改进智能机电综合实验教学提高大学生实践创新能力

梁莹林,王文一

摘要：本文对传统智能机电实验存在的主要问题进行了分析，并结合我校专业学科特点提出了一种基于四自由度机器手平台的新实验方案，培养学生独立进行机电一体化系统的设计、分析、调试和创新设计能力。

关键词：智能机电综合实验；实践创新能力；人才培养

中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）01-0209-03

随着工业现代化的飞速发展，用人单位对毕业生的创新意识和知识综合运用能力提出了更高的要求，这促使高等院校工科类实践教学不断深入改革，探索新的实验教学内容，突出学生的创新能力和工程实践能力培养。四自由度机器手是我校2006年购进的实验平台，面向全校工科专业的本科学生开设智能机电综合设计选修实验，旨在培养学生对机电一体化系统的分析与设计能力。然而学生的工程实践与创新能力都应建立在具有扎实的软、硬件知识基础之上，而且需要有较好的切入点，使学生的实践能力在已有的技术基础之上通过实验得到进一步提高。传统的验证性实验内容没有涉及完整的机电系统设计，对学生综合运用课堂知识进行设计的能力锻炼也不够，已不能满足当前人才培养的要求。因此本文基于该机器手实验平台提出了一种新的实验方案，该方案结合我校专业学科特点，培养学生的软、硬件综合设计和调试能力，对提高实验教学质量和培养创新人才发挥了较好的作用。

一、实验平台的组成与原理

四自由度机器手采用平面关节结构型式，其原理如图1所示。机器手的1、2和3轴在水平面上旋转运动，Z轴通过螺旋副将电机的旋转转换为垂直升降运动，其中1、2轴由交流伺服电机驱动，3、Z轴由两相混合式步进电机驱动。电气控制采用“计算机+运动控制卡”的方式，计算机内部安装了基于ISA总线的电机运动信号接口卡，通过编写程序可输出电机驱动器所需的相应控制指令和信号。此外，各轴运动的极限位置安装有光电开关，通过程序检测逻辑信号可防止相应的轴超出运动范围，起到保护作用。

二、传统智能机电实验存在的主要问题

1.学生对实验平台的机电控制原理理解模糊。该平台是由机械传动、电气控制和软件系统三大部份有机结合的典型机电一体化系统，仅靠讲解系统的组成，学生不能深入了解系统的硬件构成，同时也对机器手的运动控制过程理解很模糊。这将成为后期控制软件编写的最大障碍，特别是完整的自由运动程序编制，不利于调动学生的积极性和创造性。因此，在实验训练中必须要有能够将各部分衔接的综合性设计内容。

2.软件设计训练内容不够系统和全面。机器手的控制算法智能与否，是通过程序设计体现的，综合性的控制程序编制是建立在具备高级程序设计理论的基础之上。尽管学生在课堂教学中已经学习过相关编程理论，但是，如果没有系统和全面的软件设计训练，实验就无法很好地起到理论知识与工程实践的桥梁作用。

3.实验以验证为主，没有自主设计环节。每次实验过程中，总会有学生提出一些新颖的想法，希望能够进行自主设计，但是由于实验平台缺少配置、学生对软件开发环境不熟悉等各种原因，不可避免地将实验局限在以验证和演示为主的内容上，从而导致实验内容的水平和质量难以提升。

三、实验教学的改进与实践

我校的工科专业特色是以电子信息为主，学生的兴趣倾向于电路系统设计与软件设计，诸如VC++、Protel等各类软、硬件开发平台在各类课程中都有提及甚至使用过。因此在这样一个大环境背景中，只要对学生加以训练，将课堂教学和实际应用紧密联系起来，提高实验的整体水平并非难事。对于少数能力较强的学生，还可适当增加拓展性实验内容，引导他们进行自主创新设计。

1.步进电机的驱动信号接口电路设计。步进电机配套具有标准接口的驱动器，只需要输入脉冲和方向信号。以实际使用的驱动信号接口电路设计作为实验的开始，既能让学生从熟悉的专业方向入手，容易激起其学习兴趣；同时对步进电机的驱动原理有了深刻的理解，为往后的控制程序设计打下良好的基础；更重要的是，该电路的设计不但要清楚计算机指令如何设置脉冲频率和方向，还要掌握计算机接口和电路硬件的相关知识，而且对机电驱动技术也要很熟悉，属于软、硬件结合的综合性设计。接口电路原理图如图2所示，由2个计数器芯片8253控制3轴和Z轴。每个8253共有3个计数器，工作在方式2（分频器）下的计数器2为计数器0提供时钟输入，它将外部晶振的2MHz信号分频为134KHz，原因是步进电机的最高运行频率一般不大于200KHz；计数器0工作在方式3（方波发生器）下，输出频率可控的脉冲驱动步进电机转动，频率的高低决定了相应机器手关节的运动速度；计数器1工作在方式0（计数器）下，用于计数0输出脉冲的计数，当计数达到预设值时，其OUT1引脚变为高电平，经过反相器74HC04后使计数器0的门控信号为低电平，停止脉冲输出，从而实现了机器手关节的角位移量控制。并口芯片8255的PC0与PC1引脚输出步进电机转向控制信号，PB0~PB3引脚用于检测限位开关信号，防止机器手的运动超出极限范围。

