可升降双轴随动转台在机器人本科实验教学中的应用

钱钧+訾斌+周蓉

（合肥工业大学机械工程学院，安徽 合肥 230009）

摘要：针对机器人课程的多学科交叉特点和现有实验教学设备功能有限的现状，自主设计了一款开放式可升降双轴随动转台。该转台具有三个自由度，可以开展底层运动控制、传感器数据采集与处理、运动物体检测与跟踪实验，具有很好的开放性，对机器人本科实验教学具有良好的促进作用。

关键词：机器人；实验教学；转台；开放性

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）24-0267-02

一、机器人课程实验教学存在的主要问题

高校机器人课程是一门多学科综合交叉的边缘学科。随着中国制造的产业化升级和“中国制造2025”政策的发布，对机器人领域的专业人才需求量越来越大，机器人教学应当积极应对这一变化，顺势而为。针对高校机器人课程教学中存在的问题，已有很多相关的研究和探索，旨在改进课程教学方法，提高教学质量。然而，机器人课程实验教学仍然存在诸多问题，包括实验仪器开发、实验方法研究和实验室建设等，仅靠教学人员或实验人员均无法独立解决。笔者多年从事机器人教学和实验发现：首先，组成机器人的机械、控制和感知系统对应的知识内容相互孤立；其次，机器人教学、科研和应用开发等用途之间相互孤立。二者分别对应微观、宏观两个层面的“孤岛效应”，制约了学生对机器人课程关键知识的理解和吸收，无法形成完整的闭环。现有的机器人实验教学仪器存在功能、开放程度、与课程体系的结合程度等方面的不足，无法满足新形势下机器人实验教学要求。为此，自主研制了一款开放式可升降双轴随动转台。该转台获得了安徽省首届高等学校自制实验教学仪器设备展评活动一等奖和第四届全国高等学校自制实验教学仪器设备评选活动三等奖。

二、开放式可升降双轴随动转台的研制

该转台是一款由可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制的三自由度云台，由机械系统和控制系统组成。通过在转台上安装视觉传感器，可以进行运动物体检测与跟踪。

1.机械系统。由升降、偏航和俯仰机构组成。升降机构使用电动缸带动转台在竖直方向上直线移动。偏航、俯仰机构使用直流伺服电机经谐波减速器减速和同步带传动后，分别绕竖直、水平转轴做回转和旋转运动。在水平转轴上安装了视觉传感器，通过转台的运动，实现多视角图像采集。

2.控制系统。底层控制器为西门子S7-1214 PLC及其扩展模块，用于进行电机控制、编码器数据采集和输入输出控制等。上位机使用笔记本电脑，用于进行视觉传感器图像采集与处理、以及三自由度运动插补计算。为了跟踪运动物体的方位，使其始终处于图像中心位置，使用插补算法，计算每个自由度的关节变量。最后，通过以太网通信，将计算值传递给PLC，控制转台的运动，并返回编码器数据。为了便于调试，分别使用电子手轮、无线遥控手柄进行精确、粗略手动控制，并使用触摸屏进行控制参数设置和运动状态监测。该转台既是教学、科研实验台，同时也是一款具有实用价值的机电产品。

三、转台在机器人实验教学中的应用

为了配合机器人本科课程教学，结合开放式可升降双轴随动转台的功能和特点，开展了以下机器人实验教学内容。

1.底层运动控制实验。使用PLC进行转台的底层控制系统设计，绘制电气控制原理图。使用顺序控制设计法，编写相应的控制程序，进行转台运动控制实验。学习用于控制步进电机、直流伺服电机的PLC程序设计及相关运动功能模块。进行电机的位置、速度控制实验和PID参数调整实验，设计相应的手动输入装置和人机交互装置。

2.传感器实验。内部传感器实验：使用光电编码器测量电机转角。利用PLC的高速脉冲输入端口和程序中的高速脉冲计数器，进行升降、偏航和俯仰电机对应的编码器脉冲数据采集和处理。另外，为了精确测量转台每个转轴的零点位置，通过增加使用增量式光電编码器，检测编码器的Z信号，设计相应的零点检测程序，进行转台自动回零点实验。外部传感器实验：使用视觉传感器进行运动物体测量。在转台的U形架上安装视觉传感器，使用笔记本电脑进行图像采集和处理，进行计算机视觉算法实验，包括物体颜色识别、边缘轮廓提取和中心位置提取等，从而检测视角范围内运动物体的位置。

3.机器人控制实验。研究机器视觉算法和多轴协调运动控制，进行运动物体检测与跟踪实验。多轴协调控制实验：在使用手动方式控制转台运动时，升降、偏航、俯仰运动各自独立进行。为了让转台上安装的传感器或末端执行器能够在三维空间中任意运动，在笔记本电脑上进行软件编程，协调控制升降、偏航和俯仰电机的运动。分别进行双轴旋转协调控制和三轴协调控制实验，实现多轴运动插补控制。运动物体检测与跟踪实验：将具有显著颜色或几何形状特征的物体放在转台前方，通过手拿该物体任意运动，使用视觉传感器检测该物体，计算该物体的位置和运动速度，然后使用插补算法计算转台每个转轴的角度。将转台每个转轴的转角、转速信号通过以太网传送给底层控制器，由PLC分别控制转台的每个转轴运动，从而使视觉传感器始终对准该运动物体的中心位置，实现自动跟踪功能。上位机控制软件设计实验：在笔记本电脑上进行Windows程序设计，进行检测、路径规划和插补计算，通过以太网通信将控制数据发送给底层控制器，并返回编码器测量值，监控转台的实际运动情况。设计图形化软件界面，模拟转台的三维动态变化过程。本科生通过参加转台实验，进行转台的控制系统和软件设计，可以从系统的角度理解如何自动控制机械部件的运动，并利用外部传感器实现完整的闭环控制。本文设计的基于视觉传感器的运动物体检测与跟踪，仅是转台的典型应用示例。学生只要获得底层运动控制器的通信接口规范，即可进行不同用途的应用开发。因此，该转台可以锻炼学生的逻辑思维、系统性思维和发散思维能力，培养学生解决复杂工程问题的能力。

四、结论

针对机器人课程教学和实验过程中系统性不强、联系不紧密等问题，设计了一款开放式可升降双轴随动转台，通过在转台上安装视觉传感器，实现运动物体检测与跟踪功能。该转台可以提供底层运动控制、传感器实验和机器人控制实验，适用于本科生机器人实验教学，具有很好的开放性和推广价值。

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