改進智能機電綜合實驗教學提高大學生實踐創新能力

梁瑩林,王文一

摘要：本文對傳統智能機電實驗存在的主要問題進行了分析，并結合我校專業學科特點提出了一種基于四自由度機器手平臺的新實驗方案，培養學生獨立進行機電一體化系統的設計、分析、調試和創新設計能力。

關鍵詞：智能機電綜合實驗；實踐創新能力；人才培養

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）01-0209-03

隨著工業現代化的飛速發展，用人單位對畢業生的創新意識和知識綜合運用能力提出了更高的要求，這促使高等院校工科類實踐教學不斷深入改革，探索新的實驗教學內容，突出學生的創新能力和工程實踐能力培養。四自由度機器手是我校2006年購進的實驗平臺，面向全校工科專業的本科學生開設智能機電綜合設計選修實驗，旨在培養學生對機電一體化系統的分析與設計能力。然而學生的工程實踐與創新能力都應建立在具有扎實的軟、硬件知識基礎之上，而且需要有較好的切入點，使學生的實踐能力在已有的技術基礎之上通過實驗得到進一步提高。傳統的驗證性實驗內容沒有涉及完整的機電系統設計，對學生綜合運用課堂知識進行設計的能力鍛煉也不夠，已不能滿足當前人才培養的要求。因此本文基于該機器手實驗平臺提出了一種新的實驗方案，該方案結合我校專業學科特點，培養學生的軟、硬件綜合設計和調試能力，對提高實驗教學質量和培養創新人才發揮了較好的作用。

一、實驗平臺的組成與原理

四自由度機器手采用平面關節結構型式，其原理如圖1所示。機器手的1、2和3軸在水平面上旋轉運動，Z軸通過螺旋副將電機的旋轉轉換為垂直升降運動，其中1、2軸由交流伺服電機驅動，3、Z軸由兩相混合式步進電機驅動。電氣控制采用“計算機+運動控制卡”的方式，計算機內部安裝了基于ISA總線的電機運動信號接口卡，通過編寫程序可輸出電機驅動器所需的相應控制指令和信號。此外，各軸運動的極限位置安裝有光電開關，通過程序檢測邏輯信號可防止相應的軸超出運動范圍，起到保護作用。

二、傳統智能機電實驗存在的主要問題

1.學生對實驗平臺的機電控制原理理解模糊。該平臺是由機械傳動、電氣控制和軟件系統三大部份有機結合的典型機電一體化系統，僅靠講解系統的組成，學生不能深入了解系統的硬件構成，同時也對機器手的運動控制過程理解很模糊。這將成為后期控制軟件編寫的最大障礙，特別是完整的自由運動程序編制，不利于調動學生的積極性和創造性。因此，在實驗訓練中必須要有能夠將各部分銜接的綜合性設計內容。

2.軟件設計訓練內容不夠系統和全面。機器手的控制算法智能與否，是通過程序設計體現的，綜合性的控制程序編制是建立在具備高級程序設計理論的基礎之上。盡管學生在課堂教學中已經學習過相關編程理論，但是，如果沒有系統和全面的軟件設計訓練，實驗就無法很好地起到理論知識與工程實踐的橋梁作用。

3.實驗以驗證為主，沒有自主設計環節。每次實驗過程中，總會有學生提出一些新穎的想法，希望能夠進行自主設計，但是由于實驗平臺缺少配置、學生對軟件開發環境不熟悉等各種原因，不可避免地將實驗局限在以驗證和演示為主的內容上，從而導致實驗內容的水平和質量難以提升。

三、實驗教學的改進與實踐

我校的工科專業特色是以電子信息為主，學生的興趣傾向于電路系統設計與軟件設計，諸如VC++、Protel等各類軟、硬件開發平臺在各類課程中都有提及甚至使用過。因此在這樣一個大環境背景中，只要對學生加以訓練，將課堂教學和實際應用緊密聯系起來，提高實驗的整體水平并非難事。對于少數能力較強的學生，還可適當增加拓展性實驗內容，引導他們進行自主創新設計。

