五自由度搬運機器人工程綜合實訓平臺

孟振華

（煙臺大學工程實訓中心 山東·煙臺 264005）

機器人對提升我國制造業的全球競爭力發揮著至關重要的作用。機器人在制造領域的普及必然要求高校培養大量具有復合知識結構和創新能力的工程技術人才。[1]包括煙臺大學在內的眾多高校也已陸續開設機器人專業和相應的專業技術課程。工程訓練教學作為工程技術人才培養的關鍵環節，更應加速推進教育改革創新，以服務新工科的建設與發展的迫切需求為己任，緊跟現代制造業發展趨勢，積極響應人才市場需求，建設以工程綜合創新能力培養為目標的機器人綜合創新實訓平臺。

作為工程訓練教學體系的第三層次，[2]工程綜合創新訓練更加注重不同學科理論知識的交叉融合和各種工程技術能力的綜合應用。因此，在工程綜合創新實訓活動中，學生才是居于中心位置的主體，而教師在實訓項目實施過程中更多起到的是方向引導的作用。綜合、開放、友好的新型實訓平臺是工程綜合創新實訓開展的關鍵。傳統的工業機器人由于設備成本較高，控制系統開放程度低，操作危險性等因素，需要較高的專業操作技能要求，難以應用于“以學生為主體”的工程綜合創新實訓。煙臺大學工程實訓中心利用實驗室開放項目，搭建了基于Arduino控制的五自由度搬運機器人實訓平臺，并在此基礎上開展了工程綜合創新實訓。

1 實訓平臺設計

1.1 總體設計

面向工程綜合創新能力培養的搬運機器人實訓以培養學生自主進行機器人相關項目的設計、應用能力為目的。因此，實訓平臺的設計應當考慮以下幾點：（1）機械構應有普遍性、代表性，與常見六自由度工業機器人具有較高相似性；（2）控制器開放程度高，對學生友好，易于入門上手；（3）成本低，易于推廣，便于維護。

基于以上設計思想，模擬工業機器人上下料搬運應用場景，設計五自由度關節型搬運機器人實訓平臺。實訓平臺由機械本體、驅動裝置、控制器三部分組成。

關節型搬運機器人機械本體結構如圖1所示，整個機械手共有5個回轉關節，1個末端執行器（手抓）。其中：第1關節（J1）軸線與水平面垂直，第 2、第3、第 4關節（J2、J3、J4）軸線與水平面平行，與第1關節（J1）軸線垂直，第5關節（J5）軸線與第 4 關節（J4）軸線相垂直。本實訓平臺機械手的 J1、J2、J3、J4、J5關節的作用分別對應6自由度關節型工業機器人的J1、J2、J3、J5、J6 關節。J1、J2、J3 關節用來確定機械手的空間位置，J4、J5關節用來控制末端執行器（手抓）的空間姿態。為了保證大負載狀態下機械手臂的穩定性，設計J2相對于J1有一個負向偏置。

5臺扭力15kg、轉動范圍0-270°標準舵機，控制控制5個關節的回轉運動；1臺扭力15kg、轉動范圍0-180°的耐燒舵機，控制末端執行器（手抓）的開合運動。

控制器是以ArduinoATMega328為核心，集成舵機驅動模塊的小型控制板。該控制器具有以下顯著優點：（1）體積小、易于擺放，同時接口資源豐富，利于實訓項目延伸擴展；（2）Ardu-ino IDE平臺開發語言簡單清晰，適合學生快速入門上手；（3）Arduino IDE平臺開發環境支持Windows、MacOS、Linux等系統，可在大多數計算機操作系統運行；（4）共享資源豐富，適合學生自主研究學習。[3]

圖1 關節型搬運機器人機械結構示意圖

1.2 運動學分析

根據標準D-H法，以底面某一點為世界坐標系（基座坐標系）∑0，∑1-∑5坐標系分別與J1-J5關節固連，坐標系Z軸與關節軸線重合。根據各關節之間幾何關系以及標準D-H參數定義法則確定機器人各關節坐標系位姿變換關系如圖2所示，五自由度搬運機器人標準D-H運動學模型參數如表1所示。

