代小林，梁瑩林

(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，成都 611731)

·實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、探索與創(chuàng)新·

仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)合的機(jī)器人學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)

代小林，梁瑩林

(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，成都 611731)

機(jī)器人學(xué)課程實(shí)驗(yàn)涉及內(nèi)容多、知識面寬，能鍛煉和提高學(xué)生的動手能力。提出利用SimMechanics對機(jī)器人實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)動學(xué)反解、軌跡規(guī)劃等環(huán)節(jié)進(jìn)行充分的仿真分析，再通過實(shí)物實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。利用該方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)增加了學(xué)生對知識的理解，取得了良好的效果。

機(jī)器人學(xué)實(shí)驗(yàn)；SimMechanics仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)物實(shí)驗(yàn)

機(jī)器人學(xué)是機(jī)械工程、自動化等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)選修課，其課程實(shí)驗(yàn)涉及機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析、軌跡規(guī)劃、控制算法等知識，能培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的動手能力。由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時與設(shè)備臺套數(shù)有限，實(shí)驗(yàn)中要進(jìn)行大量的公式計(jì)算、代碼編程和調(diào)試，在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生并沒有足夠的時間掌握機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、軌跡規(guī)劃和控制器的設(shè)計(jì)方法[1]。另外，機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求較高，由本科低年級學(xué)生使用時，常出現(xiàn)因控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)造成設(shè)備損壞甚至傷人的危險情況。

因此，提出利用機(jī)器人仿真軟件[2]和實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，即學(xué)生先利用Matlab/SimMechanics軟件[3]建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所用的多關(guān)節(jié)機(jī)器，設(shè)計(jì)單關(guān)節(jié)控制器，搭建運(yùn)動學(xué)分析和軌跡規(guī)劃模塊；然后，通過仿真軟件對各算法進(jìn)行驗(yàn)證；最后，安全有效地進(jìn)行機(jī)器人實(shí)物操作實(shí)驗(yàn)。

本文介紹了使用Matlab/Simulink中的SimMechanics工具箱建立機(jī)器人的剛體模型、單關(guān)節(jié)PID控制器、運(yùn)動學(xué)模塊、軌跡規(guī)劃模塊、機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及控制軟件，總結(jié)了這種仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的意義。

1 基于SimMechanics的機(jī)器人建模

1.1 機(jī)器人本體建模

典型多關(guān)節(jié)機(jī)器人如圖1所示，它由底座、旋轉(zhuǎn)大臂、旋轉(zhuǎn)小臂、升降手三個關(guān)節(jié)組成，可實(shí)現(xiàn)三維空間的自由運(yùn)動。

圖1 多關(guān)節(jié)機(jī)器人示意圖

SimMechanics工具箱為多體機(jī)械動力學(xué)系統(tǒng)提供了直觀有效的建模分析手段，所有工作均在Simulink環(huán)境中完成。該工具箱[4]提供大量對應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)的元件，如剛體、鉸鏈、約束、坐標(biāo)系統(tǒng)、作動器和傳感器等。建立多關(guān)節(jié)機(jī)器人本體模型如圖2所示。

圖2 基于SimMechanics的機(jī)器人本體模型

利用SimMechanics工具箱提供虛擬顯示功能，機(jī)器人的三維模型如圖3所示。

圖3 機(jī)器人的虛擬樣機(jī)

1.2 機(jī)器人的控制模塊

SimMechanics提供了傳感器、作動器模塊，通過這兩類模塊，Simulink工具箱可以直接與機(jī)器人模型交互。單關(guān)節(jié)PID控制器[5]框圖如圖4所示。

圖4 機(jī)器人的單關(guān)節(jié)控制框圖

本實(shí)驗(yàn)在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行軌跡規(guī)劃，即給定機(jī)器人在起始點(diǎn)、終止點(diǎn)的坐標(biāo)，然后，通過運(yùn)動學(xué)解算出起始點(diǎn)和終止點(diǎn)關(guān)節(jié)臂的角度和距離值。根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)反解算法，可解得大臂與基座之間的關(guān)節(jié)角θ1：

大臂與小臂之間的關(guān)節(jié)角θ2：

(2)

升降手的關(guān)節(jié)距離d：

d=l3-z

(3)

式中：x、y、z為關(guān)節(jié)機(jī)器人末端的坐標(biāo)，單位為m；l1、l2、l3為機(jī)器人大臂、小臂和升降手的桿長尺寸，單位為m。

