教學機器人綜合實驗平臺設計與研發

王東霞 趙藝兵 溫秀蘭 崔偉祥 渠慎林

1 南京工程學院 自動化學院,南京,211167 2 南京工程學院 工業中心/創新創業學院,南京,211167

0 引言

近年來,工業機器人在制造業得到了廣泛應用,機器人技術人才需求出現了井噴式增長.“機器人工程”專業是順應國家建設需求和國際發展趨勢而設立的一個新興專業,2015年,由教育部批準成為本科新專業,列入招生計劃．該專業是以控制科學與工程、機械工程、計算機科學與技術等學科中涉及的機器人科學技術問題為研究對象,綜合應用自然科學、工程技術、社會科學、人文科學等相關學科的理論、方法和技術,具有融合掌握多學科基礎理論的專業優勢．為滿足機器人工程新專業建設需要,亟需教學實驗平臺支撐．教學機器人作為高新技術的載體,在實踐教學中的地位越來越受到重視,近兩年不斷有相關研究成果報道．為解決傳統自平衡平臺響應速度慢、控制精度低的問題,文獻[1]提出了基于EtherCAT總線的六自由度自平衡平臺設計方法,利用自抗擾控制算法對平臺進行精確控制,具有低延時和較高的抗干擾能力等優點．為了解決實驗教學過程中機器人結構復雜、成本高、編程效率低等問題,文獻[2]設計了一種基于上位機控制的拖動示教教學機器人系統,該系統在設置好相關參數后只需根據上位機操作界面提示拖動機械臂運動就可以對機器人進行快速編程；文獻[3]設計了一種末端有效載荷為15 kg的高精度四軸自動搬運機器人實驗平臺，針對工業機器人控制系統封閉和現有實驗教學設備功能有限的現狀,文獻[4]設計了一款機器人手臂開放式控制實驗平臺，基于該平臺能夠開展機器人關節運動控制、手臂協調控制等實驗．

計算機技術和圖像處理技術的飛快發展,使得視覺引導技術和機器人技術結合成為了可能.將視覺系統引入教學機器人控制系統中將大大提高教學機器人智能化水平,可以滿足多種層次人才培養的需求,因此視覺技術與機器人技術結合成為近年來科研[5-9]與教學熱點．文獻[10]將雙目視覺、搬運機器人和工業無線網等技術相結合,設計開發了一款智能搬運機器人實驗平臺；文獻[11]設計了一套基于管道巡檢機器人的視覺系統實驗教學平臺．為解決復雜地形造成的各種不確定性使得機器人的環境感知能力受到極大限制問題,文獻[12]設計了一款俯視相機輔助的地面機器人導航系統綜合實驗平臺．

上述機器人實驗教學平臺多是針對特定應用對象或完成特定功能而研發的．考慮到機器人工程專業具有很強的前沿性、綜合性和實踐性,本文設計了一款集機、電、控、圖像處理于一體的開放式教學機

器人綜合實驗平臺,將機器人機械結構設計、運動學分析、驅動控制、軌跡規劃算法、軟件設計、圖像處理等專業核心知識與技術進行有機融合，有助于學生更好地掌握專業理論知識和實踐技能．

1 系統總體設計

本教學機器人綜合實驗平臺組成如圖1所示,由機器人本體、控制臺、視覺硬件組成,其中機器人本體包括機械本體、減速機、伺服電機,控制臺包括PC機、PCI1040運動控制卡、信號轉接板、伺服驅動器及通信和接口電路組成,視覺硬件系統由工業相機、鏡頭、光源等組成．

2 機械本體結構

機械本體是機器人實現各種動作的機械機構,由剛性連桿通過6個旋轉關節連接組成,采用模塊化設計思想,設計了該教學機器人腰部、大臂、小臂、手腕．此外,機器人本體配有便于安裝的基礎底座,腰部機構與基座固定連接,腰部支撐大臂,大臂支撐小臂,小臂支撐手腕,其三維結構如圖2所示.所有關節都是旋轉關節,幾何結構滿足Pieper準則.通過建立機器人連桿坐標系,由機器人本體各關節和臂長的設計參數,得到該機器人Denavit-Hartenberg (DH)模型參數,即連桿長度ai、連桿偏距di、連桿扭角αi、零位狀態關節角θ0i,i=1,2,…,6．

3 控制系統設計

為了解決現有機器人其機械結構與控制器封閉、控制算法固化,以及學生對機器人結構和工作原理理解不透等問題,本教學機器人控制系統設計為開放式結構,硬件結構如圖3所示,由工業PC機、阿爾泰PCI1040運動控制卡、信號轉接板、交流伺服驅動系統、通信模塊轉換器及輔助電氣設備等組成．

