假肢机器人实验平台设计

王传江，孙秀娟，樊炳辉，张志献，江 浩

(山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛 266590)

0 引言

机器人相关产品在生产生活中的应用越来越广泛，机器人技术的发展也越来越受到世界各国的高度重视。国外高校开展“机器人”教育相对较早，尤其是日本自1996年开始，先后在多个高校开展了机器人专业人才的培养，设置了具体的课程体系和培养规划［1］。近年来，我国很多高校开始重视机器人技术方面本科生人才的培养，开展了多种机器人教学竞赛和实验相关的课题，有的设置了机器人专业方向，设定了具体的“机器人”课程体系及教学实验内容等［2-5］。机器人专业技术人才的培养，在我国将越来越受到重视。

我校在机器人技术与产品的研究已有20多年，积累了丰富的研发经验，先后成功研制了能够应用的工业机器人、服务机器人和特种机器人等产品。2009年，我校修订本科生培养方案，设立了机器人专业方向，目标是培养从事机器人产品研发及应用的技术人才，开设了机器人相关的专业基础课程及专业课程，并依靠我校山东省机器人与智能技术重点实验室的先进科研仪器设备及优越的实验室条件，开展了机器人创新性实验教学，并结合科研课题，研制了6自由度假肢机器人创新性实验教学平台，该平台在2014年第三届高等学校自制实验教学仪器设备评选及优秀作品展示活动中获得优秀奖。

1 假肢机器人实验教学平台搭建

假肢机器人实验教学平台结构图如图1所示，控制系统采用嵌入式工控机和嵌入式ARM系统方案，外围硬件接口包括3个USB、2个RS232、网络接口以及显示屏等;传感器系统负责感知机器人的位姿和待抓取的目标物体所处的位置信息，包括激光传感器、姿态传感器、触觉传感器以及陀螺仪等。

图1 机器人创新性实验教学平台结构图

在实验教学平台上，开展了假肢机器人的结构实验，假肢机器人的结构示意图如图2所示，由大臂、小臂、手腕、手掌、肩关节、肘关节和腕关节等组成［6］。包括6个自由度:分别是大臂前后、内外摆动、小臂弯曲、手腕旋转、手腕俯仰以及手掌开合，前5个自由度的驱动采用舵机驱动方式，只有手掌开合采用直流电机驱动。机械结构采用轻型铝合金材料进行设计，以减轻机械本体机构的重量。

图2 假肢机器人结构示意图

该假肢机器人通过激光传感器和姿态传感器对目标物体进行定位，根据系统模型求解出各自由度舵机的运动信号，按照设计的控制算法实现对各个自由度的稳定可靠控制。也可以利用示教再现的功能完成对放置在不同设定位置的物体进行抓取、放置等实验。并且在抓取、放置物体的过程中，依靠陀螺仪的检测和控制器的控制输出，手腕关节能够自动保持平衡状态，同时依靠滑觉传感器和压力传感器来实现对物体的可靠抓取。嵌入式工控机是系统的主控单元，采用VC软件进行编程，实现各种控制任务和算法实现。嵌入式ARM主要实现手腕部的自动平衡控制，采用C语言进行控制程序设计。

2 创新性实验内容设计

假肢机器人实验教学平台可采用项目式教学方式为本科生开展具体的创新性实验教学［7］。在开设创新性实验之前，应先修“电路”、“模拟电电子技术”、“数字电电子技术”、“传感器”、“单片机”、“微机原理与接口技术”、“C语言”、“计算机控制技术”、“伺服与驱动”和“机器人学”等课程。项目式创新性实验教学内容主要包括“机器人手臂单关节控制实验”、“机器人手臂的手部自平衡控制实验”、“机器人手臂运动的示教再现实验”、“机器人手臂对随机目标物体的抓取、移动与放置实验”、“触觉感知实验”，同时也可进行“语音命令信号的识别与处理实验”等。

2.1 手臂单关节控制实验

通过控制系统对机器人手臂各个关节电机的控制，实现对每个关节的控制。控制内容包括机器人手臂各关节舵机运动的速度和位置信号，以及手掌开合运动的速度和位置信号，如图3所示。图中，1～5号舵机分别是大臂前后摆动、大臂内外摆动，小臂弯曲，手腕旋转和手腕俯仰五个自由度的关节驱动电机，直流电机是手掌开合的驱动电机。

图3 单关节控制实验结构示意图

该实验可锻炼学生自行设计小型直流电机的驱动控制电路的能力，以及验证PID算法、模糊控制算法等的应用及性能比较。同时，可锻炼学生应用RS485/RS232通信接口实现对数字舵机的控制以及PID控制算法的调试与验证。

