可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺在機器人本科實驗教學中的應(yīng)用

錢鈞+訾斌+周蓉

（合肥工業(yè)大學機械工程學院，安徽 合肥 230009）

摘要：針對機器人課程的多學科交叉特點和現(xiàn)有實驗教學設(shè)備功能有限的現(xiàn)狀，自主設(shè)計了一款開放式可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺。該轉(zhuǎn)臺具有三個自由度，可以開展底層運動控制、傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、運動物體檢測與跟蹤實驗，具有很好的開放性，對機器人本科實驗教學具有良好的促進作用。

關(guān)鍵詞：機器人；實驗教學；轉(zhuǎn)臺；開放性

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）24-0267-02

一、機器人課程實驗教學存在的主要問題

高校機器人課程是一門多學科綜合交叉的邊緣學科。隨著中國制造的產(chǎn)業(yè)化升級和“中國制造2025”政策的發(fā)布，對機器人領(lǐng)域的專業(yè)人才需求量越來越大，機器人教學應(yīng)當積極應(yīng)對這一變化，順勢而為。針對高校機器人課程教學中存在的問題，已有很多相關(guān)的研究和探索，旨在改進課程教學方法，提高教學質(zhì)量。然而，機器人課程實驗教學仍然存在諸多問題，包括實驗儀器開發(fā)、實驗方法研究和實驗室建設(shè)等，僅靠教學人員或?qū)嶒炄藛T均無法獨立解決。筆者多年從事機器人教學和實驗發(fā)現(xiàn)：首先，組成機器人的機械、控制和感知系統(tǒng)對應(yīng)的知識內(nèi)容相互孤立；其次，機器人教學、科研和應(yīng)用開發(fā)等用途之間相互孤立。二者分別對應(yīng)微觀、宏觀兩個層面的“孤島效應(yīng)”，制約了學生對機器人課程關(guān)鍵知識的理解和吸收，無法形成完整的閉環(huán)?，F(xiàn)有的機器人實驗教學儀器存在功能、開放程度、與課程體系的結(jié)合程度等方面的不足，無法滿足新形勢下機器人實驗教學要求。為此，自主研制了一款開放式可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺。該轉(zhuǎn)臺獲得了安徽省首屆高等學校自制實驗教學儀器設(shè)備展評活動一等獎和第四屆全國高等學校自制實驗教學儀器設(shè)備評選活動三等獎。

二、開放式可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺的研制

該轉(zhuǎn)臺是一款由可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制的三自由度云臺，由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。通過在轉(zhuǎn)臺上安裝視覺傳感器，可以進行運動物體檢測與跟蹤。

1.機械系統(tǒng)。由升降、偏航和俯仰機構(gòu)組成。升降機構(gòu)使用電動缸帶動轉(zhuǎn)臺在豎直方向上直線移動。偏航、俯仰機構(gòu)使用直流伺服電機經(jīng)諧波減速器減速和同步帶傳動后，分別繞豎直、水平轉(zhuǎn)軸做回轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)運動。在水平轉(zhuǎn)軸上安裝了視覺傳感器，通過轉(zhuǎn)臺的運動，實現(xiàn)多視角圖像采集。

2.控制系統(tǒng)。底層控制器為西門子S7-1214 PLC及其擴展模塊，用于進行電機控制、編碼器數(shù)據(jù)采集和輸入輸出控制等。上位機使用筆記本電腦，用于進行視覺傳感器圖像采集與處理、以及三自由度運動插補計算。為了跟蹤運動物體的方位，使其始終處于圖像中心位置，使用插補算法，計算每個自由度的關(guān)節(jié)變量。最后，通過以太網(wǎng)通信，將計算值傳遞給PLC，控制轉(zhuǎn)臺的運動，并返回編碼器數(shù)據(jù)。為了便于調(diào)試，分別使用電子手輪、無線遙控手柄進行精確、粗略手動控制，并使用觸摸屏進行控制參數(shù)設(shè)置和運動狀態(tài)監(jiān)測。該轉(zhuǎn)臺既是教學、科研實驗臺，同時也是一款具有實用價值的機電產(chǎn)品。

三、轉(zhuǎn)臺在機器人實驗教學中的應(yīng)用

為了配合機器人本科課程教學，結(jié)合開放式可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺的功能和特點，開展了以下機器人實驗教學內(nèi)容。

