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南科課程 | 我在南科大造機(jī)器人

南方科技大學(xué)

2021-10-20 09:00:07 文/劉曉雨圖/馮英杰

【編者的話】

大學(xué)的課堂，世界之大在這里徐徐展開，思想之美在這里碰撞升華�！澳峡普n程”專欄，帶你走進(jìn)南科大的課堂，與師生們一同探索專業(yè)知識(shí)，展開前沿思考。本期“南科課程”，讓我們一同走進(jìn)機(jī)器人工程的世界！

隨著科技的不斷發(fā)展

機(jī)器人的外形和功能日益多樣化

工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人、

微型機(jī)器人、水下機(jī)器人、

智能機(jī)器人

……

開始逐漸走進(jìn)人類的生活

在南科大的課堂上

有一群同學(xué)們

每天都在嘗試

挑戰(zhàn)各種類型的機(jī)器人

他們的項(xiàng)目

甚至成功擴(kuò)展成為

IEEE國(guó)際會(huì)議論文

就讓我們一起走進(jìn)

機(jī)械與能源工程系開設(shè)的

《機(jī)器人建模和控制》課程

看看同學(xué)們都做了哪些有趣的項(xiàng)目

在2020秋季學(xué)期的《機(jī)器人建模和控制》課程中，一組同學(xué)將他們的課程項(xiàng)目——輪腿式機(jī)器人的跳躍研究——成功擴(kuò)展為IEEE國(guó)際會(huì)議論文。

研究成果以“Height Control and Optimal Torque Planning for Jumping with Wheeled-Bipedal Robots”為題發(fā)表在2021 6th IEEE International Conference on Advanced Robotics and Mechatronics國(guó)際會(huì)議上。

《機(jī)器人建模和控制》是機(jī)器人工程和機(jī)械工程專業(yè)的必修課，也是機(jī)器人方向最為重要的基礎(chǔ)課程之一，目的是為機(jī)器人及相關(guān)方向的學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

課程系統(tǒng)介紹機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制（簡(jiǎn)稱KDC，Kinematics、Dynamics、Control），以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和軌跡規(guī)劃（motion planning）。采用授課教師們（機(jī)械與能源工程系教授付成龍、機(jī)械與能源工程系助理教授賈振中）合作翻譯的《機(jī)器人建模和控制》（Robot Modeling and Control）一書。

課程項(xiàng)目（Course Project）是本課程的一大特色。在借鑒國(guó)外著名高校教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況開展課程教學(xué)。同學(xué)們?cè)诶蠋煹闹笇?dǎo)下，經(jīng)過系統(tǒng)的課程項(xiàng)目訓(xùn)練，培養(yǎng)了理論、仿真、機(jī)械設(shè)計(jì)及編程能力，設(shè)計(jì)搭建出自己的機(jī)器人，收獲“理論、仿真、實(shí)踐”多方面的綜合能力訓(xùn)練。

以下展示內(nèi)容為2021年春節(jié)學(xué)期（授課教師：賈振中）的部分課程項(xiàng)目。

第一組

機(jī)器狗

項(xiàng)目以四足機(jī)器狗為研究對(duì)象，基于Webots仿真平臺(tái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行仿真。首先用D-H算法推導(dǎo)出單腿的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，然后用橢圓曲線畫出軌跡。通過不斷調(diào)整軌跡參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器狗穩(wěn)定的小跑行走和旋轉(zhuǎn)步態(tài)行走，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的合理性和軌跡算法的穩(wěn)定性。

▲ 項(xiàng)目展示視頻

▲ 項(xiàng)目海報(bào)

第二組

3-RSR 機(jī)器腿的建模與

全向跳躍仿真實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)目在UPenn和CMU前期工作（Delta hopper，GOAT robot）的基礎(chǔ)上進(jìn)行探索，采用3-RSR 機(jī)械腿結(jié)構(gòu)，它是一種新型的擁有三自由度全向輸出能力的機(jī)械腿。該機(jī)械腿采用直驅(qū)控制，擁有良好的機(jī)械效率和精準(zhǔn)性。項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了對(duì) 3-RSR 機(jī)械腿機(jī)械模型的建立，基于 MATLAB 完成了正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其操作空間的分析。此項(xiàng)目亦基于 Webots 仿真平臺(tái) 3-RSR 機(jī)械腿進(jìn)行了仿真建模，融合虛擬模型控制和 Raibert Hopper 模型，實(shí)現(xiàn)了一自由度和三自由度的跳躍仿真。

