機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)踐方法及應(yīng)用

趙 京， 衛(wèi) 沅

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

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機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)踐方法及應(yīng)用

趙 京， 衛(wèi) 沅

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

實(shí)踐教學(xué)在機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)中占有極其重要的作用。針對(duì)目前機(jī)器人學(xué)等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)較少，學(xué)生缺乏接觸實(shí)際系統(tǒng)的機(jī)會(huì)，理論知識(shí)不能與工程實(shí)踐有效結(jié)合的現(xiàn)狀，提出一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，將運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)與機(jī)械臂系統(tǒng)有效結(jié)合，為學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中提供了一個(gè)廣闊的平臺(tái)。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)能夠更好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

機(jī)器人； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 運(yùn)動(dòng)捕捉

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、人工智能技術(shù)、電子工程技術(shù)、信息傳感技術(shù)等現(xiàn)代學(xué)科的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步并已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志[1]。國(guó)內(nèi)各大高校也相繼開設(shè)了機(jī)器人學(xué)等機(jī)器人領(lǐng)域的相關(guān)課程，并對(duì)該課程的改革進(jìn)行了研究[2-3]。但是這類課程由于資金和設(shè)備等原因，往往以理論教學(xué)為主,對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不夠重視，使學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的了解。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)又是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)，在機(jī)械工程領(lǐng)域中，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力、創(chuàng)業(yè)精神、動(dòng)手能力、主動(dòng)思維能力、分析問題和解決問題的能力以及提高其綜合素質(zhì)等方面起著十分重要的作用[4-6]。同時(shí)，單純的理論學(xué)習(xí)一方面不利于對(duì)理論的深入認(rèn)識(shí)，另一方面也不利于今后順利進(jìn)入課題研究。為滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)、課外創(chuàng)新實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)等需求，使學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合，我們利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，采用“實(shí)驗(yàn)采集—數(shù)據(jù)處理—模型建立—數(shù)學(xué)分析—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”多功能一體化實(shí)驗(yàn)路線，為學(xué)生將理論應(yīng)用到實(shí)踐提供了一個(gè)開放的平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成

實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和機(jī)械臂系統(tǒng)兩部分組成。我們對(duì)兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行有效的整合[7]，建立相應(yīng)的服務(wù)器與客戶端，從而通過網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)間的發(fā)送與接收。運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地采集到學(xué)生的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理算法，得到笛卡爾坐標(biāo)系下的位置信息，并以此作為機(jī)械臂系統(tǒng)的末端運(yùn)動(dòng)軌跡。我們將服務(wù)器與客戶端搭建在同一PC機(jī)上，運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)軟件Arena作為服務(wù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)者M(jìn)arker點(diǎn)信息并發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)客戶端與服務(wù)器連通時(shí)，我們可以得到Marker點(diǎn)的信息，包括Marker點(diǎn)的個(gè)數(shù)，連接狀態(tài)，編號(hào)，初始位置。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，Marker點(diǎn)的信息能夠顯式地實(shí)時(shí)顯示，并通過數(shù)據(jù)處理算法，得到所需的關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)。如果實(shí)驗(yàn)者運(yùn)動(dòng)時(shí)關(guān)節(jié)角度超過機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度范圍，關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)將停留在前一時(shí)刻，避免機(jī)械臂的損壞。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成

1.1 運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)

我們采用的是由NaturalPoint公司研制的Optitrack全身動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，可對(duì)學(xué)生的全身動(dòng)作進(jìn)行準(zhǔn)確捕捉。圖2為Optitrack運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)示意圖，它是一種高級(jí)光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，目前常見的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉大多基于計(jì)算機(jī)視覺原理，使用6～8個(gè)相機(jī)環(huán)繞表演場(chǎng)地排列，這些相機(jī)的視野重疊區(qū)域就是實(shí)驗(yàn)者的動(dòng)作范圍。為了便于處理，通常要求實(shí)驗(yàn)者穿上單色的服裝，在身體的關(guān)鍵部位，如關(guān)節(jié)、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的標(biāo)志或發(fā)光點(diǎn)，稱為"Marker"，視覺系統(tǒng)將識(shí)別和處理這些標(biāo)志。系統(tǒng)標(biāo)定后，相機(jī)連續(xù)拍攝實(shí)驗(yàn)者的動(dòng)作，并將圖像序列保存下來，然后再進(jìn)行分析和處理，識(shí)別其中的標(biāo)志點(diǎn)，并計(jì)算其在每一瞬間的空間位置，進(jìn)而得到其運(yùn)動(dòng)軌跡。從理論上說，對(duì)于空間中的一個(gè)點(diǎn)，只要它能同時(shí)為兩部相機(jī)所見，則根據(jù)同一時(shí)刻兩部相機(jī)所拍攝的圖像和相機(jī)參數(shù)，可以確定這一時(shí)刻該點(diǎn)在空間中的位置。當(dāng)相機(jī)以足夠高的速率連續(xù)拍攝時(shí)，從圖像序列中就可以得到該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于我們只需要手臂的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，因此我們?cè)诩绮?、肘部、小臂、腕部以及手部分別貼上一個(gè)Marker點(diǎn)。

圖2 運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)示意圖

1.2 多自由度機(jī)械臂系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)采用的是Robai7R冗余機(jī)械臂[8]，它由3自由度的肩關(guān)節(jié)，1自由度的肘關(guān)節(jié)和3自由度的腕關(guān)節(jié)組成,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如3所示。我們將運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中Marker點(diǎn)信息映射到關(guān)節(jié)空間中，如圖4所示。多自由度的冗余結(jié)構(gòu)能夠提高機(jī)械臂的靈活性，改善其運(yùn)動(dòng)性能，使其能夠完成避障等特殊任務(wù)要求。同時(shí)，系統(tǒng)所提供的開源式的控制軟件，能夠使學(xué)生在已有功能的基礎(chǔ)上，按照所學(xué)知識(shí)編寫算法，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制。

