孟振華

（煙臺大學(xué)工程實訓(xùn)中心 山東·煙臺 264005）

機器人對提升我國制造業(yè)的全球競爭力發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。機器人在制造領(lǐng)域的普及必然要求高校培養(yǎng)大量具有復(fù)合知識結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才。[1]包括煙臺大學(xué)在內(nèi)的眾多高校也已陸續(xù)開設(shè)機器人專業(yè)和相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)課程。工程訓(xùn)練教學(xué)作為工程技術(shù)人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，更應(yīng)加速推進教育改革創(chuàng)新，以服務(wù)新工科的建設(shè)與發(fā)展的迫切需求為己任，緊跟現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展趨勢，積極響應(yīng)人才市場需求，建設(shè)以工程綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的機器人綜合創(chuàng)新實訓(xùn)平臺。

作為工程訓(xùn)練教學(xué)體系的第三層次，[2]工程綜合創(chuàng)新訓(xùn)練更加注重不同學(xué)科理論知識的交叉融合和各種工程技術(shù)能力的綜合應(yīng)用。因此，在工程綜合創(chuàng)新實訓(xùn)活動中，學(xué)生才是居于中心位置的主體，而教師在實訓(xùn)項目實施過程中更多起到的是方向引導(dǎo)的作用。綜合、開放、友好的新型實訓(xùn)平臺是工程綜合創(chuàng)新實訓(xùn)開展的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的工業(yè)機器人由于設(shè)備成本較高，控制系統(tǒng)開放程度低，操作危險性等因素，需要較高的專業(yè)操作技能要求，難以應(yīng)用于“以學(xué)生為主體”的工程綜合創(chuàng)新實訓(xùn)。煙臺大學(xué)工程實訓(xùn)中心利用實驗室開放項目，搭建了基于Arduino控制的五自由度搬運機器人實訓(xùn)平臺，并在此基礎(chǔ)上開展了工程綜合創(chuàng)新實訓(xùn)。

1 實訓(xùn)平臺設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

面向工程綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)的搬運機器人實訓(xùn)以培養(yǎng)學(xué)生自主進行機器人相關(guān)項目的設(shè)計、應(yīng)用能力為目的。因此，實訓(xùn)平臺的設(shè)計應(yīng)當(dāng)考慮以下幾點：（1）機械構(gòu)應(yīng)有普遍性、代表性，與常見六自由度工業(yè)機器人具有較高相似性；（2）控制器開放程度高，對學(xué)生友好，易于入門上手；（3）成本低，易于推廣，便于維護。

基于以上設(shè)計思想，模擬工業(yè)機器人上下料搬運應(yīng)用場景，設(shè)計五自由度關(guān)節(jié)型搬運機器人實訓(xùn)平臺。實訓(xùn)平臺由機械本體、驅(qū)動裝置、控制器三部分組成。

關(guān)節(jié)型搬運機器人機械本體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個機械手共有5個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，1個末端執(zhí)行器（手抓）。其中：第1關(guān)節(jié)（J1）軸線與水平面垂直，第 2、第3、第 4關(guān)節(jié)（J2、J3、J4）軸線與水平面平行，與第1關(guān)節(jié)（J1）軸線垂直，第5關(guān)節(jié)（J5）軸線與第 4 關(guān)節(jié)（J4）軸線相垂直。本實訓(xùn)平臺機械手的 J1、J2、J3、J4、J5關(guān)節(jié)的作用分別對應(yīng)6自由度關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的J1、J2、J3、J5、J6 關(guān)節(jié)。J1、J2、J3 關(guān)節(jié)用來確定機械手的空間位置，J4、J5關(guān)節(jié)用來控制末端執(zhí)行器（手抓）的空間姿態(tài)。為了保證大負載狀態(tài)下機械手臂的穩(wěn)定性，設(shè)計J2相對于J1有一個負向偏置。

5臺扭力15kg、轉(zhuǎn)動范圍0-270°標(biāo)準舵機，控制控制5個關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運動；1臺扭力15kg、轉(zhuǎn)動范圍0-180°的耐燒舵機，控制末端執(zhí)行器（手抓）的開合運動。

控制器是以ArduinoATMega328為核心，集成舵機驅(qū)動模塊的小型控制板。該控制器具有以下顯著優(yōu)點：（1）體積小、易于擺放，同時接口資源豐富，利于實訓(xùn)項目延伸擴展；（2）Ardu-ino IDE平臺開發(fā)語言簡單清晰，適合學(xué)生快速入門上手；（3）Arduino IDE平臺開發(fā)環(huán)境支持Windows、MacOS、Linux等系統(tǒng)，可在大多數(shù)計算機操作系統(tǒng)運行；（4）共享資源豐富，適合學(xué)生自主研究學(xué)習(xí)。[3]

圖1 關(guān)節(jié)型搬運機器人機械結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 運動學(xué)分析

根據(jù)標(biāo)準D-H法，以底面某一點為世界坐標(biāo)系（基座坐標(biāo)系）∑0，∑1-∑5坐標(biāo)系分別與J1-J5關(guān)節(jié)固連，坐標(biāo)系Z軸與關(guān)節(jié)軸線重合。根據(jù)各關(guān)節(jié)之間幾何關(guān)系以及標(biāo)準D-H參數(shù)定義法則確定機器人各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系位姿變換關(guān)系如圖2所示，五自由度搬運機器人標(biāo)準D-H運動學(xué)模型參數(shù)如表1所示。

