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实验教学中机器人手臂开放式控制实验平台的应用研究

2020-08-25 231 上传者：管理员

摘要：针对工业机器人控制系统封闭和现有实验教学设备功能有限的现状，自主设计了一款机器人手臂开放式控制实验平台。该平台以3D打印机械手为被控对象，使用低成本开源控制器，控制系统支持机器人操作系统（ROS），可以开展机器人关节运动控制、手臂协调控制等实验，有助于学生掌握机器人控制的基本理论和软件编程。

关键词：
实验教学
控制
机器人
机器人操作系统
自动化
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一、机器人课程实验教学存在的主要问题

高校工业机器人课程教学中，工业机器人的组成、运动学、动力学、路径规划和控制等主要内容相互关联、互成体系，另外，机器人控制是教学的重点和难点。现有成熟的工业机器人产品和实验设备通常侧重于运动控制精度和性能，控制或仿真软件功能强大。

但从教学的角度看，由于开放程度有限，不便于学生学习和验证机器人控制算法、关节电机控制、视觉检测、数据通信等关键技术，无法最大程度用于机器人课程和实验教学。目前，很多教学、实验人员对机器人教学过程中存在的问题进行了深入的探讨，包括教学实验方法研究[1]、实验室建设[2]，以及研制新型实验教学仪器和设备[3,4,5]等，取得了很好的教学效果。在开展工业机器人课程实验教学时，如何将理论教学内容中的机器人机械结构、运动学、控制、路径规划、感知、编程等技术形成有机的整体，使学生更好的理解理论知识，并通过编程进行实验验证，是形成闭环教学体系的关键。

本教学团队在十多年的工业机器人课程教学过程中，总结理论和实践教学经验，结合相关机器人研究成果，研发了机器人手臂开放式控制实验平台。该平台获得了2018年“第五届全国高等学校教师自制实验教学仪器设备创新大赛及优秀作品展示活动”三等奖。

二、机器人手臂开放式控制实验平台的研制

该实验平台以3D打印的多自由度机器人手臂结构为原型，使用低成本开源控制器和电脑，设计机器人手臂的控制系统，分别实现多个关节电机的独立控制和手爪的运动控制；并使用视觉传感器进行物体检测和机器人自动抓取。该平台的外观和组成如图1所示。

图1机器人手臂开放式控制实验平台的组成

1. 机械系统。

机器人手臂由五自由度旋转关节组成，分别由伺服电机和步进电机驱动，两指手爪的开合运动由舵机驱动。为了便于调试和进行主从遥控实验，设计了机器人主手，由三轴飞行摇杆和自制三自由度操纵杆组成，角度测量分别使用了霍尔角位移传感器和光电编码器。

2. 控制系统。

控制系统由下位机和上位机组成。下位机为两个BeagleBoneBlack开源控制器，分别控制多个关节电机。该控制器支持Linux操作系统和机器人操作系统（RobotOperatingSystem,ROS）。上位机使用电脑，进行路径规划和运动学计算，另外进行视觉传感器数据采集和处理，将控制指令传送给底层的开源控制器，控制机器人手臂和手爪运动。

该实验平台使用低成本控制器和开源软件编程，支持机器人操作系统（ROS），实现了机器人手臂多个关节之间的协作和多个控制器之间的数据通信，为开展机器人实验教学、进行机器人控制程序设计提供了开放式控制实验平台。

三、平台在机器人实验教学中的应用

为了配合工业机器人课程教学，结合机器人手臂开放式控制实验平台的功能和特点，开展了以下机器人实验教学内容：

1. 主从遥控实验。

通过手动操纵机器人主手，获得三自由度操纵杆、三轴飞行摇杆反馈的角度变化值，转换成机器人手臂相应关节的运动指令，分别用于控制机器人手臂的臂关节、腕关节旋转和手爪动作，从而手动控制机器人手爪在操作空间中的位置和姿态，进一步验证关节变量空间和手爪操作空间之间的几何关系。

2. 运动控制实验。

通过对底层控制器程序的学习和设计，掌握关节电机控制的实现过程。通过在上位机中进行基于ROS的软件编程，完成机器人运动学、动力学计算和空间路径规划，进行关节运动控制、多轴协调控制，控制手爪的运动。学生可以进行三维可视化设计，以及加入避障功能。

3. 机器视觉实验。

通过在机器人手爪上、或者在天花板上安装视觉传感器，进行视觉图像、景深图像采集和处理，研究机器视觉算法，检测目标物体的空间位置，控制机器人手臂运动到目标物体位置，完成自动抓取、搬运和释放物体实验。

该平台将机械系统、控制系统和传感器组成完整的整体，便于学生建立“系统”的概念。学生通过编写控制程序，对机器人关键技术进行验证，实现所需控制功能，使学生从底层软、硬件设计着手开展机器人设计，从而更好的理解和验证机器人技术，培养编程和动手能力。因此，该平台可以锻炼学生的编程思维、系统性思维和发散思维能力，培养学生解决复杂工程问题的能力。

四、结论

针对机器人实验教学过程中控制、软件编程训练薄弱等问题，设计了一款机器人手臂开放式控制实验平台，具有多自由度、分层控制、主从遥控、运动控制和开源的特点。通过开展关节控制、多轴协调控制和机器视觉等实验，使学生掌握机器人控制和软件的精髓，适用于本科生和研究生开展机器人实验，具有很好的开放性和推广价值。

参考文献：

[1]郭东亮,保延翔,刘树郁,等.综合性大学自动化专业机器人实践教学体系探索[J].实验室研究与探索,2017(3),212-216.

[2]田军营,韩建海,魏冰阳.高校工业机器人实验室建设路径探讨[J].中国教育技术装备,2018(2),74-76.

[3]邝禹聪.面向实验教学的六自由度机器人开发[D].华南理工大学,2017.

[4]李颀,强华.工业机器人实验教学平台[J].实验技术与管理,2018(4),166-170.

[5]钱钧,訾斌,周蓉.可升降双轴随动转台在机器人本科实验教学中的应用[J].教育教学论坛,2017(24),267-268.

钱钧,訾斌,钱森.机器人手臂开放式控制实验平台在实验教学中的应用[J].教育教学论坛,2020(35):388-389.

基金:2019年度安徽省重大教学改革研究项目“高校机器人技术高端人才培养方法研究”;2019年度合肥工业大学研究生精品课程建设项目“复杂机电系统设计理论”;2018年度教育部产学合作协同育人项目“面向‘中国制造2025’的机器人实验室建设研究”.