非完整約束移動機器人綜合實驗平臺研發與應用

韋 錦, 孫玉璽, 蒙艷玫, 董 振, 唐治宏

(廣西大學 機械工程學院， 廣西 南寧 530004)

非完整約束移動機器人綜合實驗平臺研發與應用

韋 錦, 孫玉璽, 蒙艷玫, 董 振, 唐治宏

(廣西大學 機械工程學院， 廣西 南寧 530004)

采用硬件模塊化、軟件組件化的開發方式，通過開放性的輸入輸出接口，用可反復重構的模塊化硬件、組件式軟件構成積木式完全開放的柔性綜合教學平臺，具有極高的靈活性和可擴充性。該實驗平臺為學生提供多門課程的基礎性、綜合性、設計性實驗的學習，將課程學習及實驗和實際工業應用聯系起來，并進一步提升到工業機器人硬件設計、安裝調試和軟件開發等創新設計、研究性學習，提高了學生學習的興趣和積極性，培養了學生實際應用和綜合創新能力，滿足現代工業企業對綜合技能人才的需求。

移動機器人; 綜合實驗平臺; 模塊化設計

非完整約束移動機器人是操作手和移動平臺的組合體, 具有操作和移動的功能[1-2]。與固定基座的機械手相比, 這種機器人具有更大、更靈活的工作空間, 特別適合遙控和遠程操作, 主要應用在礦業、建筑、林業、空間探索和軍事等方面。對于移動機器人, 移動平臺使系統具有非完整約束性,移動平臺和機械手之間具有很強的耦合作用, 使移動機器人的軌跡規劃和運動控制變得復雜,兩者的結合進一步增加了系統的復雜性[3-8]。移動機器人是一個集合環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多種功能于一體的綜合型智能系統[9],涉及機械設計技術、機器人技術、控制工程、測試技術、智能信息處理技術、嵌入式系統設計以及運動控制系統等多學科知識的學習和綜合應用,是機械類學生開展機器人相關課程學習和創新性實踐的良好平臺。

本著融合多門課程知識的學習和綜合運用,同時以展示產品研發過程為目標,結合課題組近年成功研發的機械手產品,設計開發了一套非完整約束移動機器人開放性綜合實驗平臺,學生在實驗平臺上可以完成機械設計、機器人技術、控制工程、測試技術、智能信息處理技術、嵌入式系統設計以及運動控制系統等課程的一系列專題和綜合實驗,滿足自動控制和機電一體化實驗教學的需要。同時把一個產品的研發過程濃縮到實驗里,讓學生結合實際產品的研發過程,帶著思考去親手實踐一個產品從無到有的過程,強化學生對所學知識的理解和掌握。通過設計一系列展示研發過程的實驗課題,提高學生專業知識綜合運用的能力,激發學生學習和研究興趣。

1 綜合實驗平臺的總體設計

非完整約束移動機器人綜合實驗平臺包括六關節機械手、移動底盤以及控制系統3大部分。綜合實驗平臺總體架構見圖1。

圖1 綜合實驗平臺總體架構

1.1 移動底盤

底盤由伺服電機驅動,內置鋰電池為整機供電以減輕底盤的重力以及體積。底盤采用左右兩側的履帶式機構,可以實現原地調頭、攀越障礙物等功能,并為六自由度機械手提供承載平臺。

1.2 六關節機械手

采用了自動搬運、裝配、噴涂、焊接等工業現場常用的關節型串聯機械手形式[10-12],拉近了教學現場與工業現場的距離。機械手通過底座安裝在底盤上,由大、中、小3個臂以及轉盤關節、第一肩關節、第二肩關節,肘關節、旋轉關節、腕關節6個關節組成,由步進電機驅動各關節,并實現機械手的多種復雜軌跡運動。執行機構為手抓、噴槍、焊槍等,能夠模擬工業機器人的物料抓取、裝配、工業噴涂、焊接等作業。

1.3 控制系統

控制系統以STM32作為核心控制元件,包括車載式控制系統及手持式控制系統,并基于4G、WiFi等的無線通信技術實現與兩控制系統的信息交換。設置開放式的數據輸入輸出接口,可自行配置接口的參數及功能定義,以方便傳感器及執行器的后期拓展。

2 綜合實驗平臺控制系統

2.1 控制系統總體架構

控制系統包括車載式控制系統及手持式控制系統,基于4G、WiFi等的無線通信技術實現對機械手及移動底盤的無線自動控制以及數據采集。基于模塊化的控制系統軟件設計包括操作與監測層、運動規劃與控制層以及基礎控制層的程序模塊。程序源碼完全開放,可以實現對各功能模塊的編輯及調試。基于Matlab/Simulink開發的數據接口實現了非完整約束移動機器人與虛擬仿真實驗教學平臺的實時數據同步[13]。綜合實驗平臺控制系統總體架構見圖2。