圖3 Robai機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4 機(jī)械臂實(shí)物圖及映射關(guān)系

2 多功能開放式自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為學(xué)生提供了一個(gè)開放平臺(tái)。學(xué)生在掌握機(jī)器人理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計(jì)，將理論與實(shí)踐相結(jié)合。通過該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生不僅可以將抽象的知識(shí)以直觀實(shí)際的方式展現(xiàn)出來，便于對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解；同時(shí)也提高了在編程、計(jì)算、繪圖等各方面的能力，更激發(fā)了學(xué)生的積極性、創(chuàng)造性，提高了動(dòng)手能力。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)流程如圖5所示。

(a)

(b)

圖5 (a)人體手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。(b)開放式自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)流程

2.1 實(shí)驗(yàn)采集

在以往的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)中，機(jī)械臂的末端軌跡往往都是老師提前給定的，以圓、直線等一些簡(jiǎn)單的空間軌跡為主。而在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，學(xué)生利用Optitrack運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)[9]，實(shí)時(shí)地記錄下人臂的運(yùn)動(dòng)軌跡，經(jīng)過處理后，以此作為機(jī)械臂的末端軌跡。圖6為運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。在該實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，學(xué)生擁有絕對(duì)的自由，可以充分地發(fā)揮其想象力，完成抓取、擺動(dòng)或一些更加復(fù)雜的任務(wù)。這樣，每個(gè)學(xué)生都能夠擁有屬于自己的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)也不會(huì)增加隨后過程中的計(jì)算量。

2.2 數(shù)據(jù)處理

作為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，Optitrack運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和Robai機(jī)械臂系統(tǒng)擁有不同的控制方式以及數(shù)據(jù)格式。在此環(huán)節(jié)中，學(xué)生首先需要將采集到的人體運(yùn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為BVH格式的數(shù)據(jù)文件[10]，再通過Matlab軟件編寫簡(jiǎn)單的程序?qū)VH數(shù)據(jù)文件中手臂的運(yùn)動(dòng)信息提取出來，方便之后的計(jì)算。

圖6 運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

2.3 模型建立

目前，公認(rèn)的手臂模型為具有7自由度的冗余結(jié)構(gòu)[11-12]，如圖5(a)所示。學(xué)生根據(jù)自身手臂的實(shí)際尺寸結(jié)構(gòu)，建立人臂模型，通過數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)得到手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡。同時(shí)，利用DH參數(shù)法[13]對(duì)Robai機(jī)械臂建模。需要注意的是，由于Robai機(jī)械臂的實(shí)際尺寸與手臂不同，因此學(xué)生需要進(jìn)行歸一化處理，來消除結(jié)構(gòu)差異所帶來的誤差[14]。

2.4 數(shù)學(xué)分析

學(xué)生在之前環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，充分利用課堂所學(xué)知識(shí)及老師所提供的算法和指標(biāo)，圍繞機(jī)器人學(xué)中逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、動(dòng)力學(xué)分析和軌跡規(guī)劃等經(jīng)典問題[15]展開研究，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。同時(shí)，學(xué)生需要利用三維軟件建立機(jī)械臂的虛擬樣機(jī)，利用Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算分析，將所得到的理論結(jié)果與仿真結(jié)果比對(duì)，如圖7所示，并對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行修正分析。

2.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

學(xué)生將驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度的形式展現(xiàn)出來并以此驅(qū)動(dòng)Robai機(jī)械臂。如圖8所示，學(xué)生通過直觀地觀察機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)來重現(xiàn)自己在運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)下的實(shí)際運(yùn)動(dòng),并觀察兩者之間的差異。最后，學(xué)生以書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式結(jié)束本次實(shí)驗(yàn)。

圖7 理論結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比圖

圖8 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3 結(jié) 語

在應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)過程中，學(xué)生將綜合應(yīng)用到機(jī)械原理、理論力學(xué)、矩陣論、三維制圖、軟件編程和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等知識(shí)，而且實(shí)驗(yàn)的結(jié)果沒有特定的標(biāo)準(zhǔn)答案和固定的模式，學(xué)生處于一個(gè)完全開放的環(huán)境中，在運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)下，自主的規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，通過該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)，可以體現(xiàn)“以學(xué)生發(fā)展為中心，重視學(xué)生的主體地位”的現(xiàn)代教育理念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)，將理論知識(shí)與工程實(shí)踐很好的結(jié)合起來。

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·名人名言·

如果你問一個(gè)善于溜冰的人怎樣獲得成功時(shí),他會(huì)告訴你:“跌倒了，爬起來?！边@就是成功。

——牛頓

Innovation and Practice Method and Application of the Robot Experimental Teaching System

ZHAOJing,WEIYuan

(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology， Beijing 100124, China)

The experimental teaching in major of mechanical engineering plays an extremely important role in the student development. In consideration of few experiments at college and the fact that students cannot combine theories and practice, an experimental teaching system has been designed. The teaching system is based on the virtual reality technology, and combines the motion capture system with robot arm system. It provides students a broader platform to put theories into practice. It also can stimulate students’ interest in study and improve the learning enthusiasm.

robot; experimental teaching; motion capture

2014-11-24

趙 京(1961-)，男，北京人，教授，主要從事機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究。

Tel.:13001148208; E-mail: zhaojing@bjut.edu.cn

TP 242

A

1006-7167(2015)11-0210-03