錢鈞 訾斌 錢森

[摘 要] 針對工業(yè)機器人控制系統(tǒng)封閉和現(xiàn)有實驗教學(xué)設(shè)備功能有限的現(xiàn)狀，自主設(shè)計了一款機器人手臂開放式控制實驗平臺。該平臺以3D打印機械手為被控對象，使用低成本開源控制器，控制系統(tǒng)支持機器人操作系統(tǒng)（ROS），可以開展機器人關(guān)節(jié)運動控制、手臂協(xié)調(diào)控制等實驗，有助于學(xué)生掌握機器人控制的基本理論和軟件編程。

[關(guān)鍵詞] 機器人;控制;機器人操作系統(tǒng);實驗教學(xué)

[基金項目] 2019年度安徽省重大教學(xué)改革研究項目“高校機器人技術(shù)高端人才培養(yǎng)方法研究”;2019年度合肥工業(yè)大學(xué)研究生精品課程建設(shè)項目“復(fù)雜機電系統(tǒng)設(shè)計理論”;2018年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“面向‘中國制造2025的機器人實驗室建設(shè)研究”

[作者簡介] 錢 鈞（1979—），男，安徽舒城人，工學(xué)博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事移動機器人技術(shù)研究;訾 斌（1975—），男，江蘇徐州人，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事柔性驅(qū)動機器人研究;錢 森（1988—），男，山東棗莊人，工學(xué)博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事柔索并聯(lián)機器人研究。

[中圖分類號] G642.423? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號]1674-9324（2020）35-0388-02? ? [收稿日期]2020-10-15

一、機器人課程實驗教學(xué)存在的主要問題

高校工業(yè)機器人課程教學(xué)中，工業(yè)機器人的組成、運動學(xué)、動力學(xué)、路徑規(guī)劃和控制等主要內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)、互成體系，另外，機器人控制是教學(xué)的重點和難點?，F(xiàn)有成熟的工業(yè)機器人產(chǎn)品和實驗設(shè)備通常側(cè)重于運動控制精度和性能，控制或仿真軟件功能強大。

但從教學(xué)的角度看，由于開放程度有限，不便于學(xué)生學(xué)習和驗證機器人控制算法、關(guān)節(jié)電機控制、視覺檢測、數(shù)據(jù)通信等關(guān)鍵技術(shù)，無法最大程度用于機器人課程和實驗教學(xué)。目前，很多教學(xué)、實驗人員對機器人教學(xué)過程中存在的問題進行了深入的探討，包括教學(xué)實驗方法研究[1]、實驗室建設(shè)[2]，以及研制新型實驗教學(xué)儀器和設(shè)備[3-5]等，取得了很好的教學(xué)效果。在開展工業(yè)機器人課程實驗教學(xué)時，如何將理論教學(xué)內(nèi)容中的機器人機械結(jié)構(gòu)、運動學(xué)、控制、路徑規(guī)劃、感知、編程等技術(shù)形成有機的整體，使學(xué)生更好的理解理論知識，并通過編程進行實驗驗證，是形成閉環(huán)教學(xué)體系的關(guān)鍵。

本教學(xué)團隊在十多年的工業(yè)機器人課程教學(xué)過程中，總結(jié)理論和實踐教學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合相關(guān)機器人研究成果，研發(fā)了機器人手臂開放式控制實驗平臺。該平臺獲得了2018年“第五屆全國高等學(xué)校教師自制實驗教學(xué)儀器設(shè)備創(chuàng)新大賽及優(yōu)秀作品展示活動”三等獎。

二、機器人手臂開放式控制實驗平臺的研制

該實驗平臺以3D打印的多自由度機器人手臂結(jié)構(gòu)為原型，使用低成本開源控制器和電腦，設(shè)計機器人手臂的控制系統(tǒng)，分別實現(xiàn)多個關(guān)節(jié)電機的獨立控制和手爪的運動控制;并使用視覺傳感器進行物體檢測和機器人自動抓取。該平臺的外觀和組成如圖1所示。

1.機械系統(tǒng)。機器人手臂由五自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，分別由伺服電機和步進電機驅(qū)動，兩指手爪的開合運動由舵機驅(qū)動。為了便于調(diào)試和進行主從遙控實驗，設(shè)計了機器人主手，由三軸飛行搖桿和自制三自由度操縱桿組成，角度測量分別使用了霍爾角位移傳感器和光電編碼器。