表1 搬運機器人標準D-H運動學模型參數

圖2 機器人各關節坐標系位姿變換關系

根據標準D-H法關節坐標變換規律，即：（1）繞Xi-1軸轉i-1角度；（2）沿Xi-1軸移動ai-1距離；（3）繞Zi軸轉 i角度；（4）沿Zi-1軸移動di距離。[4]

借助Matlab Robotics Toolbox建立五自由度機械手運動學仿真初始狀態模型如圖3（a）所示。考慮到機械手待機狀態下舵機負載盡可能小的原則，將機械手零位狀態定義為：J1、J3、J5 關節偏移量為 0，J2、J4關節偏移量為 /2，如圖3（b）所示。

圖3 Matlab Robotics Toolbox運動學建模

2 實訓項目設計

實訓項目設計為模擬工業機器人進行貨物搬運，具體要求為：編程使用機械手將存放區域A的正方體物料從A點依次碼放到目標區域B，如圖4所示。

圖4 機械手與存放區域、目標區域關系

項目要求學生根據機械手性能和被搬運物體幾何尺寸確定存放區域中心點到機械手基座坐標系中心點的距離，機械手機械坐標系原點到目標區域中心點距離；控制機械手完成搬運作業。實訓項目實施分為三個階段：關節變量計算，控制程序編寫，運行調試。

2.1 關節變量計

圖5 機械手工作空間示意圖

表2 抓取過程各控制變量參數表

圖6 機械手逆運動學解析圖

2.2 控制程序編寫

通過查閱開源資料，將解析計算的結果轉化為控制程序。本實訓平臺所使用舵機的基準信號是周期20ms，占空比有效范圍0.5-2.5ms。1.5ms基準信號定義為中位信號，當脈寬給1.5ms時對270°舵機來說就是控制其處于135°的位置。為了簡化控制復雜程度，本實訓平臺主控板支持多個舵機控制指令，編寫控制程序主要使用以下三種指令：

舵機運動指令，格式為：#IndexPpwmTtime!其中，Index為3位，代表從000號開始要控制的舵機編號；pwm為4位，代表舵機高電平脈寬從500-2500 s，500代表舵機起始位置，即0°位置，2500代表最大行程位置；time為4位，代表從上一位置運行到當前位置所用時間，取值范圍從0000-9999，單位ms。

停止指令：$DST!，舵機在運行過程中，接收到此指令將會停止所有舵機的運行，停在當前位置。

復位指令：$DJR!，執行該指令，舵機0號到5號舵機全部復位到1500的初始位置。

2.3 運行調試

運行調試環節主要是驗證控制程序的正確性和合理性。本實訓平臺手抓為舵機控制，需要確定手抓開合度的理想設置，開合度偏大將導致手抓抓取不穩，被抓取物體掉落，開合度偏小將導致舵機負載過大，燒毀舵機。通過調試修正1～5關節參數以及手抓開合度參數。以一個物體的抓取過程為例，通過逆運動學求解可得控制變量參數如表2所示，運行抓取程序如圖7所示。

圖7 搬運過程示意圖

3 總結

五自由度搬運機器人工程綜合實訓以機器人運動學為理論支撐，通過搬運場景設計、搬運動作設計、運動參數計算、控制程序編寫以及調試優化運動參數等一系列環節，模擬了關節機器人進行搬運、碼垛的工業應用場景。在此過程中，學生作為實訓教學活動的主體，發揮自身主觀能動性，運用所學理論知識，通過在實訓平臺上進行大量實踐自主完成項目，在實訓過程中收獲工程綜合創新能力。

五自由度搬運機器人綜合創新實訓項目實施一年來取得了良好的教學效果。學生通過實訓實現了從被動學習到主動研究的模式轉變。此外通過實訓對關節機器人控制有了進一步的了解，為日后參加各類學科競賽積累了實踐經驗，打下良好基礎。