圖3 控制系統結構Fig.3 Control system structure

采用開放式實驗平臺,把電氣部分全部安裝在網孔板上,控制部分和本體之間采用方形連接器進行電氣連接,對控制系統中的運動控制卡、伺服系統、信號轉換板等部件進行接線,搭建好的機器人實驗平臺如圖4所示．

圖4 機器人實驗平臺Fig.4 The robot experimental platform

4 軟件系統及實驗項目設計

4.1 軟件系統

基于軟件系統的多任務處理、多線程編程和通用性等要求,開發平臺選用操作系統為Windows的工業PC機,通過Visual C++開發工具對其進行設計編程,由機械結構、運動學分析、運動控制及視覺引導4大實驗模塊組成．

4.2 開設的實驗項目

基于本綜合實驗平臺能夠開設的實驗項目有串聯機器人機械結構實驗、機器人運動學分析實驗、運動控制實驗、圖像處理實驗及基于視覺引導的物體識別及抓取綜合實驗．

4.2.1 機械結構實驗

機械結構實驗包括機器人各關節裝配及實物認識實驗、機器人關節RV減速器和諧波減速器的工作原理及安裝、機器人關節伺服電機的安裝實驗以及機器人本體安裝實驗．圖5為機器人結構及大臂實物演示實驗．

圖5 機器人結構及大臂實物演示Fig.5 Demonstration of robot structure and arm

4.2.2 機器人運動學分析實驗

機器人運動學分析實驗平臺建立了機器人DH幾何模型,根據DH模型可以獲得機器人連桿相鄰坐標系之間的變換關系[13],完成機器人正運動學和逆運動學分析實驗．其中正運動學實驗需要輸入機器人6個關節轉角,點擊“正解”按鈕,程序將計算在基坐標系下機器人末端的位置和姿態．在逆運動學分析實驗中,需要輸入基坐標系下機器人末端的位置和姿態值,點擊“反解”按鈕,程序會自動計算關節角,給出8組解如圖6所示．在實際應用中,根據最小能耗或最短行程從8組關節角中選擇一組關節角．該界面還提供了“恢復初始數據”按鈕,用于對上一個目標點反解數據的回溯．

圖6 機器人逆運動學分析實驗Fig.6 Robot inverse kinematics analysis experiment

4.2.3 機器人運動控制實驗

機器人運動控制模塊涉及的實驗教學內容有伺服驅動器安裝與電氣調試、機器人電氣主電路和控制電路的安裝與調試、伺服驅動器的參數設置與檢測、機器人關節參數設置與檢測、機器人關節運動力矩檢測與分析、輔助氣動部件的安裝與調試、機器人各關節調試運動控制．通過調用PCI1040-StartLVDVCHV()等函數來設置單軸運動的步長、速度以及加速度等參數以調試機器人6個關節的性能,控制每個關節的單步正反向運動,通過調用機器人軌跡規劃相關插補算法實現軌跡規劃．圖7為伺服系統的組成電路,圖8為主電路和控制電路(以第1關節為例)．

圖7 伺服驅動器的組成電路Fig.7 Composition circuit of servo system

圖8 主電路和控制電路Fig.8 Schematic diagram of main circuit and control circuit

4.2.4 視覺引導實驗

視覺引導實驗模塊界面如圖9所示,學生可以根據實驗界面選擇打開攝像頭、攝像頭標定、圖像預處理、模板匹配等實驗．通過攝像頭標定、圖像處理可以識別目標物體并得到其中心坐標,將得到的坐標反饋給機器人控制系統,可以引導機器人準確、快速地抓取到目標物體,如圖10所示．該模塊建議列為創新實驗,學生可以根據自己興趣及基礎編寫不同的濾波、差值等圖像處理算法程序,嘗試對不同形狀、不同顏色物體進行識別與抓取．

圖9 視覺引導實驗界面Fig.9 Visual guidance experiment interface

圖10 物體識別與抓取實驗Fig.10 Object recognition and grasping experiment

5 結論

針對機器人工程專業具有很強的前沿性、綜合性和實踐性,本文設計完成了一款教學機器人綜合實驗平臺,包括機械本體結構設計、控制系統硬件設計、軟件系統及實驗項目設計,經機器人原型系統設計制造及實驗研究,證實了使用該教學機器人綜合實驗平臺能夠完成機械結構演示實驗、運動學分析、驅動控制、軌跡規劃、圖像處理、視覺引導物體識別與抓取等實驗,開放的控制系統可操作性強,有助于提升學生的工程實踐與創新能力．