操作與監測層采用基于ARM Cortex-M4內核的STM32為控制器,負責連接按鍵、搖桿等硬件設施,并通過無線通信的方式與車載控制系統交換信息。在操作與監測層中將實時采集機械手的位姿信息與底盤前置攝像頭拍攝到的圖像實現實時顯示。搖桿與按鍵配合操作更加符合人機交互的需要。

運動控制與規劃層主要由STM32主控制器完成整機的運動控制、機械手的軌跡規劃與操作層信息傳遞等,并實時計算機械手當前位姿,對傳感器信號進行響應。

基礎控制層則由電機驅動器、電機、執行機構與限位傳感器組成。機械手由步進電機及其配套的驅動器驅動,從而可以滿足機械手的運動精度要求。履帶底盤則由2個扭矩較大的直流電機相互配合通過差動方式驅動[14-15],且履帶與地面接觸面積比普通車輪更大,所以履帶底盤的靈活性、機動性更強。3個部分相互聯系、相互配合組成整機的控制系統。

2.2 綜合實驗平臺操作控制器設計

實驗平臺操作控制器包括車載式控制器及手持式控制器。手持控制器即為操作與監測層的控制器,由STM32與搖桿、按鍵、機械手位姿顯示屏、實時圖像顯示屏等外設連接,并通過無線通信的方式與車載控制器進行信息交換,可對整機進行操作與監測。車載控制器為本實驗平臺的下位機控制器,并跟隨底盤一起移動,位于運動控制與規劃層及基礎控制層,其采用STM32作為核心控制單元,負責移動平臺與機械手的運動規劃與控制,可接收手持控制器的指令,并在執行相應動作的同時實時傳輸機械手位姿等信息。車載控制器也配備搖桿、按鍵與一塊LCD觸摸屏,可獨立對本實驗平臺進行操作。圖3所示為手持式控制器與車載式控制器面板。

圖2 控制系統總體架構

圖3 手持式控制器與車載式控制器面板

3 綜合實驗平臺功能和實驗教學內容設置

3.1 綜合實驗平臺功能

本綜合實驗平臺主要作為機械類、機電結合類專業的學生多門課程知識點學習和綜合運用的平臺。根據 “認知——實踐——創新”的思想,將該綜合實驗平臺的設計、仿真、制造、控制作為典型教學案例,貫穿于多門課程實踐教學活動中,主要圍繞基礎課程、專業課程的實踐、課程設計等3個環節展開,實現了機器人設計、制造、測控系列課程中的關聯知識點有機銜接。主要開設課程實驗有:

(1) 基礎課程如機械原理、機械設計基礎課程,依據該綜合實驗平臺,使學生直觀理解機器的組成、運動副的分類及定義(各關節的轉動副、電動推桿的移動副等)、自由度的定義及運算、機械傳動方法等內容,也易于提高學生學習興趣。

(2) 專業課程如機器人學課程,要求學生根據給定的非完整約束移動機器人原始數據(機構工作空間、運動學/動力學參數),進行逆運動學分析、工作空間分析、剛體動力學分析、伺服電機參數預估、末端空間直線以及弧線軌跡規劃等,建立相應的數學模型、編寫計算機程序,并實現對關節機械手的實際運動控制,完成特定的抓取、搬運等功能。又如虛擬樣機技術課程,根據非完整約束移動機械手的實際物理參數讓學生建立其UG、PROE等三維幾何模型,并導入虛擬樣機軟件(如ADAMS)中,構建運動學及動力學仿真模型,基于ADAMS/Matlab的控制器協同仿真技術,實現非完整約束移動機器人物理控制器與虛擬模型的聯合仿真,直觀體驗設計方案的可行性及運行效果,也使學生能夠學習到現代的設計手段。

3.2 綜合實驗平臺教學內容的設置

(1) 驗證類實驗。為讓學生了解機械手控制系統各硬件模塊功能,設置各控制模塊的開放接口,用以完成各類器件的基本性能測試,如六關節機械手的軌跡控制測試實驗、基于4G的無線數據通信測試實驗等。

(2) 拆裝類實驗。主要讓學生依據技術標準進行機械手機械零部件的拆裝實訓、控制系統安裝及連接實訓等,熟悉該工業機械手的各項操作功能,了解各零部件的裝配關系及安裝參數要求,理解控制柜中各類器件的布局和走線設計所遵循的一般原則等。