▲ 項(xiàng)目展示視頻

▲ 項(xiàng)目海報(bào)

第三組

下棋機(jī)器人

項(xiàng)目基于PhantomX Reactor Robot Arm Kit 機(jī)械臂以及一個(gè)開源象棋機(jī)械臂項(xiàng)目的Git代碼，重新修改了模型設(shè)計(jì)以及正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，自制了舵機(jī)控制文件以及整體裝配，使用樹莓派以及U2D2控制舵機(jī)以及攝像頭，配合計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)，以及繼電器和電磁鐵制作的末端執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂自行完成選取棋子，確認(rèn)位置，移動(dòng)棋子的整個(gè)過程。項(xiàng)目的主要難點(diǎn)在于多個(gè)硬件的適配，代碼環(huán)境的配置，正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解及代碼編寫，機(jī)械臂模型的設(shè)計(jì)以及整體下棋機(jī)械臂的制作和組裝等。

▲ 項(xiàng)目展示視頻

▲ 項(xiàng)目海報(bào)

第四組

四足移動(dòng)操作

這個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上仿照 Boston Dynamics Spot+ARM Robot，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用 3 自由度機(jī)械腿、3 自由度機(jī)械臂、1 自由度抓手的設(shè)計(jì)方案。四足步態(tài)前進(jìn)時(shí)采用對(duì)角步態(tài)相同的模式，將單腿步態(tài)均分為抬腿和蹬地兩部分，通過MATLAB 建模計(jì)算出每個(gè)關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，編寫運(yùn)動(dòng)代碼實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)和后退。旋轉(zhuǎn)步態(tài)將腿部運(yùn)動(dòng)增加到 3 個(gè)關(guān)節(jié)，通過建模計(jì)算和代碼最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)通過 MATLAB 建模及逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)寫入代碼中，最終實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器沿機(jī)械臂當(dāng)前方向直線向前或向后運(yùn)動(dòng)，直線向上或向下的運(yùn)動(dòng)，并完成對(duì)物塊的夾取和移動(dòng)操作。在機(jī)器人遠(yuǎn)程控制上，借助套件的遙控模塊，我們能夠?qū)崿F(xiàn)通過手柄對(duì)于機(jī)器人的所有運(yùn)動(dòng)進(jìn)行遙控控制。最終實(shí)現(xiàn)遙控機(jī)器人行走到指定物體前，抓取物體，將其移動(dòng)到另一指定位置再放下的完整移動(dòng)及抓取任務(wù)。

▲ 項(xiàng)目展示視頻

▲ 項(xiàng)目海報(bào)

第五組

機(jī)械臂視覺抓取

項(xiàng)目基于Robotics Premium套件搭建了一套視覺引導(dǎo)的抓取物塊的六自由度機(jī)械臂。機(jī)械臂使用Dynamixel套件的AX-12a舵機(jī)控制運(yùn)動(dòng)五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)夾爪。視覺系統(tǒng)主要使用 Intel RealSense深感-RGB相機(jī)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取局部幀，利用對(duì)其灰度圖像的閾值分割來識(shí)別并框定檢測(cè)物體。控制系統(tǒng)使用官方的Dynamixel SDK 的 Matlab庫，對(duì)舵機(jī)進(jìn)行分組控制、速度控制。同時(shí)根據(jù)已學(xué)知識(shí)完成對(duì)機(jī)械臂的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、模擬仿真以及路徑規(guī)劃。最終能實(shí)現(xiàn)視覺識(shí)別引導(dǎo)機(jī)械臂抓取物塊到指定位置釋放的整個(gè)抓取流程。

▲ 項(xiàng)目展示視頻

▲ 項(xiàng)目海報(bào)

在新的學(xué)期，課程為每組同學(xué)配備專門的助教，進(jìn)行項(xiàng)目跟蹤管理，并設(shè)置周六答疑時(shí)間。在借鑒去年秋季學(xué)期教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，這學(xué)期的課程在項(xiàng)目開始階段，為同學(xué)們系統(tǒng)介紹預(yù)期和以往的優(yōu)秀項(xiàng)目，并分享了一系列資料，為每個(gè)項(xiàng)目的順利進(jìn)行提供保障。