應(yīng)振強(qiáng) 張林 吳振宇
摘 要 為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)足式機(jī)器人的步態(tài)控制,本文提供了基于Freescale K60的一種相對(duì)易行的控制器設(shè)計(jì)方案。介紹了控制器任務(wù)調(diào)度方案、基本模塊設(shè)計(jì)、步態(tài)算法設(shè)計(jì),以及通訊方案。
【關(guān)鍵詞】旋轉(zhuǎn)足式機(jī)器人 步態(tài) 六足機(jī)器人
足式機(jī)器人能夠通過移動(dòng)足靈活地調(diào)整行走姿態(tài),具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力,但往往速度慢,負(fù)載少;輪式機(jī)器人解決了以上問題,但往往只能應(yīng)用于平地運(yùn)輸。UlucSaranli提出了一種旋轉(zhuǎn)足式的機(jī)器人[1],使得其能夠兼得兩者的優(yōu)點(diǎn),不僅可以全地形奔跑,還可以越障、爬梯、跳躍、甚至用兩腿直立行走。但與此同時(shí),靈活性也帶來(lái)了控制的復(fù)雜性,為了使機(jī)器人完成復(fù)雜多樣的任務(wù),需要編寫方便擴(kuò)展的軟件。本文旨在提供旋轉(zhuǎn)足式機(jī)器人步態(tài)控制器設(shè)計(jì)的一種可行方案。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
要完成爬梯,越障,運(yùn)動(dòng)物體跟隨、地形探測(cè)等任務(wù),系統(tǒng)需要配備攝像頭,如果要完成更豐富的任務(wù),就需要安裝更多的傳感器。應(yīng)付諸多的數(shù)據(jù)需要強(qiáng)勁的處理器,應(yīng)采用嵌入式技術(shù)來(lái)解決,而對(duì)于完成步態(tài)控制則完全可以通過一款性能較低的處理器,無(wú)需嵌入操作系統(tǒng),直接通過裸機(jī)實(shí)現(xiàn)。
本系統(tǒng)采用S3C6410處理視覺和行動(dòng)策略選擇,采用FreescaleK60作為步態(tài)控制器,通過串口獲取上層命令,執(zhí)行相應(yīng)行動(dòng)策略。位置測(cè)量方案采用霍爾傳感器AS5040,電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用BTS7971。Freescale公司Kinetis K60系列單片機(jī),工作電壓1.71-3.6V,采用ARM Cortex-M4內(nèi)核,其性能可達(dá)到1.25 Dhrystone MIPS /MHz,完全可以勝任步態(tài)控制的工作。另一方面,通過將步態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分離出來(lái),使得步態(tài)控制不會(huì)受其他無(wú)關(guān)任務(wù)干擾,也提供了統(tǒng)一的接口,可以與各種上層嵌入式系統(tǒng)連接,兩層之間相互獨(dú)立,更加靈活。
本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1。
2 模塊管理者
本系統(tǒng)采用RHexLib的模塊管理者機(jī)制作為任務(wù)調(diào)度的軟件實(shí)現(xiàn)方案。在RHexLib中,模塊定義為需要周期性調(diào)度的任務(wù)單元,通過模塊管理者管理各個(gè)模塊的活動(dòng),實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。模塊通過模塊名和模塊號(hào)標(biāo)識(shí),具有兩個(gè)屬性和三個(gè)狀態(tài)。如果模塊是可以被多個(gè)其他模塊使用的,則為多用戶性的,否則默認(rèn)為單用戶性的。另一個(gè)屬性輪詢性表明模塊是否需要頻繁被調(diào)用。
一個(gè)創(chuàng)建的模塊可能處于未初始化、未激活和活動(dòng)狀態(tài)。它們之間的轉(zhuǎn)換通過模塊管理者的添加模塊、激活模塊,掛起模塊和釋放模塊四種操作實(shí)現(xiàn)。
下圖為一個(gè)模塊的生命周期示意圖2。
RHexLib對(duì)模塊的管理類似操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理,模塊的三個(gè)狀態(tài)可以對(duì)應(yīng)地看做進(jìn)程的阻塞、就緒、執(zhí)行狀態(tài)。同時(shí)也存在著以下區(qū)別:
(1)模塊創(chuàng)建后進(jìn)入未初始化狀態(tài),而進(jìn)程創(chuàng)建后進(jìn)入就緒狀態(tài)。
(2)一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)進(jìn)程處于執(zhí)行狀態(tài),而可以有多個(gè)模塊處于活動(dòng)狀態(tài),由模塊管理者決定唯一的模塊占用CPU。
