可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺在機器人本科實驗教學中的應用

錢鈞+訾斌+周蓉

（合肥工業(yè)大學機械工程學院，安徽 合肥 230009）

摘要：針對機器人課程的多學科交叉特點和現(xiàn)有實驗教學設備功能有限的現(xiàn)狀，自主設計了一款開放式可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺。該轉(zhuǎn)臺具有三個自由度，可以開展底層運動控制、傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、運動物體檢測與跟蹤實驗，具有很好的開放性，對機器人本科實驗教學具有良好的促進作用。

關鍵詞：機器人；實驗教學；轉(zhuǎn)臺；開放性

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）24-0267-02

一、機器人課程實驗教學存在的主要問題

高校機器人課程是一門多學科綜合交叉的邊緣學科。隨著中國制造的產(chǎn)業(yè)化升級和“中國制造2025”政策的發(fā)布，對機器人領域的專業(yè)人才需求量越來越大，機器人教學應當積極應對這一變化，順勢而為。針對高校機器人課程教學中存在的問題，已有很多相關的研究和探索，旨在改進課程教學方法，提高教學質(zhì)量。然而，機器人課程實驗教學仍然存在諸多問題，包括實驗儀器開發(fā)、實驗方法研究和實驗室建設等，僅靠教學人員或?qū)嶒炄藛T均無法獨立解決。筆者多年從事機器人教學和實驗發(fā)現(xiàn)：首先，組成機器人的機械、控制和感知系統(tǒng)對應的知識內(nèi)容相互孤立；其次，機器人教學、科研和應用開發(fā)等用途之間相互孤立。二者分別對應微觀、宏觀兩個層面的“孤島效應”，制約了學生對機器人課程關鍵知識的理解和吸收，無法形成完整的閉環(huán)。現(xiàn)有的機器人實驗教學儀器存在功能、開放程度、與課程體系的結(jié)合程度等方面的不足，無法滿足新形勢下機器人實驗教學要求。為此，自主研制了一款開放式可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺。該轉(zhuǎn)臺獲得了安徽省首屆高等學校自制實驗教學儀器設備展評活動一等獎和第四屆全國高等學校自制實驗教學儀器設備評選活動三等獎。

二、開放式可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺的研制

該轉(zhuǎn)臺是一款由可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制的三自由度云臺，由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。通過在轉(zhuǎn)臺上安裝視覺傳感器，可以進行運動物體檢測與跟蹤。

1.機械系統(tǒng)。由升降、偏航和俯仰機構(gòu)組成。升降機構(gòu)使用電動缸帶動轉(zhuǎn)臺在豎直方向上直線移動。偏航、俯仰機構(gòu)使用直流伺服電機經(jīng)諧波減速器減速和同步帶傳動后，分別繞豎直、水平轉(zhuǎn)軸做回轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)運動。在水平轉(zhuǎn)軸上安裝了視覺傳感器，通過轉(zhuǎn)臺的運動，實現(xiàn)多視角圖像采集。

2.控制系統(tǒng)。底層控制器為西門子S7-1214 PLC及其擴展模塊，用于進行電機控制、編碼器數(shù)據(jù)采集和輸入輸出控制等。上位機使用筆記本電腦，用于進行視覺傳感器圖像采集與處理、以及三自由度運動插補計算。為了跟蹤運動物體的方位，使其始終處于圖像中心位置，使用插補算法，計算每個自由度的關節(jié)變量。最后，通過以太網(wǎng)通信，將計算值傳遞給PLC，控制轉(zhuǎn)臺的運動，并返回編碼器數(shù)據(jù)。為了便于調(diào)試，分別使用電子手輪、無線遙控手柄進行精確、粗略手動控制，并使用觸摸屏進行控制參數(shù)設置和運動狀態(tài)監(jiān)測。該轉(zhuǎn)臺既是教學、科研實驗臺，同時也是一款具有實用價值的機電產(chǎn)品。

三、轉(zhuǎn)臺在機器人實驗教學中的應用

為了配合機器人本科課程教學，結(jié)合開放式可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺的功能和特點，開展了以下機器人實驗教學內(nèi)容。

