王傳江，孫秀娟，樊炳輝，張志獻(xiàn)，江 浩

(山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島 266590)

0 引言

機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)品在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展也越來(lái)越受到世界各國(guó)的高度重視。國(guó)外高校開展“機(jī)器人”教育相對(duì)較早，尤其是日本自1996年開始，先后在多個(gè)高校開展了機(jī)器人專業(yè)人才的培養(yǎng)，設(shè)置了具體的課程體系和培養(yǎng)規(guī)劃［1］。近年來(lái)，我國(guó)很多高校開始重視機(jī)器人技術(shù)方面本科生人才的培養(yǎng)，開展了多種機(jī)器人教學(xué)競(jìng)賽和實(shí)驗(yàn)相關(guān)的課題，有的設(shè)置了機(jī)器人專業(yè)方向，設(shè)定了具體的“機(jī)器人”課程體系及教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等［2-5］。機(jī)器人專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)，在我國(guó)將越來(lái)越受到重視。

我校在機(jī)器人技術(shù)與產(chǎn)品的研究已有20多年，積累了豐富的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，先后成功研制了能夠應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人等產(chǎn)品。2009年，我校修訂本科生培養(yǎng)方案，設(shè)立了機(jī)器人專業(yè)方向，目標(biāo)是培養(yǎng)從事機(jī)器人產(chǎn)品研發(fā)及應(yīng)用的技術(shù)人才，開設(shè)了機(jī)器人相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)課程及專業(yè)課程，并依靠我校山東省機(jī)器人與智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)科研儀器設(shè)備及優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)室條件，開展了機(jī)器人創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并結(jié)合科研課題，研制了6自由度假肢機(jī)器人創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)在2014年第三屆高等學(xué)校自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備評(píng)選及優(yōu)秀作品展示活動(dòng)中獲得優(yōu)秀獎(jiǎng)。

1 假肢機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)搭建

假肢機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，控制系統(tǒng)采用嵌入式工控機(jī)和嵌入式ARM系統(tǒng)方案，外圍硬件接口包括3個(gè)USB、2個(gè)RS232、網(wǎng)絡(luò)接口以及顯示屏等;傳感器系統(tǒng)負(fù)責(zé)感知機(jī)器人的位姿和待抓取的目標(biāo)物體所處的位置信息，包括激光傳感器、姿態(tài)傳感器、觸覺傳感器以及陀螺儀等。

圖1 機(jī)器人創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上，開展了假肢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，假肢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由大臂、小臂、手腕、手掌、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)等組成［6］。包括6個(gè)自由度:分別是大臂前后、內(nèi)外擺動(dòng)、小臂彎曲、手腕旋轉(zhuǎn)、手腕俯仰以及手掌開合，前5個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)采用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，只有手掌開合采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)采用輕型鋁合金材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，以減輕機(jī)械本體機(jī)構(gòu)的重量。

圖2 假肢機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

該假肢機(jī)器人通過(guò)激光傳感器和姿態(tài)傳感器對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行定位，根據(jù)系統(tǒng)模型求解出各自由度舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，按照設(shè)計(jì)的控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)自由度的穩(wěn)定可靠控制。也可以利用示教再現(xiàn)的功能完成對(duì)放置在不同設(shè)定位置的物體進(jìn)行抓取、放置等實(shí)驗(yàn)。并且在抓取、放置物體的過(guò)程中，依靠陀螺儀的檢測(cè)和控制器的控制輸出，手腕關(guān)節(jié)能夠自動(dòng)保持平衡狀態(tài)，同時(shí)依靠滑覺傳感器和壓力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的可靠抓取。嵌入式工控機(jī)是系統(tǒng)的主控單元，采用VC軟件進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)各種控制任務(wù)和算法實(shí)現(xiàn)。嵌入式ARM主要實(shí)現(xiàn)手腕部的自動(dòng)平衡控制，采用C語(yǔ)言進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。

2 創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

假肢機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可采用項(xiàng)目式教學(xué)方式為本科生開展具體的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)［7］。在開設(shè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)之前，應(yīng)先修“電路”、“模擬電電子技術(shù)”、“數(shù)字電電子技術(shù)”、“傳感器”、“單片機(jī)”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”、“C語(yǔ)言”、“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”、“伺服與驅(qū)動(dòng)”和“機(jī)器人學(xué)”等課程。項(xiàng)目式創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要包括“機(jī)器人手臂單關(guān)節(jié)控制實(shí)驗(yàn)”、“機(jī)器人手臂的手部自平衡控制實(shí)驗(yàn)”、“機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的示教再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)”、“機(jī)器人手臂對(duì)隨機(jī)目標(biāo)物體的抓取、移動(dòng)與放置實(shí)驗(yàn)”、“觸覺感知實(shí)驗(yàn)”，同時(shí)也可進(jìn)行“語(yǔ)音命令信號(hào)的識(shí)別與處理實(shí)驗(yàn)”等。

2.1 手臂單關(guān)節(jié)控制實(shí)驗(yàn)

通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人手臂各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)的控制?？刂苾?nèi)容包括機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度和位置信號(hào)，以及手掌開合運(yùn)動(dòng)的速度和位置信號(hào)，如圖3所示。圖中，1～5號(hào)舵機(jī)分別是大臂前后擺動(dòng)、大臂內(nèi)外擺動(dòng)，小臂彎曲，手腕旋轉(zhuǎn)和手腕俯仰五個(gè)自由度的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，直流電機(jī)是手掌開合的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