2.控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由下位機和上位機組成。下位機為兩個BeagleBone Black開源控制器，分別控制多個關(guān)節(jié)電機。該控制器支持Linux操作系統(tǒng)和機器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）。上位機使用電腦，進行路徑規(guī)劃和運動學(xué)計算，另外進行視覺傳感器數(shù)據(jù)采集和處理，將控制指令傳送給底層的開源控制器，控制機器人手臂和手爪運動。

該實驗平臺使用低成本控制器和開源軟件編程，支持機器人操作系統(tǒng)（ROS），實現(xiàn)了機器人手臂多個關(guān)節(jié)之間的協(xié)作和多個控制器之間的數(shù)據(jù)通信，為開展機器人實驗教學(xué)、進行機器人控制程序設(shè)計提供了開放式控制實驗平臺。

三、平臺在機器人實驗教學(xué)中的應(yīng)用

為了配合工業(yè)機器人課程教學(xué)，結(jié)合機器人手臂開放式控制實驗平臺的功能和特點，開展了以下機器人實驗教學(xué)內(nèi)容：

1.主從遙控實驗。通過手動操縱機器人主手，獲得三自由度操縱桿、三軸飛行搖桿反饋的角度變化值，轉(zhuǎn)換成機器人手臂相應(yīng)關(guān)節(jié)的運動指令，分別用于控制機器人手臂的臂關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)和手爪動作，從而手動控制機器人手爪在操作空間中的位置和姿態(tài)，進一步驗證關(guān)節(jié)變量空間和手爪操作空間之間的幾何關(guān)系。

2.運動控制實驗。通過對底層控制器程序的學(xué)習和設(shè)計，掌握關(guān)節(jié)電機控制的實現(xiàn)過程。通過在上位機中進行基于ROS的軟件編程，完成機器人運動學(xué)、動力學(xué)計算和空間路徑規(guī)劃，進行關(guān)節(jié)運動控制、多軸協(xié)調(diào)控制，控制手爪的運動。學(xué)生可以進行三維可視化設(shè)計，以及加入避障功能。

3.機器視覺實驗。通過在機器人手爪上、或者在天花板上安裝視覺傳感器，進行視覺圖像、景深圖像采集和處理，研究機器視覺算法，檢測目標物體的空間位置，控制機器人手臂運動到目標物體位置，完成自動抓取、搬運和釋放物體實驗。

該平臺將機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感器組成完整的整體，便于學(xué)生建立“系統(tǒng)”的概念。學(xué)生通過編寫控制程序，對機器人關(guān)鍵技術(shù)進行驗證，實現(xiàn)所需控制功能，使學(xué)生從底層軟、硬件設(shè)計著手開展機器人設(shè)計，從而更好的理解和驗證機器人技術(shù)，培養(yǎng)編程和動手能力。因此，該平臺可以鍛煉學(xué)生的編程思維、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

針對機器人實驗教學(xué)過程中控制、軟件編程訓(xùn)練薄弱等問題，設(shè)計了一款機器人手臂開放式控制實驗平臺，具有多自由度、分層控制、主從遙控、運動控制和開源的特點。通過開展關(guān)節(jié)控制、多軸協(xié)調(diào)控制和機器視覺等實驗，使學(xué)生掌握機器人控制和軟件的精髓，適用于本科生和研究生開展機器人實驗，具有很好的開放性和推廣價值。

參考文獻

[1]郭東亮，保延翔，劉樹郁，等.綜合性大學(xué)自動化專業(yè)機器人實踐教學(xué)體系探索[J].實驗室研究與探索，2017（3），212-216.

[2]田軍營，韓建海，魏冰陽.高校工業(yè)機器人實驗室建設(shè)路徑探討[J].中國教育技術(shù)裝備，2018（2），74-76.

[3]鄺禹聰.面向?qū)嶒灲虒W(xué)的六自由度機器人開發(fā)[D].華南理工大學(xué)，2017.

[4]李頎，強華.工業(yè)機器人實驗教學(xué)平臺[J].實驗技術(shù)與管理，2018（4），166-170.

[5]錢鈞，訾斌，周蓉.可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺在機器人本科實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2017（24），267-268.