1.底層運動控制實驗。使用PLC進行轉(zhuǎn)臺的底層控制系統(tǒng)設計，繪制電氣控制原理圖。使用順序控制設計法，編寫相應的控制程序，進行轉(zhuǎn)臺運動控制實驗。學習用于控制步進電機、直流伺服電機的PLC程序設計及相關運動功能模塊。進行電機的位置、速度控制實驗和PID參數(shù)調(diào)整實驗，設計相應的手動輸入裝置和人機交互裝置。

2.傳感器實驗。內(nèi)部傳感器實驗：使用光電編碼器測量電機轉(zhuǎn)角。利用PLC的高速脈沖輸入端口和程序中的高速脈沖計數(shù)器，進行升降、偏航和俯仰電機對應的編碼器脈沖數(shù)據(jù)采集和處理。另外，為了精確測量轉(zhuǎn)臺每個轉(zhuǎn)軸的零點位置，通過增加使用增量式光電編碼器，檢測編碼器的Z信號，設計相應的零點檢測程序，進行轉(zhuǎn)臺自動回零點實驗。外部傳感器實驗：使用視覺傳感器進行運動物體測量。在轉(zhuǎn)臺的U形架上安裝視覺傳感器，使用筆記本電腦進行圖像采集和處理，進行計算機視覺算法實驗，包括物體顏色識別、邊緣輪廓提取和中心位置提取等，從而檢測視角范圍內(nèi)運動物體的位置。

3.機器人控制實驗。研究機器視覺算法和多軸協(xié)調(diào)運動控制，進行運動物體檢測與跟蹤實驗。多軸協(xié)調(diào)控制實驗：在使用手動方式控制轉(zhuǎn)臺運動時，升降、偏航、俯仰運動各自獨立進行。為了讓轉(zhuǎn)臺上安裝的傳感器或末端執(zhí)行器能夠在三維空間中任意運動，在筆記本電腦上進行軟件編程，協(xié)調(diào)控制升降、偏航和俯仰電機的運動。分別進行雙軸旋轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)控制和三軸協(xié)調(diào)控制實驗，實現(xiàn)多軸運動插補控制。運動物體檢測與跟蹤實驗：將具有顯著顏色或幾何形狀特征的物體放在轉(zhuǎn)臺前方，通過手拿該物體任意運動，使用視覺傳感器檢測該物體，計算該物體的位置和運動速度，然后使用插補算法計算轉(zhuǎn)臺每個轉(zhuǎn)軸的角度。將轉(zhuǎn)臺每個轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速信號通過以太網(wǎng)傳送給底層控制器，由PLC分別控制轉(zhuǎn)臺的每個轉(zhuǎn)軸運動，從而使視覺傳感器始終對準該運動物體的中心位置，實現(xiàn)自動跟蹤功能。上位機控制軟件設計實驗：在筆記本電腦上進行Windows程序設計，進行檢測、路徑規(guī)劃和插補計算，通過以太網(wǎng)通信將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給底層控制器，并返回編碼器測量值，監(jiān)控轉(zhuǎn)臺的實際運動情況。設計圖形化軟件界面，模擬轉(zhuǎn)臺的三維動態(tài)變化過程。本科生通過參加轉(zhuǎn)臺實驗，進行轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)和軟件設計，可以從系統(tǒng)的角度理解如何自動控制機械部件的運動，并利用外部傳感器實現(xiàn)完整的閉環(huán)控制。本文設計的基于視覺傳感器的運動物體檢測與跟蹤，僅是轉(zhuǎn)臺的典型應用示例。學生只要獲得底層運動控制器的通信接口規(guī)范，即可進行不同用途的應用開發(fā)。因此，該轉(zhuǎn)臺可以鍛煉學生的邏輯思維、系統(tǒng)性思維和發(fā)散思維能力，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力。

四、結(jié)論

針對機器人課程教學和實驗過程中系統(tǒng)性不強、聯(lián)系不緊密等問題，設計了一款開放式可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺，通過在轉(zhuǎn)臺上安裝視覺傳感器，實現(xiàn)運動物體檢測與跟蹤功能。該轉(zhuǎn)臺可以提供底層運動控制、傳感器實驗和機器人控制實驗，適用于本科生機器人實驗教學，具有很好的開放性和推廣價值。

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