DELTA并联机器人应用于实践教学的探索

迟书凯 解则晓 黎明 牛炯

（中国海洋大学工程学院，山东青岛，266100）

机器人技术是自动化专业的一个重要的研究方向，集中了机械工程、电子技术、检测技术、通信技术、计算机技术、自动控制理论以及人工智能等多学科领域的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当今科学技术发展最活跃的领域之一[1]，是电子、信息技术类课程及相关科技活动的良好载体。因此，以机器人作为研究对象开展实践教学具有非常重要的意义，有利于开拓学生视野，从系统的角度培养学生对综合知识的运用，提高学生的科学素质。但是，目前机器人应用于实践教学存在价格昂贵，技术开发难度大，设备使用率不高等问题。

1 机器人实践教学现状

国内外许多高等院校都已开展了机器人教学工作。美国麻省理工学院在航空航天学、机械工程学和电气工程与计算机科学等专业中开设了认知机器人学、机器人学导论、自控机器人设计竞赛和机器人编程竞赛等课程；俄勒冈州立大学电子工程与计算机系分别在电子设计概念导论、计算机原理与汇编语言和机械设计等多门课程中使用TekBots机器人作为学习平台；我国清华大学在本科生实践环节设置了机器人综合实验，包括人形机器人组和四腿机器人组两组实验；北京邮电大学为本科生开设了工业机器人技术，相应的实验课为机器人系统综合性试验[2]；浙江大学自动控制系开设了本科课程机器人学，在校内组织了FIRA小型组足球机器人竞赛等多种形式的机器人竞赛活动。总之，国内外高校广泛开展了以机器人为对象的教学平台建设，开设机器人技术课程、开展本科毕业设计的机器人实践活动以及多层次机器人竞赛活动。

我院在自动化专业的培养计划中，开设了机器人技术、光机电控制系统专题实验，数字图像处理等本科生课程；在控制科学与工程研究生课程中开设了仿生机器人、机器视觉与视觉测量、模式识别等课程。在大学生创新活动开展方面，我院组织和参与了国内外多项机器人竞赛，包括“FIRA世界杯机器人足球赛”、“中国机器人大赛”、“中国水下机器人大赛”、“全国机器人锦标赛”、“电脑鼠走迷宫”竞赛等。从目前的实践教学和创新活动看，针对大学生的机器人实践活动侧重于各种启发性、趣味性的竞赛类活动，实验设备偏向于仿生机器人、小型机器人等，对于在目前工业界应用广泛、实用性强的工业机器人还未有涉及。

工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是在危险、恶劣环境下的作业。目前工业机器人在国内外各个领域都得到了非常广泛的应用。常用的工业机器人有串联机器人和并联机器人两类，图1为一种6轴串联工业机器人，图2为DELTA并联机器人。

图1 通用6轴串联机器人

图2 DELTA并联机器人

相对于6轴串联工业机器人，DELTA并联机器人具有机械结构简单、精度高、速度快、成本低等特点，适合于完成精确抓取工作，被广泛应用于食品、制药、包装等工业现场。

从机器人教学角度来看，DELTA并联机器人空间建模复杂度低、逆解算法和控制算法相对简单，学习门槛低，适合作为入门级的工业机器人实验系统。另一方面，该机器人可以实现复杂的高精度抓取控制，配合视觉系统等辅助设备可以实现高复杂度的综合性和创新性实验。因此，DELTA并联机器人是开展机器人及其相关课程教学的很好平台。

2 DELTA并联机器人实验系统及实验内容

结合教学和科研需要，我们自主开发了一套DELTA并联机器人实验系统，该系统硬件由上位计算机、驱动控制柜、DELTA机器人本体、摄像机以及传送带等组成，其结构如图3所示。