1.步進電機的驅動信號接口電路設計。步進電機配套具有標準接口的驅動器，只需要輸入脈沖和方向信號。以實際使用的驅動信號接口電路設計作為實驗的開始，既能讓學生從熟悉的專業方向入手，容易激起其學習興趣；同時對步進電機的驅動原理有了深刻的理解，為往后的控制程序設計打下良好的基礎；更重要的是，該電路的設計不但要清楚計算機指令如何設置脈沖頻率和方向，還要掌握計算機接口和電路硬件的相關知識，而且對機電驅動技術也要很熟悉，屬于軟、硬件結合的綜合性設計。接口電路原理圖如圖2所示，由2個計數器芯片8253控制3軸和Z軸。每個8253共有3個計數器，工作在方式2（分頻器）下的計數器2為計數器0提供時鐘輸入，它將外部晶振的2MHz信號分頻為134KHz，原因是步進電機的最高運行頻率一般不大于200KHz；計數器0工作在方式3（方波發生器）下，輸出頻率可控的脈沖驅動步進電機轉動，頻率的高低決定了相應機器手關節的運動速度；計數器1工作在方式0（計數器）下，用于計數0輸出脈沖的計數，當計數達到預設值時，其OUT1引腳變為高電平，經過反相器74HC04后使計數器0的門控信號為低電平，停止脈沖輸出，從而實現了機器手關節的角位移量控制。并口芯片8255的PC0與PC1引腳輸出步進電機轉向控制信號，PB0~PB3引腳用于檢測限位開關信號，防止機器手的運動超出極限范圍。

計算機地址總線A23~A2位的狀態通過譯碼器74HC138轉為各芯片的片選信號，A1、A0位則對應了芯片中相應的寄存器地址，各功能控制指令的端口地址如表1所示。對于伺服電機的控制接口卡，其原理也與此類似。

2.基于VC++開發平臺，以功能模塊化編程為主要教學內容。VC++6.0是目前應用最廣泛的開發平臺之一，通過編寫完整的控制程序，學生對典型機電系統的控制軟件設計有了深刻的了解，同時工程實踐能力也得到了綜合的鍛煉。基本的實驗內容按功能可以分為3部分：人機界面、計算機I/O端口操作和機器手關節控制。利用MFC App Wizard向導工具創建一個初步的應用程序，在工程中添加程序運行所需的資源文件，如各種頭文件、動態鏈接庫、系統文件等，并且在對話框界面中添加控制系統所需的各種控件以及一些關于實驗的信息，從而完成整個人機界面的設計。根據信號接口電路，步進電機控制與限位信號是通過I/O口直接進行操作來實現。然而，Window的保護模式不允許對I/O直接進行操作，必須通過調用WinIO.dll庫中的InitializeWinIo（）函數進入內核模式，實現對I/O的直接讀寫，在使用結束后再調用ShutdownWinIo（）退出內核。I/O口操作舉例如下：_outp（0x26b，0x02）；//8255的PC1=1，3軸正轉；_outp（0x263，0x36）；//計數器0，方式3，產生方波；value=0x01&（_inp（0x269））；//讀8255的PB0引腳。

機器手生產廠家以動態鏈接庫的形式提供了控制板卡驅動Kld.dll文件，函數庫中包括伺服和步進電機位置運動、伺服PID參數設置、限位信號獲取等10多個功能函數。其中，步進電機控制與限位信號獲取的相關函數功能與通過I/O口直接進行操作是等效的，前者是后者封裝在函數庫中的結果。學生經過此前的I/O端口操作實驗，已經對其實現過程（包括軟硬件）有了深入的了解，能夠清楚地知道每一個入口參數的作用。機器手的關節控制主要是根據各關節的脈沖當量，調整各關節運動參數之間的關系，使機器手的末端最終達到對準確、快速定位的目的。

3.增加圖像采集與處理為拓展實驗內容。在現代工業領域，傳感技術是機電一體化系統中不可或缺的關鍵性技術，其水平高低決定了系統的自動化程度。傳感檢測已不再局限于邏輯信號和簡單的模擬量，圖像采集與處理成為目前機器人技術中較為熱門的研究方向。盡管圖像處理算法的入門臺階較高，普通本科生難以完成算法方面的實驗內容，但是，對一些學有余力且具有強烈探索欲望的學生（通常占上課人數的20%左右），卻是激發他們獨立設計的一個極好切入點。通過引導這部分優秀學生采用攝像頭獲取動、靜態圖像，并自主進行圖像識別算法設計，可以為他們今后參與相關科研或工程項目打下基礎，同時也使得實驗更具完整性和趣味性。視頻設備進行圖像采集主要是通過在VC++中，使用微軟公司多媒體編程接口開發工具包DirectX9.0中的DirectShow捕捉視頻流，以及CCaptureVideo視頻捕捉類進行啟動、關閉、截取靜態圖像等操作。

完整的機器手控制程序運行界面如圖3所示。

新的實驗方案為學生的工程實踐能力和創新能力提供了良好的實踐平臺，大大提高了學生做實驗的積極性。學生通過設計接口電路和編寫完整的控制程序，對典型機電系統的構成及其智能控制方法有了深入的了解，同時培養了學生綜合運用課程知識進行工程實踐的能力，也為進一步探索機器人的創新功能提供了技術基礎。本實驗從2009年開始進行探索性改革，面向全校各專業學生開設跨專業的創新選修實驗，取得了良好的教學成果。

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作者簡介：梁瑩林（1983-），男，廣西人，助理工程師，碩士，研究方向為機電測控的教學與研究。