本實(shí)驗(yàn)采用三次多項(xiàng)式進(jìn)行插值，即需要4個參數(shù)確定機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軌跡。根據(jù)機(jī)器人在起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的位移和速度四個約束條件，可得到三次多項(xiàng)式的系數(shù)：

(4)

式中：θ0為關(guān)節(jié)變量θ1、θ2和d的初值；θf為關(guān)節(jié)變量θ1、θ2和d的終值；tf為從起始點(diǎn)運(yùn)動到終止點(diǎn)的時間。

依據(jù)上述參數(shù)，即可得機(jī)器人關(guān)節(jié)的插值軌跡：

θ(t)=a0+a1t+a2t2+a3t3

(5)

當(dāng)用SimMechanics完成機(jī)器人本體和單關(guān)節(jié)控制模塊的搭建后，即可用Simulink工具箱按照式(1)～式(5)編寫運(yùn)動學(xué)分析反解及軌跡規(guī)劃算法，并開展仿真和調(diào)試工作。

2 機(jī)器人實(shí)物實(shí)驗(yàn)

多關(guān)節(jié)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)臺由工業(yè)計(jì)算機(jī)、伺服電機(jī)控制卡、伺服電機(jī)驅(qū)動器、機(jī)器人機(jī)械本體組成，如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)室提供的軟件框架用VC編寫，該框架對控制卡的讀寫操作進(jìn)行封裝，設(shè)置了定時器、交互式界面等，學(xué)生利用該軟件框架完成編程工作。軟件的運(yùn)行過程如下：

圖5 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)臺

1)從界面上讀取機(jī)器人起始點(diǎn) (x0,y0,z0) 和終止點(diǎn)(xf,yf,zf)的坐標(biāo)；

2)利用式(1)～式(3)編寫運(yùn)動學(xué)反解程序，計(jì)算出機(jī)器人各關(guān)節(jié)變量的初始值和終止值；

3)利用式(4)計(jì)算各關(guān)節(jié)的插值多項(xiàng)式的系數(shù)；

4)用VC的定時器進(jìn)行計(jì)時，并在時間中斷服務(wù)函數(shù)中按式(5)計(jì)算各關(guān)節(jié)變量的當(dāng)前值，然后，調(diào)用控制電機(jī)運(yùn)行的底層函數(shù)，控制機(jī)器人運(yùn)動。

3 教學(xué)效果

4 結(jié)束語

將虛擬仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法應(yīng)用于機(jī)器人學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生先設(shè)計(jì)算法后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，加深了學(xué)生對知識的理解，使學(xué)生充分掌握機(jī)器人的基本理論、典型算法的分析和設(shè)計(jì)方法，為今后的學(xué)習(xí)和工作奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

該方法不僅使學(xué)生深入掌握機(jī)器人的相關(guān)知識，而且使其接觸到計(jì)算機(jī)仿真的基本概念和原理，為系統(tǒng)地學(xué)習(xí)專業(yè)知識打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 熊有倫. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,1996.

[2] 安愛琴.虛擬技術(shù)在液壓與氣壓傳動教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].河南科技學(xué)院學(xué)報，2012(12):100-102.

[3] 于凌濤, 張楠, 張立勛，等. 3-RPS并聯(lián)機(jī)器人靜力學(xué)研究及SimMechanics仿真[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, 2010,31(8):1061-1065.

[4] 薛定宇. 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)—Matlab語言與應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2006.

[5] 胡壽松.自動控制原理[M].5版.北京:科學(xué)出版社,2007.

Experiment Teaching of Robotics Theory Course Combined withSimulation and Traditional Experiment

DAI Xiaolin LIANG Yinglin

(School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

Robotics course experiment involves amounts of different fields and knowledges, which could improve the abilities of students. SimMechanics is proposed to adequately simulate the inverse kinematics, trajectory planning and other aspects in the course, and then practical experiments are utilized to verify the algorithm. It helps students to understand the knowledge and is proved to be effective.

robotic experiment; SimMechanics simulation; experimental teaching; traditional experiment

2013-12-25；修改日期: 2014-02-12

中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(ZYGX2012J106)。

代小林(1978- )，男，博士，講師，研究方向：并聯(lián)機(jī)器人、控制系統(tǒng)軟件開發(fā)、電液伺服系統(tǒng)的智能控制。

TP273；G642.426

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.021