图3 DELTA并联机器人实验系统

实验系统各部分的功能如下：

自主研发的DELTA机器人 (图4)机构由静平台、动平台、3根主动杆、3个平行四边形从动支链组成。主动杆与静平台通过转动副相连接，从动杆一端通过2个自由度的转动副与主动杆相连，另一端通过U形关节与动平台相连。3个平行四边形从动支链保证了动平台只能有3个方向的平动自由度。

上位计算机：采用工控机，内部集成了多轴运动控制卡和工业摄像机控制卡，配置相应的上位机软件，可以采集图像信息分析处理，通过通信线缆连接到驱动控制柜，通过驱动柜采集DELTA机器人和相关外设的状态信息，并能完成对DELTA机器人和传送带的控制。

图4 自制DELTA并联机器人

驱动控制柜：由电源部分和电机驱动部分组成。电源部分负责给DELTA机器人、传送带供电。电机驱动部分包括用于DELTA机器人的（三只手臂电机和一只机械手末端电机）的驱动器、传送带电机的驱动器。驱动器受上位计算机的运动控制板卡控制。

摄像机：利用工业摄像机采集图像信息，并传送至上位机的图像采集卡。

传送带：传送带用于传送被抓取的物体，传送带速度可调，可用于测试机器人的控制性能。

DELTA并联机器人实验系统的硬件成本高，为了更充分地发挥机器人的教学作用，在机器人实验系统的配套软件开发中，要考虑到可扩展性。为此，按照模块化的设计思想，我们对DELTA并联机器人实验系统的软件，进行了分层规划。

如图5所示，系统的软件可分为三层：设备驱动层、基础模块层、应用调度层。

底层的设备驱动层软件是对系统各种硬件外设的软件驱动，主要包括相机驱动，机器人各轴电机驱动、传送带电机驱动以及各外设传感检测的驱动程序。

中间的基础模块层软件调用设备驱动层的相关驱动软件，开发相关核心算法，完成相应的独立功能，具有独立的接口，能够完成相对完整的单项功能，可以完成相应的单项实验。如相机标定模块、相机测量模块、运动控制模块等。

顶层的应用调度层则调用下层的基础模块和设备驱动模块，根据实验需要组成完整的应用程序，完成相应的功能，能够完成综合设计型的实验。

图5 DELTA并联机器人实验系统软件分层结构图

DELTA并联机器人实验系统涉及了本专业多门核心课程知识，针对这一特点，我们对实验系统进行相应的模块划分并开发相应的实验项目，针对不同学习阶段的学生，开发相应难易程度的实验内容。

DELTA并联机器人实验系统，可开设的部分实验项目见表1。

表1 ：DELTA并联机器人实验系统实验项目

以综合性实验中的固定抓取实验为例，主要针对高年级的本科生，实验调用了基础模块中的运动控制模块、运动轨迹规划模块等，通过顶层的应用程序设计完成指定DELTA机器人对设定位置目标物体的抓取并放到指定位置，运动控制模块调用了设备驱动层的机器人电机驱动模块和传感器驱动模块等程序，对本科生开放接口用于开发顶层应用程序时方便调用。

运动控制模块开放接口包括了DELTA机器人各臂的PID参数设置接口，各轴电机的编码器反馈观察窗口以及运动关键点位坐标设置窗口等。学生通过对系统控制框图的学习，学习和理解自动控制技术在机器人技术中的应用，通过PID参数的设置和调节，学习和领会PID参数的计算方法和其对机器人系统的影响，可以通过关键运动点位坐标的设置及编码器数值反馈窗口反馈，实时观察机器人的运动效果和控制系统的控制品质。通过综合系统的实验提高学生对自动控制系统的理解，巩固和加强理论课程学习的成果，了解自动化各专业课程和技术在实际工业现场的应用。

3 实验运行与开发机制

与传统针对一门课程开设相关课程实验不同，DELTA并联机器人技术涉及自动化学科多门基础课、专业课的相关知识，所运用的内容范围广、跨度大，涉及到本科从大一到大四以及研究生的多门课程和多项实践环节。另外，由于DELTA并联机器人实验系统是一个新开发的实验系统，尚没有一个成熟的实验教学方法和教学方案，实验运行需要一个持续的开发、改进和创新过程。因此，DELTA并联机器人实验系统在实践教学中的应用不能套用传统的实践教学模式和实验运行机制。