在系統(tǒng)主循環(huán)里,模塊管理者不斷地順序執(zhí)行活動(dòng)的輪詢性任務(wù),同時(shí)周期性地執(zhí)行非輪詢性任務(wù)。模塊管理者的機(jī)制,一方面便于充分利用CPU,通過減少CPU空閑等待時(shí)間提高CPU的利用率;另一方面也使得工程代碼也具有了模塊性,具有便于管理的優(yōu)點(diǎn)。
3 基本模塊
為了完成步態(tài),需要一系列模塊之間相互協(xié)作,下面介紹完成步態(tài)所需的基本模塊。
位置讀取模塊:本系統(tǒng)采用霍爾傳感器AS5040測(cè)量位置,由于電機(jī)攜帶減速箱,而霍爾傳感器安裝在電機(jī)內(nèi)側(cè),所以無(wú)法直接測(cè)量外側(cè)足的位置。需要確定足的初始位置,通過傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算相對(duì)偏移位置,得到足當(dāng)前的絕對(duì)位置。足初始位置的校準(zhǔn)通過堵轉(zhuǎn)檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)。
速度濾波模塊:對(duì)測(cè)得的速度值采用加權(quán)遞推平均濾波算法,以獲得可靠的速度值,防止異常值影響控制的穩(wěn)定性。
堵轉(zhuǎn)檢測(cè)模塊:如果速度的絕對(duì)值在小范圍內(nèi)持續(xù)的時(shí)間達(dá)到了一定時(shí)間值的話,則可判定為堵轉(zhuǎn)。通過堵轉(zhuǎn)檢測(cè)可以進(jìn)行碰撞檢測(cè),從而感知地形。
電機(jī)控制模塊:本系統(tǒng)采用BTN7971B制作電機(jī)驅(qū)動(dòng),在軟件上,通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM輸出占空比大小和設(shè)置方向IO輸出電平的高低來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。
位置控制模塊:電機(jī)控制模塊結(jié)合位置讀取模塊得到的位置信息,采用PID控制算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制,使得電機(jī)可以到達(dá)指定的位置。
4 步態(tài)分析
在RHex - A Simple and Highly Mobile Hexapod Robot一論文中,UlucSaranli對(duì)RHex進(jìn)行了建模和運(yùn)動(dòng)分析,RHex的行走步態(tài)是一種交替三腳架控制:一側(cè)中間足和另一側(cè)的前后兩足構(gòu)成一個(gè)三腳架,六足機(jī)器人具有左右兩個(gè)三角架,任意時(shí)刻只需有一個(gè)三腳架即可支撐機(jī)器人。在一個(gè)三腳架支撐地面時(shí),另一個(gè)三腳架擺動(dòng),而在支撐三腳架離開地面時(shí),另一個(gè)三腳架落地做支撐,兩組三腳架交替進(jìn)行支撐和擺動(dòng),通過改變兩側(cè)足的擺動(dòng)方向控制機(jī)器人的行走。兩側(cè)足同向進(jìn)行前進(jìn)后退,兩側(cè)足反向即可進(jìn)行原地左右轉(zhuǎn)。
其運(yùn)動(dòng)分析如圖3。
本系統(tǒng)采用一種特殊的交替三腳架控制方式,這種方式易于編程實(shí)現(xiàn)。其特點(diǎn)在于每隔半個(gè)周期切換一次速度,兩組足同時(shí)切換。如圖4所示。
5 步態(tài)實(shí)現(xiàn)
UlucSaranli在Object-Oriented State Machines論文中提出了一種面向?qū)ο蟮臓顟B(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn),這也正是RHexLib中的步態(tài)實(shí)現(xiàn)的解決方案。這個(gè)工具使得狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可以很清晰地轉(zhuǎn)換成代碼,實(shí)現(xiàn)對(duì)具有分立狀態(tài)的系統(tǒng),通過監(jiān)視觸發(fā)事件進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。基于這種模式,可以方便地編寫狀態(tài)機(jī)協(xié)調(diào)機(jī)器人各個(gè)模塊完成步態(tài)執(zhí)行。