圖3 單關(guān)節(jié)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖

該實(shí)驗(yàn)可鍛煉學(xué)生自行設(shè)計(jì)小型直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路的能力，以及驗(yàn)證PID算法、模糊控制算法等的應(yīng)用及性能比較。同時(shí)，可鍛煉學(xué)生應(yīng)用RS485/RS232通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字舵機(jī)的控制以及PID控制算法的調(diào)試與驗(yàn)證。

2.2 手部自平衡控制實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容是對(duì)手腕關(guān)節(jié)的姿態(tài)進(jìn)行控制，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)陀螺儀傳感器知識(shí)的理解與掌握。通過(guò)手腕部的陀螺儀傳感器裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)手腕姿態(tài)的感知測(cè)量，根據(jù)水平角度的誤差信號(hào)來(lái)決定手腕部電機(jī)的控制輸出量。圖4示出假肢機(jī)器人手臂在端杯模擬喝水的過(guò)程中，手部的自動(dòng)平衡控制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。同樣，在完成喝水動(dòng)作后將水杯放置到桌面指定位置的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，也需要保持手腕的自動(dòng)平衡狀態(tài)。

圖4 手部自平衡控制實(shí)驗(yàn)

2.3 手臂運(yùn)動(dòng)示教再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)

在本科生修完“機(jī)器人學(xué)”課程后，方可進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)。示教再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)是指機(jī)器人針對(duì)特定或固定位置的物體的抓取與放置的實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。由于被操作物體的位置信息是已知的，因此，可以根據(jù)示教過(guò)程中保存的各個(gè)位置的信息，然后在實(shí)際操作過(guò)程中，根據(jù)被操作物體所處的具體位置，再現(xiàn)機(jī)械臂的示教位置。從而可以控制機(jī)械臂在指定的A、B、C和O等位置上抓取或放置目標(biāo)物體。圖5(a)是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖，圖5(b)是機(jī)器人手臂末端移動(dòng)位置及方向指示圖。具體機(jī)器人針對(duì)哪個(gè)位置進(jìn)行示教再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，則由實(shí)驗(yàn)操作人員的命令來(lái)決定。

圖5 示教再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)示意圖

2.4 手臂隨機(jī)目標(biāo)抓取實(shí)驗(yàn)

隨機(jī)目標(biāo)抓取實(shí)驗(yàn)是對(duì)機(jī)器人手臂前方任意位置的目標(biāo)物體進(jìn)行抓取、放置操作的實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。該實(shí)驗(yàn)主要鍛煉學(xué)生理解與掌握“機(jī)器人學(xué)”課程的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解問(wèn)題，學(xué)會(huì)坐標(biāo)變換與推導(dǎo)。在假肢機(jī)器人的肩部和頭部各安裝一個(gè)姿態(tài)傳感器，其中肩部姿態(tài)傳感器作為基礎(chǔ)坐標(biāo)系的姿態(tài)描述，頭部姿態(tài)傳感器用來(lái)檢測(cè)頭部姿態(tài)相對(duì)于肩部的變化情況。在頭部安裝的激光傳感器，用于檢測(cè)目標(biāo)物體的空間距離。具體應(yīng)用時(shí)，通過(guò)頭部的左右轉(zhuǎn)動(dòng)或者上下轉(zhuǎn)動(dòng)，將激光傳感器對(duì)準(zhǔn)隨機(jī)目標(biāo)物體進(jìn)行測(cè)距，然后計(jì)算兩個(gè)姿態(tài)傳感器的輸出信號(hào)的差值，得到頭部相對(duì)于肩部的姿態(tài)變化量，并建立坐標(biāo)系:激光傳感器坐標(biāo)系E、頭坐標(biāo)系H、脖根坐標(biāo)系N、肩坐標(biāo)系S。在坐標(biāo)系E中描述目標(biāo)的坐標(biāo)值M，坐標(biāo)值M可通過(guò)激光傳感器獲得;在坐標(biāo)系H中描述E的位姿，E相對(duì)H的位姿變換取決于激光傳感器在頭部的具體安裝方位;在坐標(biāo)系N中描述H的位姿;坐標(biāo)系N與S間的變換取決于肩部的寬度。目標(biāo)M通過(guò)坐標(biāo)矩陣jKi轉(zhuǎn)換，就可得到假肢機(jī)器人基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的目標(biāo)坐標(biāo)P=SKN·NKH·HKE·M。根據(jù)P即可計(jì)算出機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)假肢機(jī)器人手臂末端實(shí)時(shí)跟蹤激光定位目標(biāo)物體的實(shí)驗(yàn)效果。

圖6 隨機(jī)目標(biāo)抓取實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了假肢機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的研制，綜合了多學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，配置豐富，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，能夠?yàn)楸?、?？圃盒５淖詣?dòng)化、機(jī)械、檢測(cè)、電子信息等專業(yè)的本科生、研究生開展機(jī)器人學(xué)、控制算法、傳感器信號(hào)采集、信號(hào)處理、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、虛擬仿真和人機(jī)工程等方面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或課程設(shè)計(jì)課題，有助于提高學(xué)生硬件調(diào)試動(dòng)手能力、編程能力和算法設(shè)計(jì)能力，具有很好的教學(xué)性、科學(xué)性、創(chuàng)新性、啟發(fā)性和實(shí)用性，具有推廣價(jià)值。

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