针对DELTA并联机器人实验系统的实验运行机制包括两个方面，一是从教学的安排上，探索一种和理论教学相呼应，贯穿于本科四年教学过程中的实验运行机制；另一方面，在实验项目的开发上，老师和学生共同参与实验项目开发，不断探索和推出创新性的实验项目，进行实验教学。

3.1 贯穿教学过程

新的实验运行机制结合实验系统的实验对象和实验内容，按照实验对象的能力设计相应的实验项目，实验项目贯穿本科一年级到四年级以及研究生的不同学习阶段相应课程的实践环节，实验项目由简单至综合，既能满足不同层次学生实验学习的要求，又能充分发挥实验系统的能力和优势。

在大一入学演示实验的过程中，老师首先提出问题，让同学们在学习过程中带着问题学习，在相应的课程学习中找到答案，在设计的相应实践环节中验证答案，并能运用所学知识完成最终的综合实验。

大学新生入学时，往往对于所学专业缺乏感性、直观的认识，容易造成学习目的不明确，动力不足。在专业概论课程和认识实习中增加相应的实践环节，设计相关演示实验，如抓取演示、视觉识别演示、视觉跟踪演示等，介绍自动化学科在实际生产中的典型应用，让同学们充分认识自己所学知识和实际生产的紧密联系。

系统讲解机器人技术涉及的自动化相关课程和知识，使学生了解所学的内容在实际工业现场如何应用以及各门课程在机器人技术中的地位和作用，提高学生对于自动化学科的整体认识，用趣味性的演示实验直观展示自动化学科在实际生产的成功应用，引导学生正确认识学习自动化学科的重要意义，激发学生的学习兴趣。

结合机器人技术的综合性，按涉及的知识和相关课程合理分解模块，设计贯穿四年本科学习过程的实验，如表1中所列出的验证性实验及综合性实验。

3.2 实验内容的开发和持续改进

机器人系统属于自动化学科领域的前沿科技，尽管DELTA并联机器人在实际生产过程中已有应用，但其涉及的很多知识有一定的深度和难度。

针对不同学习阶段的学生，实验内容需要作对应的设计和调整，DELTA并联机器人实验系统的实验内容开发和改进如图6所示。

对于系统软件的底层驱动模块和中间层的基础模块，开发和改进方式有两种，一是由指导教师主导设计相关研究生课程的实验，指导研究生完成对相关模块的设计开发和更新；二是根据本科生实验过程中的实际需求反馈来设计相关的研究生实验。在本科生的单元实验和综合实验中，对相关模块进行调用，进行顶层应用调度层的组合和设计，完成相应的实验项目。目前，我们正在探索一种由指导教师设计和本科生实验需求为驱动，由指导教师指导和研究生设计开发相结合的、持续开发和改进实验内容的新模式。

图6 实验运行机制图

4 总结

本文从机器人教学的重要性出发，介绍了机器人教学开展的现状，进一步结合我院自动化专业的培养计划，分析了与机器人技术相关的课程设置，提出了以DELTA并联机器人实验系统进行机器人教学实践的思路，并详细介绍了实验系统软硬件结构以及在实际应用中的实验内容规划和实验运行机制设置。

我们期望，通过合理的实验项目规划和有效的试验运行机制，能够最大限度地发挥DELTA并联机器人自身的优势，使实验系统在本科生和研究生的实践教学中发挥尽可能大的作用，丰富自动化专业本科生和研究生的实践教学内容。

[1] 柳洪义，宋伟刚. 机器人技术基础[M].北京：冶金工业出版社，2002：1.

[2] 魏世民. 北京邮电大学机器人教学与竞赛实践[J].北京：机器人技术与应用，2008( 5)：31-33.