本系統(tǒng)沒有移植UlucSaranli的狀態(tài)機(jī)編程工具,而是采用一種較直觀簡(jiǎn)潔的方式進(jìn)行控制。抓住六足移動(dòng)的特殊姿態(tài),定義姿態(tài)間的切換為一個(gè)動(dòng)作,而步態(tài)為特征姿態(tài)的不斷轉(zhuǎn)換,即一系列動(dòng)作的組合。本系統(tǒng)將動(dòng)作作為控制的最小單位,通過設(shè)定各個(gè)足的目標(biāo)位置和旋轉(zhuǎn)方向,由動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間計(jì)算每一時(shí)刻應(yīng)到達(dá)的位置并調(diào)用位置控制模塊,即可執(zhí)行一次動(dòng)作。通過修改動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間可以控制機(jī)器人的速度。endprint
結(jié)合前面的運(yùn)動(dòng)分析圖,特征姿態(tài)是六個(gè)足同時(shí)落地的時(shí)刻,行走只涉及兩個(gè)姿態(tài)的切換,只需要反復(fù)執(zhí)行兩個(gè)動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于其他步態(tài)也可以按照找到特征姿態(tài),劃分動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種控制方式具有簡(jiǎn)單直觀,易于編程的優(yōu)點(diǎn)。
6 通信方案
完成了基本步態(tài)的實(shí)現(xiàn)后需要指定底層步態(tài)控制器與上層的通信協(xié)議,本系統(tǒng)兩層采用以下方案,如表1。
遠(yuǎn)程控制模塊通過開始符和結(jié)束符確定一條命令的內(nèi)容,一條命令內(nèi)容包括一個(gè)字節(jié)的命令符和變長(zhǎng)的參數(shù),參數(shù)可以由上層采用sprintf函數(shù)打印到字符串中,遠(yuǎn)程控制模塊通過sscanf函數(shù)將字符串中的參數(shù)采用相同的格式提取到變量中,由于上層和下層都采用C實(shí)現(xiàn),可以通過包含相同的頭文件進(jìn)行命令符,命令格式的匹配。
為了方便地觀察機(jī)器人的運(yùn)行情況,可以先獨(dú)立地對(duì)下層控制器進(jìn)行調(diào)試,本系統(tǒng)使用藍(lán)牙進(jìn)行無(wú)線調(diào)試,通過發(fā)送動(dòng)作控制指令進(jìn)行對(duì)機(jī)器人的控制,并定時(shí)發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)指令訪問機(jī)器人相關(guān)的數(shù)據(jù)。
7 仿真方案
本系統(tǒng)采用Webots進(jìn)行仿真測(cè)試。Webots是由瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究院研制的一款專業(yè)多功能機(jī)器人研發(fā)軟件。如今,世界上已有1146多所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)采用Webots系列軟件進(jìn)行機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究。得益于其集建模、編程、仿真、程序移植為一體的優(yōu)點(diǎn),我們可以對(duì)步態(tài)算法進(jìn)行測(cè)試,并快速移植到實(shí)體機(jī)上。如圖5、圖6所示。
通過仿真得到每一時(shí)刻兩組足位置的實(shí)際值,可以看出仿真結(jié)果比較理想,移植到樣機(jī)上效果良好,機(jī)器人運(yùn)行較為平穩(wěn)。
8 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了一種相對(duì)易行的步態(tài)控制器設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)采用的控制器任務(wù)調(diào)度方案、步態(tài)控制方案,通信方案具有普遍性,可以應(yīng)用到其他機(jī)器人的控制上。經(jīng)樣機(jī)驗(yàn)證,該系統(tǒng)可以完成旋轉(zhuǎn)足式機(jī)器人前進(jìn)后退左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)基本步態(tài),并可以方便地添加自定義姿態(tài)動(dòng)作。接下來(lái),我們將結(jié)合本文的研究成果,進(jìn)行特殊步態(tài)的仿真研究,實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng),以幫助提高機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。
(通訊作者:吳振宇)
參考文獻(xiàn)
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[2]austriamicrosystems.AS5040 Datasheet[M].Austria:austriamicrosystems,2006.