1.底層運動控制實驗。使用PLC進行轉(zhuǎn)臺的底層控制系統(tǒng)設(shè)計，繪制電氣控制原理圖。使用順序控制設(shè)計法，編寫相應(yīng)的控制程序，進行轉(zhuǎn)臺運動控制實驗。學習用于控制步進電機、直流伺服電機的PLC程序設(shè)計及相關(guān)運動功能模塊。進行電機的位置、速度控制實驗和PID參數(shù)調(diào)整實驗，設(shè)計相應(yīng)的手動輸入裝置和人機交互裝置。

2.傳感器實驗。內(nèi)部傳感器實驗：使用光電編碼器測量電機轉(zhuǎn)角。利用PLC的高速脈沖輸入端口和程序中的高速脈沖計數(shù)器，進行升降、偏航和俯仰電機對應(yīng)的編碼器脈沖數(shù)據(jù)采集和處理。另外，為了精確測量轉(zhuǎn)臺每個轉(zhuǎn)軸的零點位置，通過增加使用增量式光電編碼器，檢測編碼器的Z信號，設(shè)計相應(yīng)的零點檢測程序，進行轉(zhuǎn)臺自動回零點實驗。外部傳感器實驗：使用視覺傳感器進行運動物體測量。在轉(zhuǎn)臺的U形架上安裝視覺傳感器，使用筆記本電腦進行圖像采集和處理，進行計算機視覺算法實驗，包括物體顏色識別、邊緣輪廓提取和中心位置提取等，從而檢測視角范圍內(nèi)運動物體的位置。

3.機器人控制實驗。研究機器視覺算法和多軸協(xié)調(diào)運動控制，進行運動物體檢測與跟蹤實驗。多軸協(xié)調(diào)控制實驗：在使用手動方式控制轉(zhuǎn)臺運動時，升降、偏航、俯仰運動各自獨立進行。為了讓轉(zhuǎn)臺上安裝的傳感器或末端執(zhí)行器能夠在三維空間中任意運動，在筆記本電腦上進行軟件編程，協(xié)調(diào)控制升降、偏航和俯仰電機的運動。分別進行雙軸旋轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)控制和三軸協(xié)調(diào)控制實驗，實現(xiàn)多軸運動插補控制。運動物體檢測與跟蹤實驗：將具有顯著顏色或幾何形狀特征的物體放在轉(zhuǎn)臺前方，通過手拿該物體任意運動，使用視覺傳感器檢測該物體，計算該物體的位置和運動速度，然后使用插補算法計算轉(zhuǎn)臺每個轉(zhuǎn)軸的角度。將轉(zhuǎn)臺每個轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速信號通過以太網(wǎng)傳送給底層控制器，由PLC分別控制轉(zhuǎn)臺的每個轉(zhuǎn)軸運動，從而使視覺傳感器始終對準該運動物體的中心位置，實現(xiàn)自動跟蹤功能。上位機控制軟件設(shè)計實驗：在筆記本電腦上進行Windows程序設(shè)計，進行檢測、路徑規(guī)劃和插補計算，通過以太網(wǎng)通信將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給底層控制器，并返回編碼器測量值，監(jiān)控轉(zhuǎn)臺的實際運動情況。設(shè)計圖形化軟件界面，模擬轉(zhuǎn)臺的三維動態(tài)變化過程。本科生通過參加轉(zhuǎn)臺實驗，進行轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)和軟件設(shè)計，可以從系統(tǒng)的角度理解如何自動控制機械部件的運動，并利用外部傳感器實現(xiàn)完整的閉環(huán)控制。本文設(shè)計的基于視覺傳感器的運動物體檢測與跟蹤，僅是轉(zhuǎn)臺的典型應(yīng)用示例。學生只要獲得底層運動控制器的通信接口規(guī)范，即可進行不同用途的應(yīng)用開發(fā)。因此，該轉(zhuǎn)臺可以鍛煉學生的邏輯思維、系統(tǒng)性思維和發(fā)散思維能力，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力。

四、結(jié)論

針對機器人課程教學和實驗過程中系統(tǒng)性不強、聯(lián)系不緊密等問題，設(shè)計了一款開放式可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺，通過在轉(zhuǎn)臺上安裝視覺傳感器，實現(xiàn)運動物體檢測與跟蹤功能。該轉(zhuǎn)臺可以提供底層運動控制、傳感器實驗和機器人控制實驗，適用于本科生機器人實驗教學，具有很好的開放性和推廣價值。

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