應(yīng)用.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（11）.

[6]于莉.機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探討.高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2010，105（3）.