機器人手臂開放式控制實驗平臺在實驗教學中的應用

錢鈞 訾斌 錢森

[摘 要] 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，自主設計了一款機器人手臂開放式控制實驗平臺。該平臺以3D打印機械手為被控對象，使用低成本開源控制器，控制系統支持機器人操作系統（ROS），可以開展機器人關節運動控制、手臂協調控制等實驗，有助于學生掌握機器人控制的基本理論和軟件編程。

[關鍵詞] 機器人;控制;機器人操作系統;實驗教學

[基金項目] 2019年度安徽省重大教學改革研究項目“高校機器人技術高端人才培養方法研究”;2019年度合肥工業大學研究生精品課程建設項目“復雜機電系統設計理論”;2018年度教育部產學合作協同育人項目“面向‘中國制造2025的機器人實驗室建設研究”

[作者簡介] 錢 鈞（1979—），男，安徽舒城人，工學博士，副教授，碩士生導師，主要從事移動機器人技術研究;訾 斌（1975—），男，江蘇徐州人，工學博士，教授，博士生導師，主要從事柔性驅動機器人研究;錢 森（1988—），男，山東棗莊人，工學博士，副教授，碩士生導師，主要從事柔索并聯機器人研究。

[中圖分類號] G642.423? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號]1674-9324（2020）35-0388-02? ? [收稿日期]2020-10-15

一、機器人課程實驗教學存在的主要問題

高校工業機器人課程教學中，工業機器人的組成、運動學、動力學、路徑規劃和控制等主要內容相互關聯、互成體系，另外，機器人控制是教學的重點和難點。現有成熟的工業機器人產品和實驗設備通常側重于運動控制精度和性能，控制或仿真軟件功能強大。

但從教學的角度看，由于開放程度有限，不便于學生學習和驗證機器人控制算法、關節電機控制、視覺檢測、數據通信等關鍵技術，無法最大程度用于機器人課程和實驗教學。目前，很多教學、實驗人員對機器人教學過程中存在的問題進行了深入的探討，包括教學實驗方法研究[1]、實驗室建設[2]，以及研制新型實驗教學儀器和設備[3-5]等，取得了很好的教學效果。在開展工業機器人課程實驗教學時，如何將理論教學內容中的機器人機械結構、運動學、控制、路徑規劃、感知、編程等技術形成有機的整體，使學生更好的理解理論知識，并通過編程進行實驗驗證，是形成閉環教學體系的關鍵。

本教學團隊在十多年的工業機器人課程教學過程中，總結理論和實踐教學經驗，結合相關機器人研究成果，研發了機器人手臂開放式控制實驗平臺。該平臺獲得了2018年“第五屆全國高等學校教師自制實驗教學儀器設備創新大賽及優秀作品展示活動”三等獎。

二、機器人手臂開放式控制實驗平臺的研制

該實驗平臺以3D打印的多自由度機器人手臂結構為原型，使用低成本開源控制器和電腦，設計機器人手臂的控制系統，分別實現多個關節電機的獨立控制和手爪的運動控制;并使用視覺傳感器進行物體檢測和機器人自動抓取。該平臺的外觀和組成如圖1所示。

1.機械系統。機器人手臂由五自由度旋轉關節組成，分別由伺服電機和步進電機驅動，兩指手爪的開合運動由舵機驅動。為了便于調試和進行主從遙控實驗，設計了機器人主手，由三軸飛行搖桿和自制三自由度操縱桿組成，角度測量分別使用了霍爾角位移傳感器和光電編碼器。

2.控制系統。控制系統由下位機和上位機組成。下位機為兩個BeagleBone Black開源控制器，分別控制多個關節電機。該控制器支持Linux操作系統和機器人操作系統（Robot Operating System，ROS）。上位機使用電腦，進行路徑規劃和運動學計算，另外進行視覺傳感器數據采集和處理，將控制指令傳送給底層的開源控制器，控制機器人手臂和手爪運動。

該實驗平臺使用低成本控制器和開源軟件編程，支持機器人操作系統（ROS），實現了機器人手臂多個關節之間的協作和多個控制器之間的數據通信，為開展機器人實驗教學、進行機器人控制程序設計提供了開放式控制實驗平臺。

三、平臺在機器人實驗教學中的應用

為了配合工業機器人課程教學，結合機器人手臂開放式控制實驗平臺的功能和特點，開展了以下機器人實驗教學內容：

1.主從遙控實驗。通過手動操縱機器人主手，獲得三自由度操縱桿、三軸飛行搖桿反饋的角度變化值，轉換成機器人手臂相應關節的運動指令，分別用于控制機器人手臂的臂關節、腕關節旋轉和手爪動作，從而手動控制機器人手爪在操作空間中的位置和姿態，進一步驗證關節變量空間和手爪操作空間之間的幾何關系。

2.運動控制實驗。通過對底層控制器程序的學習和設計，掌握關節電機控制的實現過程。通過在上位機中進行基于ROS的軟件編程，完成機器人運動學、動力學計算和空間路徑規劃，進行關節運動控制、多軸協調控制，控制手爪的運動。學生可以進行三維可視化設計，以及加入避障功能。

3.機器視覺實驗。通過在機器人手爪上、或者在天花板上安裝視覺傳感器，進行視覺圖像、景深圖像采集和處理，研究機器視覺算法，檢測目標物體的空間位置，控制機器人手臂運動到目標物體位置，完成自動抓取、搬運和釋放物體實驗。

該平臺將機械系統、控制系統和傳感器組成完整的整體，便于學生建立“系統”的概念。學生通過編寫控制程序，對機器人關鍵技術進行驗證，實現所需控制功能，使學生從底層軟、硬件設計著手開展機器人設計，從而更好的理解和驗證機器人技術，培養編程和動手能力。因此，該平臺可以鍛煉學生的編程思維、系統性思維和發散思維能力，培養學生解決復雜工程問題的能力。

四、結論

針對機器人實驗教學過程中控制、軟件編程訓練薄弱等問題，設計了一款機器人手臂開放式控制實驗平臺，具有多自由度、分層控制、主從遙控、運動控制和開源的特點。通過開展關節控制、多軸協調控制和機器視覺等實驗，使學生掌握機器人控制和軟件的精髓，適用于本科生和研究生開展機器人實驗，具有很好的開放性和推廣價值。

參考文獻

[1]郭東亮，保延翔，劉樹郁，等.綜合性大學自動化專業機器人實踐教學體系探索[J].實驗室研究與探索，2017（3），212-216.

[2]田軍營，韓建海，魏冰陽.高校工業機器人實驗室建設路徑探討[J].中國教育技術裝備，2018（2），74-76.

[3]鄺禹聰.面向實驗教學的六自由度機器人開發[D].華南理工大學，2017.

[4]李頎，強華.工業機器人實驗教學平臺[J].實驗技術與管理，2018（4），166-170.

[5]錢鈞，訾斌，周蓉.可升降雙軸隨動轉臺在機器人本科實驗教學中的應用[J].教育教學論壇，2017（24），267-268.