(3) “模塊填空”類實驗。這類實驗屬于單項設計實驗,學生掌握了該綜合實驗平臺機械結構、控制系統硬件、軟件的組成及工作原理之后,學生自選設計模塊,充分展現各自的想象力和創造力,設計出充滿個性的子系統控制功能。

(4) 綜合設計聯調類實驗。整合設計、虛擬仿真及分析、程序調試驗證的過程,學生逐步設計、調試各個軟件模塊,最后完成一個中等復雜程度的完整的系統軟件的設計,如完成機器人排爆、機器人搬運、機器人災難現場探測等綜合性實驗。讓學生能從整體上把握系統軟件各層次的設計思路,分析掌握各軟件模塊間的接口關系以及各軟件模塊設計的先后順序和聯調關系,獲得進行綜合聯調類項目的設計和實踐經驗。

(5) 設計研發能力的培養。非完整約束移動機器人綜合實驗平臺涉及機械類課程、機電類課程等知識的綜合學習與應用。通過對機械工作原理認知、機械結構設計、機械系統仿真、控制模塊單項設計,并提升到機器人機電聯合系統的開發研究,能夠讓學生比較系統地梳理自己所學知識并加以應用,掌握產品設計研發的過程,熟悉規范的科學研究方法,提高學生的動手能力,增強了學生的自信心。

4 綜合實驗平臺的教學特色與教學效果

綜合實驗平臺是針對授課中出現的問題而設計的,與課程緊密結合,與課程的授課內容相關性高。綜合實驗平臺能很好地貼近真實的機器人技術,讓學生了解機器人的工作原理以及控制方法,樹立科學意識,掌握科學方法和實驗操作技能。該實驗平臺具有以下鮮明的教學特色:

(1) 從技術先進性看,平臺的技術方案結合了當代熱門的機器人技術及智能化技術,容易引起學生的學習興趣,從而激勵學生深入探究機器人結構、機器人運動控制、STM32控制系統開發、PLC控制系統開發、GPS定位、無線數據采集等知識和技能。

(2) 從結構靈活性角度看,平臺可以根據功能需求自由拆裝組合,組合后能產生不同的效果。如可以更換不同的機械手末端執行器,實現物體搬運、噴涂、路面清潔等功能；也可將移除部分機械手臂或關節,使機械手變成五自由度機械手或四自由度機械手等,教學靈活性高。

(3) 從控制系統學習角度看,控制系統中開放式的數據輸入/輸出接口易于實現設備功能的拓展,如增加超聲波傳感器,可實現自動避障；連接各種有害氣體和物質的檢測傳感器,便可實現對事故現場的遠程勘測等功能。以上均達到舉一反三的效果,啟發學生根據這一實驗平臺,去聯想其他的應用以及相應的實現方案,并在此設備基礎上進行功能拓展及驗證。

(4) 從知識綜合運用角度看,平臺綜合了機械原理、機械設計、虛擬仿真、制造工藝、機電一體化技術、機器人、程序設計、通信技術等知識,涵蓋了大部分機械類、機電結合類專業學生的相關課程,將其作為典型案例,貫穿相關課程的課程實驗,學生以小組為單位完成用于特定工作機構(或其變型)的設計、分析、仿真、制造、控制等工作,完整地體驗產品的設計與制造全過程,引發學習興趣和思考,有利于學生主動參與、合作交流,提高學生實際動手能力、分析和解決工程問題能力,以及合作學習和協同工作能力,對學生的知識的綜合運用起到很好的啟發作用。

我校以該綜合實驗平臺為載體,整合設計、仿真、制造、測控4大系列課程的教學內容,創新基礎課程及專業課程實驗教學方法,應用于本科生課程設計、畢業設計以及學生課外創新實踐和研究生的課題研究中,并精心編寫了所需的實驗教材、指導書等教輔材料。從學生的反應和實際操作來看,該綜合實驗平臺使學生把有關機械原理、虛擬仿真、制造工藝、機電一體化技術、機器人、程序設計、通信技術等課程的知識有機的結合起來,極大地提高了學生學習的興趣和積極性,培養了學生實際應用和綜合創新能力。

5 結論

(1) 所研發的綜合實驗平臺構思巧妙,通過開放性的輸入輸出接口,用可反復重構的模塊化硬件、組件式軟件構成積木式完全開放的柔性綜合教學平臺,實現一機多用的同時提高了教學效果。

(2) 綜合實驗平臺基于ADAMS/Matlab開發的控制器協同仿真技術,能夠在虛擬環境中測試控制器對虛擬機械手的運動控制過程,實現了虛擬仿真實驗和實體實驗的緊密結合和綜合應用,教學內容新穎、教學方法先進。