表1 搬運機器人標(biāo)準D-H運動學(xué)模型參數(shù)

圖2 機器人各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系位姿變換關(guān)系

根據(jù)標(biāo)準D-H法關(guān)節(jié)坐標(biāo)變換規(guī)律，即：（1）繞Xi-1軸轉(zhuǎn)i-1角度；（2）沿Xi-1軸移動ai-1距離；（3）繞Zi軸轉(zhuǎn) i角度；（4）沿Zi-1軸移動di距離。[4]

借助Matlab Robotics Toolbox建立五自由度機械手運動學(xué)仿真初始狀態(tài)模型如圖3（a）所示。考慮到機械手待機狀態(tài)下舵機負載盡可能小的原則，將機械手零位狀態(tài)定義為：J1、J3、J5 關(guān)節(jié)偏移量為 0，J2、J4關(guān)節(jié)偏移量為 /2，如圖3（b）所示。

圖3 Matlab Robotics Toolbox運動學(xué)建模

2 實訓(xùn)項目設(shè)計

實訓(xùn)項目設(shè)計為模擬工業(yè)機器人進行貨物搬運，具體要求為：編程使用機械手將存放區(qū)域A的正方體物料從A點依次碼放到目標(biāo)區(qū)域B，如圖4所示。

圖4 機械手與存放區(qū)域、目標(biāo)區(qū)域關(guān)系

項目要求學(xué)生根據(jù)機械手性能和被搬運物體幾何尺寸確定存放區(qū)域中心點到機械手基座坐標(biāo)系中心點的距離，機械手機械坐標(biāo)系原點到目標(biāo)區(qū)域中心點距離；控制機械手完成搬運作業(yè)。實訓(xùn)項目實施分為三個階段：關(guān)節(jié)變量計算，控制程序編寫，運行調(diào)試。

2.1 關(guān)節(jié)變量計

圖5 機械手工作空間示意圖

表2 抓取過程各控制變量參數(shù)表

圖6 機械手逆運動學(xué)解析圖

2.2 控制程序編寫

通過查閱開源資料，將解析計算的結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制程序。本實訓(xùn)平臺所使用舵機的基準信號是周期20ms，占空比有效范圍0.5-2.5ms。1.5ms基準信號定義為中位信號，當(dāng)脈寬給1.5ms時對270°舵機來說就是控制其處于135°的位置。為了簡化控制復(fù)雜程度，本實訓(xùn)平臺主控板支持多個舵機控制指令，編寫控制程序主要使用以下三種指令：

舵機運動指令，格式為：#IndexPpwmTtime!其中，Index為3位，代表從000號開始要控制的舵機編號；pwm為4位，代表舵機高電平脈寬從500-2500 s，500代表舵機起始位置，即0°位置，2500代表最大行程位置；time為4位，代表從上一位置運行到當(dāng)前位置所用時間，取值范圍從0000-9999，單位ms。

停止指令：$DST!，舵機在運行過程中，接收到此指令將會停止所有舵機的運行，停在當(dāng)前位置。

復(fù)位指令：$DJR!，執(zhí)行該指令，舵機0號到5號舵機全部復(fù)位到1500的初始位置。

2.3 運行調(diào)試

運行調(diào)試環(huán)節(jié)主要是驗證控制程序的正確性和合理性。本實訓(xùn)平臺手抓為舵機控制，需要確定手抓開合度的理想設(shè)置，開合度偏大將導(dǎo)致手抓抓取不穩(wěn)，被抓取物體掉落，開合度偏小將導(dǎo)致舵機負載過大，燒毀舵機。通過調(diào)試修正1～5關(guān)節(jié)參數(shù)以及手抓開合度參數(shù)。以一個物體的抓取過程為例，通過逆運動學(xué)求解可得控制變量參數(shù)如表2所示，運行抓取程序如圖7所示。

圖7 搬運過程示意圖

3 總結(jié)

五自由度搬運機器人工程綜合實訓(xùn)以機器人運動學(xué)為理論支撐，通過搬運場景設(shè)計、搬運動作設(shè)計、運動參數(shù)計算、控制程序編寫以及調(diào)試優(yōu)化運動參數(shù)等一系列環(huán)節(jié)，模擬了關(guān)節(jié)機器人進行搬運、碼垛的工業(yè)應(yīng)用場景。在此過程中，學(xué)生作為實訓(xùn)教學(xué)活動的主體，發(fā)揮自身主觀能動性，運用所學(xué)理論知識，通過在實訓(xùn)平臺上進行大量實踐自主完成項目，在實訓(xùn)過程中收獲工程綜合創(chuàng)新能力。

五自由度搬運機器人綜合創(chuàng)新實訓(xùn)項目實施一年來取得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生通過實訓(xùn)實現(xiàn)了從被動學(xué)習(xí)到主動研究的模式轉(zhuǎn)變。此外通過實訓(xùn)對關(guān)節(jié)機器人控制有了進一步的了解，為日后參加各類學(xué)科競賽積累了實踐經(jīng)驗，打下良好基礎(chǔ)。