计算机地址总线A23~A2位的状态通过译码器74HC138转为各芯片的片选信号，A1、A0位则对应了芯片中相应的寄存器地址，各功能控制指令的端口地址如表1所示。对于伺服电机的控制接口卡，其原理也与此类似。

2.基于VC++开发平台，以功能模块化编程为主要教学内容。VC++6.0是目前应用最广泛的开发平台之一，通过编写完整的控制程序，学生对典型机电系统的控制软件设计有了深刻的了解，同时工程实践能力也得到了综合的锻炼。基本的实验内容按功能可以分为3部分：人机界面、计算机I/O端口操作和机器手关节控制。利用MFC App Wizard向导工具创建一个初步的应用程序，在工程中添加程序运行所需的资源文件，如各种头文件、动态链接库、系统文件等，并且在对话框界面中添加控制系统所需的各种控件以及一些关于实验的信息，从而完成整个人机界面的设计。根据信号接口电路，步进电机控制与限位信号是通过I/O口直接进行操作来实现。然而，Window的保护模式不允许对I/O直接进行操作，必须通过调用WinIO.dll库中的InitializeWinIo（）函数进入内核模式，实现对I/O的直接读写，在使用结束后再调用ShutdownWinIo（）退出内核。I/O口操作举例如下：_outp（0x26b，0x02）；//8255的PC1=1，3轴正转；_outp（0x263，0x36）；//计数器0，方式3，产生方波；value=0x01&（_inp（0x269））；//读8255的PB0引脚。

机器手生产厂家以动态链接库的形式提供了控制板卡驱动Kld.dll文件，函数库中包括伺服和步进电机位置运动、伺服PID参数设置、限位信号获取等10多个功能函数。其中，步进电机控制与限位信号获取的相关函数功能与通过I/O口直接进行操作是等效的，前者是后者封装在函数库中的结果。学生经过此前的I/O端口操作实验，已经对其实现过程（包括软硬件）有了深入的了解，能够清楚地知道每一个入口参数的作用。机器手的关节控制主要是根据各关节的脉冲当量，调整各关节运动参数之间的关系，使机器手的末端最终达到对准确、快速定位的目的。

3.增加图像采集与处理为拓展实验内容。在现代工业领域，传感技术是机电一体化系统中不可或缺的关键性技术，其水平高低决定了系统的自动化程度。传感检测已不再局限于逻辑信号和简单的模拟量，图像采集与处理成为目前机器人技术中较为热门的研究方向。尽管图像处理算法的入门台阶较高，普通本科生难以完成算法方面的实验内容，但是，对一些学有余力且具有强烈探索欲望的学生（通常占上课人数的20%左右），却是激发他们独立设计的一个极好切入点。通过引导这部分优秀学生采用摄像头获取动、静态图像，并自主进行图像识别算法设计，可以为他们今后参与相关科研或工程项目打下基础，同时也使得实验更具完整性和趣味性。视频设备进行图像采集主要是通过在VC++中，使用微软公司多媒体编程接口开发工具包DirectX9.0中的DirectShow捕捉视频流，以及CCaptureVideo视频捕捉类进行启动、关闭、截取静态图像等操作。

完整的机器手控制程序运行界面如图3所示。

新的实验方案为学生的工程实践能力和创新能力提供了良好的实践平台，大大提高了学生做实验的积极性。学生通过设计接口电路和编写完整的控制程序，对典型机电系统的构成及其智能控制方法有了深入的了解，同时培养了学生综合运用课程知识进行工程实践的能力，也为进一步探索机器人的创新功能提供了技术基础。本实验从2009年开始进行探索性改革，面向全校各专业学生开设跨专业的创新选修实验，取得了良好的教学成果。

参考文献：

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作者简介：梁莹林（1983-），男，广西人，助理工程师，硕士，研究方向为机电测控的教学与研究。