機(jī)器人手臂開(kāi)放式控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

錢鈞 訾斌 錢森

[摘 要] 針對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)封閉和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備功能有限的現(xiàn)狀，自主設(shè)計(jì)了一款機(jī)器人手臂開(kāi)放式控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)以3D打印機(jī)械手為被控對(duì)象，使用低成本開(kāi)源控制器，控制系統(tǒng)支持機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS），可以開(kāi)展機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制、手臂協(xié)調(diào)控制等實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生掌握機(jī)器人控制的基本理論和軟件編程。

[關(guān)鍵詞] 機(jī)器人;控制;機(jī)器人操作系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

[基金項(xiàng)目] 2019年度安徽省重大教學(xué)改革研究項(xiàng)目“高校機(jī)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(xiàng)目“復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論”;2018年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“面向‘中國(guó)制造2025的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究”

[作者簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)器人研究。

[中圖分類號(hào)] G642.423? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)]1674-9324（2020）35-0388-02? ? [收稿日期]2020-10-15

一、機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問(wèn)題

高校工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)中，工業(yè)機(jī)器人的組成、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)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(jī)器人控制是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。現(xiàn)有成熟的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品和實(shí)驗(yàn)設(shè)備通常側(cè)重于運(yùn)動(dòng)控制精度和性能，控制或仿真軟件功能強(qiáng)大。

但從教學(xué)的角度看，由于開(kāi)放程度有限，不便于學(xué)生學(xué)習(xí)和驗(yàn)證機(jī)器人控制算法、關(guān)節(jié)電機(jī)控制、視覺(jué)檢測(cè)、數(shù)據(jù)通信等關(guān)鍵技術(shù)，無(wú)法最大程度用于機(jī)器人課程和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。目前，很多教學(xué)、實(shí)驗(yàn)人員對(duì)機(jī)器人教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了深入的探討，包括教學(xué)實(shí)驗(yàn)方法研究[1]、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[2]，以及研制新型實(shí)驗(yàn)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(kāi)展工業(yè)機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，如何將理論教學(xué)內(nèi)容中的機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、控制、路徑規(guī)劃、感知、編程等技術(shù)形成有機(jī)的整體，使學(xué)生更好的理解理論知識(shí)，并通過(guò)編程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，是形成閉環(huán)教學(xué)體系的關(guān)鍵。

本教學(xué)團(tuán)隊(duì)在十多年的工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)過(guò)程中，總結(jié)理論和實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)機(jī)器人研究成果，研發(fā)了機(jī)器人手臂開(kāi)放式控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)獲得了2018年“第五屆全國(guó)高等學(xué)校教師自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備創(chuàng)新大賽及優(yōu)秀作品展示活動(dòng)”三等獎(jiǎng)。

二、機(jī)器人手臂開(kāi)放式控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以3D打印的多自由度機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)為原型，使用低成本開(kāi)源控制器和電腦，設(shè)計(jì)機(jī)器人手臂的控制系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)多個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的獨(dú)立控制和手爪的運(yùn)動(dòng)控制;并使用視覺(jué)傳感器進(jìn)行物體檢測(cè)和機(jī)器人自動(dòng)抓取。該平臺(tái)的外觀和組成如圖1所示。

1.機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)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(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩指手爪的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了便于調(diào)試和進(jìn)行主從遙控實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了機(jī)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(cè)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)。控制系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)組成。下位機(jī)為兩個(gè)BeagleBone Black開(kāi)源控制器，分別控制多個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)。該控制器支持Linux操作系統(tǒng)和機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）。上位機(jī)使用電腦，進(jìn)行路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，另外進(jìn)行視覺(jué)傳感器數(shù)據(jù)采集和處理，將控制指令傳送給底層的開(kāi)源控制器，控制機(jī)器人手臂和手爪運(yùn)動(dòng)。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用低成本控制器和開(kāi)源軟件編程，支持機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS），實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人手臂多個(gè)關(guān)節(jié)之間的協(xié)作和多個(gè)控制器之間的數(shù)據(jù)通信，為開(kāi)展機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)、進(jìn)行機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)提供了開(kāi)放式控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

三、平臺(tái)在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

為了配合工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)，結(jié)合機(jī)器人手臂開(kāi)放式控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能和特點(diǎn)，開(kāi)展了以下機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容：

1.主從遙控實(shí)驗(yàn)。通過(guò)手動(dòng)操縱機(jī)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(jī)器人手臂相應(yīng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)指令，分別用于控制機(jī)器人手臂的臂關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)和手爪動(dòng)作，從而手動(dòng)控制機(jī)器人手爪在操作空間中的位置和姿態(tài)，進(jìn)一步驗(yàn)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(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)底層控制器程序的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，掌握關(guān)節(jié)電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。通過(guò)在上位機(jī)中進(jìn)行基于ROS的軟件編程，完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算和空間路徑規(guī)劃，進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制、多軸協(xié)調(diào)控制，控制手爪的運(yùn)動(dòng)。學(xué)生可以進(jìn)行三維可視化設(shè)計(jì)，以及加入避障功能。

3.機(jī)器視覺(jué)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)在機(jī)器人手爪上、或者在天花板上安裝視覺(jué)傳感器，進(jìn)行視覺(jué)圖像、景深圖像采集和處理，研究機(jī)器視覺(jué)算法，檢測(cè)目標(biāo)物體的空間位置，控制機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)物體位置，完成自動(dòng)抓取、搬運(yùn)和釋放物體實(shí)驗(yàn)。

該平臺(tái)將機(jī)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(guò)編寫控制程序，對(duì)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)所需控制功能，使學(xué)生從底層軟、硬件設(shè)計(jì)著手開(kāi)展機(jī)器人設(shè)計(jì)，從而更好的理解和驗(yàn)證機(jī)器人技術(shù)，培養(yǎng)編程和動(dòng)手能力。因此，該平臺(tái)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(wèn)題的能力。

四、結(jié)論

針對(duì)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中控制、軟件編程訓(xùn)練薄弱等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款機(jī)器人手臂開(kāi)放式控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有多自由度、分層控制、主從遙控、運(yùn)動(dòng)控制和開(kāi)源的特點(diǎn)。通過(guò)開(kāi)展關(guān)節(jié)控制、多軸協(xié)調(diào)控制和機(jī)器視覺(jué)等實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握機(jī)器人控制和軟件的精髓，適用于本科生和研究生開(kāi)展機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，具有很好的開(kāi)放性和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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