(3) 綜合實驗平臺可為學生提供基礎性、綜合性、設計性及研究性一系列實驗的系統學習,使學生把有關機械原理、機械設計、虛擬仿真、制造工藝、機電一體化技術、機器人、程序設計、通信技術等課程的知識有機的結合起來,同時將課程學習及實驗與實際工業應用聯系起來,通過對工業機器人硬件設計、安裝調試和軟件開發等創新設計,實現研究性學習,極大地提高了學生學習的興趣和積極性,培養了學生實際應用和綜合創新能力,滿足現代工業企業對綜合技能人才的需求。

(4) 將具有自主產權的科研成果用于教學,增進了學生對學科前沿與發展動態的了解,激發了學生的學習興趣。以該綜合實驗平臺為載體,將培養學生創新能力和主動實踐能力的理念貫穿于課程教學和實踐教學的全過程,創新了教學模式。該成果目前共申請4 項國家發明專利,其中2項已獲得授權。

References)

[1] 梅紅. 移動機械手的逆運動學及滑模變結構軌跡跟蹤控制研究[D].濟南：山東大學, 2009.

[2] 張曉麗. 移動機械手系統運動學分析及動力學初探[D]. 天津：河北工業大學, 2006.

[3] 李新春. 基于運動學的移動機械手協調路徑規劃的研究[D]. 北京:中國科學院自動化研究所, 2006.

[4] 鞠升輝,李楊民.非完整約束移動機器人論域自調整模糊控制研究[J]. 電子設計工程，2016(5)：103-106.

[5] 劉才山.分析動力學中的基本方程與非完整約束[J]. 北京大學學報(自然科學版),2016(4):756-766.

[6] 董文杰, 霍偉. 受非完整約束移動機器人的跟蹤控制[J]. 自動化學報, 2000, 26(1):1-6.

[7] 劉磊, 向平, 王永驥,等. 非完整約束下的輪式移動機器人軌跡跟蹤[J]. 清華大學學報(自然科學版),2007,47(增刊2):1884-1889.

[8] 師名林. 移動機械手動力學建模及其仿真研究[D]. 天津:天津理工大學, 2007.

[9] 許永華. 基于信息融合和多行為決策的自主機器人導航系統[D]. 武漢:中南大學, 2002.

[10] Craig J J.機器人學導論[M].贠超,譯.3版.北京:機械工業出版社, 2006.

[11] Niku S B. 機器人學導論: 分析、控制及應用[M].孫富春,朱紀洪,列國棟,等譯.2版.北京：電子工業出版社, 2013.

[12] Siciliano B, Sciavicco L, Vllani L, et al. Robotics: modelling, planning and control[M].Spriger Science & Business Media, 2010.

[13] 劉衛國. MATLAB程序設計與應用[M]. 北京:高等教育出版社, 2002.

[14] Rigelsford J. Introduction to Autonomous Mobile Robots[M]. MIT Press, 2005.

[15] 布勞恩. 嵌入式機器人學[M].西安:西安交通大學出版社, 2012.

Development and application of comprehensive experimental platform for mobile robot with nonholonomic constraint

Wei Jin, Sun Yuxi, Meng Yanmei, Dong Zhen, Tang Zhihong

(College ofMechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

This comprehensive experimental platform adopts the development method of hardware modularization and software component. Through the open input and output interfaces, a block-type, entirely open and flexibly comprehensive teaching platform is built by using the modularized hardware and component software which can be repeatedly reconstructed, which has high flexibility and scalability. The experimental platform provides the learning of basic, comprehensive and designable experiments in many courses for the students. It links the course learning and experiments to the real industrial application, which further promotes the innovative design and research-oriented learning about the hardware design, installation and adjustment, and software development of the industrial robots, enhances the students’ learning interest and enthusiasm, cultivates their practical application and comprehensive innovation abilities, and meets the demand of the modern industrial enterprise for comprehensive skilled talents.

mobile robot；comprehensive experimental platform; modularized design

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.018

2016-07-18 修改日期：2016-09-01

新世紀廣西高等教育教學改革工程資助項目(2015JGA124)

韋錦(1987—)，男(壯族)，廣西南寧，碩士，講師，研究方向為虛擬樣機技術

E-mail：jixiegong@163.com

蒙艷玫(1963—)，女，廣西南寧，博士，教授，博士生導師，國家級廣西大學機械工程虛擬仿真中心主任，主要研究方向為虛擬樣機技術、機電系統智能檢測與控制技術.

E-mail：gxumengyun@163.com

TP24;G484

A

1002-4956(2017)1-0074-05