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[5]安麗橋,朱磊.六腳足式步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2006,25(2):166-172.
[6]Buehler M.Dynamic locomotion with one,four and six-legged robots[J]. Journal of the Robotics Society of Japan,2002,20(3):15-20.
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[9]FreescaleSemiconductor.K60 Sub-Family Data Sheet[M].America:Freescale Semiconductor,2010(11).
作者簡(jiǎn)介
應(yīng)振強(qiáng)(1994-),男,浙江省臺(tái)州市人?,F(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)本科在讀。研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)。
張林(1992-),男,遼寧省開原市人?,F(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)本科在讀。研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)。
通訊作者簡(jiǎn)介
吳振宇(1971-),男,現(xiàn)為現(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)闄C(jī)器人自動(dòng)控制和嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。
作者單位
大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院 遼寧省大連市 116024endprint
結(jié)合前面的運(yùn)動(dòng)分析圖,特征姿態(tài)是六個(gè)足同時(shí)落地的時(shí)刻,行走只涉及兩個(gè)姿態(tài)的切換,只需要反復(fù)執(zhí)行兩個(gè)動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于其他步態(tài)也可以按照找到特征姿態(tài),劃分動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種控制方式具有簡(jiǎn)單直觀,易于編程的優(yōu)點(diǎn)。
6 通信方案
完成了基本步態(tài)的實(shí)現(xiàn)后需要指定底層步態(tài)控制器與上層的通信協(xié)議,本系統(tǒng)兩層采用以下方案,如表1。
遠(yuǎn)程控制模塊通過開始符和結(jié)束符確定一條命令的內(nèi)容,一條命令內(nèi)容包括一個(gè)字節(jié)的命令符和變長(zhǎng)的參數(shù),參數(shù)可以由上層采用sprintf函數(shù)打印到字符串中,遠(yuǎn)程控制模塊通過sscanf函數(shù)將字符串中的參數(shù)采用相同的格式提取到變量中,由于上層和下層都采用C實(shí)現(xiàn),可以通過包含相同的頭文件進(jìn)行命令符,命令格式的匹配。
為了方便地觀察機(jī)器人的運(yùn)行情況,可以先獨(dú)立地對(duì)下層控制器進(jìn)行調(diào)試,本系統(tǒng)使用藍(lán)牙進(jìn)行無(wú)線調(diào)試,通過發(fā)送動(dòng)作控制指令進(jìn)行對(duì)機(jī)器人的控制,并定時(shí)發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)指令訪問機(jī)器人相關(guān)的數(shù)據(jù)。
7 仿真方案
本系統(tǒng)采用Webots進(jìn)行仿真測(cè)試。Webots是由瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究院研制的一款專業(yè)多功能機(jī)器人研發(fā)軟件。如今,世界上已有1146多所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)采用Webots系列軟件進(jìn)行機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究。得益于其集建模、編程、仿真、程序移植為一體的優(yōu)點(diǎn),我們可以對(duì)步態(tài)算法進(jìn)行測(cè)試,并快速移植到實(shí)體機(jī)上。如圖5、圖6所示。
通過仿真得到每一時(shí)刻兩組足位置的實(shí)際值,可以看出仿真結(jié)果比較理想,移植到樣機(jī)上效果良好,機(jī)器人運(yùn)行較為平穩(wěn)。
8 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了一種相對(duì)易行的步態(tài)控制器設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)采用的控制器任務(wù)調(diào)度方案、步態(tài)控制方案,通信方案具有普遍性,可以應(yīng)用到其他機(jī)器人的控制上。經(jīng)樣機(jī)驗(yàn)證,該系統(tǒng)可以完成旋轉(zhuǎn)足式機(jī)器人前進(jìn)后退左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)基本步態(tài),并可以方便地添加自定義姿態(tài)動(dòng)作。接下來(lái),我們將結(jié)合本文的研究成果,進(jìn)行特殊步態(tài)的仿真研究,實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng),以幫助提高機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。