2.2 手部自平衡控制实验

该实验的主要设计内容是对手腕关节的姿态进行控制，增强学生对陀螺仪传感器知识的理解与掌握。通过手腕部的陀螺仪传感器装置实现对手腕姿态的感知测量，根据水平角度的误差信号来决定手腕部电机的控制输出量。图4示出假肢机器人手臂在端杯模拟喝水的过程中，手部的自动平衡控制的实现过程。同样，在完成喝水动作后将水杯放置到桌面指定位置的运动过程中，也需要保持手腕的自动平衡状态。

图4 手部自平衡控制实验

2.3 手臂运动示教再现实验

在本科生修完“机器人学”课程后，方可进行该实验。示教再现实验是指机器人针对特定或固定位置的物体的抓取与放置的实验，如图5所示。由于被操作物体的位置信息是已知的，因此，可以根据示教过程中保存的各个位置的信息，然后在实际操作过程中，根据被操作物体所处的具体位置，再现机械臂的示教位置。从而可以控制机械臂在指定的A、B、C和O等位置上抓取或放置目标物体。图5(a)是实验平台示意图，图5(b)是机器人手臂末端移动位置及方向指示图。具体机器人针对哪个位置进行示教再现运动，则由实验操作人员的命令来决定。

图5 示教再现实验示意图

2.4 手臂随机目标抓取实验

随机目标抓取实验是对机器人手臂前方任意位置的目标物体进行抓取、放置操作的实验，如图6所示。该实验主要锻炼学生理解与掌握“机器人学”课程的运动学逆解问题，学会坐标变换与推导。在假肢机器人的肩部和头部各安装一个姿态传感器，其中肩部姿态传感器作为基础坐标系的姿态描述，头部姿态传感器用来检测头部姿态相对于肩部的变化情况。在头部安装的激光传感器，用于检测目标物体的空间距离。具体应用时，通过头部的左右转动或者上下转动，将激光传感器对准随机目标物体进行测距，然后计算两个姿态传感器的输出信号的差值，得到头部相对于肩部的姿态变化量，并建立坐标系:激光传感器坐标系E、头坐标系H、脖根坐标系N、肩坐标系S。在坐标系E中描述目标的坐标值M，坐标值M可通过激光传感器获得;在坐标系H中描述E的位姿，E相对H的位姿变换取决于激光传感器在头部的具体安装方位;在坐标系N中描述H的位姿;坐标系N与S间的变换取决于肩部的宽度。目标M通过坐标矩阵jKi转换，就可得到假肢机器人基础坐标系中的目标坐标P=SKN·NKH·HKE·M。根据P即可计算出机器人各关节运动的信号，实现假肢机器人手臂末端实时跟踪激光定位目标物体的实验效果。

图6 随机目标抓取实验

3 结语

本文介绍了假肢机器人实验教学平台的研制，综合了多学科的专业知识，配置丰富，实现了理论与实践的有机结合，能够为本、专科院校的自动化、机械、检测、电子信息等专业的本科生、研究生开展机器人学、控制算法、传感器信号采集、信号处理、机械结构设计、传动与驱动机构设计、虚拟仿真和人机工程等方面的实验项目或课程设计课题，有助于提高学生硬件调试动手能力、编程能力和算法设计能力，具有很好的教学性、科学性、创新性、启发性和实用性，具有推广价值。

［1］杨洋.日本高校机器人学科建设经验［J］.北京:计算机教育，2010(19):122-124.

［2］张佳，窦丽华，陈杰.机器人实验教学平台软件的设计与实现［J］.北京:北京理工大学学报(社会科学版)，2009，11(2):99-101.

［3］董翠敏，刘永强.以机器人教育为平台培养大学生创新意识和能力［J］.上海:实验室研究与探索，2011，30(9):243-244，320.

［4］陈义平，时颖，袁明明.多功能教学用机器人的设计与实现［J］.上海:实验室研究与探索，2013，32(2):84-87.

［5］梁明亮，孙逸洁.基于轮式驱动的教学机器人研制［J］.上海:实验室研究与探索，2013，32(2):227-230.

［6］WANG Chuan-jiang，FAN Bing-hui，JIANG Hao，et al.Kinematics Analysis and Experiments of an Artificial Robot Upper Limb［C］//3rd International Conference on Manufacturing Science and Engineering，2012，Volume 479-481:2361-2364.

［7］孙秀娟，刘法胜，黄鹤松，等.工科留学生“单片机”课程的项目式教学［J］.南京:电气电子教学学报，2014，36(1):63-65.