(通訊作者:吳振宇)
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通訊作者簡(jiǎn)介
吳振宇(1971-),男,現(xiàn)為現(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)闄C(jī)器人自動(dòng)控制和嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。
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大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院 遼寧省大連市 116024endprint
結(jié)合前面的運(yùn)動(dòng)分析圖,特征姿態(tài)是六個(gè)足同時(shí)落地的時(shí)刻,行走只涉及兩個(gè)姿態(tài)的切換,只需要反復(fù)執(zhí)行兩個(gè)動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于其他步態(tài)也可以按照找到特征姿態(tài),劃分動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種控制方式具有簡(jiǎn)單直觀,易于編程的優(yōu)點(diǎn)。
6 通信方案
完成了基本步態(tài)的實(shí)現(xiàn)后需要指定底層步態(tài)控制器與上層的通信協(xié)議,本系統(tǒng)兩層采用以下方案,如表1。
遠(yuǎn)程控制模塊通過開始符和結(jié)束符確定一條命令的內(nèi)容,一條命令內(nèi)容包括一個(gè)字節(jié)的命令符和變長(zhǎng)的參數(shù),參數(shù)可以由上層采用sprintf函數(shù)打印到字符串中,遠(yuǎn)程控制模塊通過sscanf函數(shù)將字符串中的參數(shù)采用相同的格式提取到變量中,由于上層和下層都采用C實(shí)現(xiàn),可以通過包含相同的頭文件進(jìn)行命令符,命令格式的匹配。
為了方便地觀察機(jī)器人的運(yùn)行情況,可以先獨(dú)立地對(duì)下層控制器進(jìn)行調(diào)試,本系統(tǒng)使用藍(lán)牙進(jìn)行無(wú)線調(diào)試,通過發(fā)送動(dòng)作控制指令進(jìn)行對(duì)機(jī)器人的控制,并定時(shí)發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)指令訪問機(jī)器人相關(guān)的數(shù)據(jù)。
7 仿真方案
本系統(tǒng)采用Webots進(jìn)行仿真測(cè)試。Webots是由瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究院研制的一款專業(yè)多功能機(jī)器人研發(fā)軟件。如今,世界上已有1146多所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)采用Webots系列軟件進(jìn)行機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究。得益于其集建模、編程、仿真、程序移植為一體的優(yōu)點(diǎn),我們可以對(duì)步態(tài)算法進(jìn)行測(cè)試,并快速移植到實(shí)體機(jī)上。如圖5、圖6所示。
通過仿真得到每一時(shí)刻兩組足位置的實(shí)際值,可以看出仿真結(jié)果比較理想,移植到樣機(jī)上效果良好,機(jī)器人運(yùn)行較為平穩(wěn)。
8 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了一種相對(duì)易行的步態(tài)控制器設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)采用的控制器任務(wù)調(diào)度方案、步態(tài)控制方案,通信方案具有普遍性,可以應(yīng)用到其他機(jī)器人的控制上。經(jīng)樣機(jī)驗(yàn)證,該系統(tǒng)可以完成旋轉(zhuǎn)足式機(jī)器人前進(jìn)后退左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)基本步態(tài),并可以方便地添加自定義姿態(tài)動(dòng)作。接下來(lái),我們將結(jié)合本文的研究成果,進(jìn)行特殊步態(tài)的仿真研究,實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng),以幫助提高機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。
(通訊作者:吳振宇)
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作者簡(jiǎn)介
應(yīng)振強(qiáng)(1994-),男,浙江省臺(tái)州市人?,F(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)本科在讀。研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)。
張林(1992-),男,遼寧省開原市人?,F(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)本科在讀。研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)。
通訊作者簡(jiǎn)介
吳振宇(1971-),男,現(xiàn)為現(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)闄C(jī)器人自動(dòng)控制和嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。
作者單位
大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院 遼寧省大連市 116024endprint