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【S106】基于“探索者”创新套件的自动化培训平台
作品说明 |
1. 作品概述
1.1 作品设计来源与概念
本作品设计来源于工业生成实践，具体是一套用于大学生及中学生课外实践、课程实验及技术培训等方面的自动化加工系统。该产品用于大学生学习自动化加工及工业机器人制作的相关知识，培养大学生对嵌入式、结构设计、C语言编程等多方面技术的能力。
1.2 市场调研及研发背景
近年来，随着工业4.0及中国制造2025等概念的持续推进，中国工业机器人产业得到了较好的发展，并在众多领域得到广泛应用。国产工业机器人的市场份额从最早的被国外品牌垄断，到现在能在国内市场占有超过30%的市场份额。
据《机器人产业发展规划（2016-2020年）》设定的目标，到2020年，自主品牌工业机器人年产量达到10万台，六轴及以上工业机器人年产量达到5万台以上，培育3家以上具有国际竞争力的龙头企业，打造5个以上机器人配套产业集群。截至目前，中国自主品牌工业机器人年产量达到10万台的目标已经实现，2017年前10个月，累计生产工业机器人超过10万台，近年的机器人产量如下图所示：
作者：姚寓智 刘彤彬 张梦涵 房银杰
单位：东北林业大学
指导老师：王伟
作品说明
国内机器人产量
目前，国内已形成以沈阳新松为代表的环渤海机器人产业集聚区，以上海各外资品牌为代表的长三角机器人产业集聚区，以芜湖埃夫特为代表的芜湖合肥马鞍山机器人产业集聚区，以广州数控、东莞启帆为代表珠三角机器人产业集聚区，以重庆两江新区为代表的西部机器人产业集聚区，以及正在形成的以武汉、长沙、南昌为代表的中部城市群机器人产业集聚区。
虽然国内机器人技术在近年来发展迅速，但中国工业机器人产业仍任重道远。为了振兴中国自动化及工业机器人产业，必然会产生大量的技术人才需求。相关技术人才的培养是实现中国工业现代化的关键。目前众多高校均响应号召，开设相关专业，同时开展众多相关大赛以培养大学生的兴趣爱好。
国内机器人企业分布
1.3 产品服务类型
鉴于市场上相关结构型材、控制器件以及电机的种类多且型号繁杂，我团队计划采用“探索者系列创新套件”。这是一套机器人创新套件，由机器时代科技有限公司结合了机械、电子、传感器、计算机软硬件、控制、人工智能和造型技术等众多的先进技术研发的教育机器人平台，部分相关开发元器件如下图所示。
该教育平台是一种以公益的形式面向大学生和中小学生，用于大学生及中小学生课外实践、课程实验及 技术培训等方面的学习平台。其中大学生学习平台为一套自动化加工系统，该系统为一种模拟的小型自动化加工生产线，包括搬运机器人，物料台，传送带，搅拌机等，可实现物料的自动夹取及运输工作、物料的传送工作，物料的加工工作等。面向中小学生的学习平台主要为对抗机器人以及全地形机器人设计。以比赛的形式拓展中小学生对机器人技术的兴趣。
(a) ARM主控板
(b) 圆周舵机
相关开发设备
2. 作品描述
2.1 大学生培训项目
大学生有一定的计算机程序或了解一定的机械原理，我们基于“探索者系列创新套件”制作相应的自动化结构，从而达到提高他们的机械设计、程序编写能力的效果，也通过培训提高他们的创造、创新能力以及团队协作能力,如制作模拟自动化加工系统综合培训。
该系统由搬运机器人、物料台、传送带、搅拌机等组成，模拟自动化加工过程中的系列过程。首先搬运机器人对物件进行搬运，将物件从放置台上取下并沿预定路线运送，最后放置到传送带上；传送带先将物件传送到加工点，在加工点处，搅拌机将对物件进行模拟加工过程，模拟加工过程结束后再由传送带将物件送往其他部分。整个模拟过程结束。为完成整个模拟过程，共由四个培训组成。
培训项目一 搬运机器人设计及运行培训
培训目的：
① 加深学生对机械手爪结构及工作原理的认识。
② 熟悉模块概念，培养学生机构运动创新设计意识。
③ 训练学生的工程实践动手能力。
培训内容：
① 结构部分
搬运机器人由车身、机械手抓两部分组成，具体如下图所示：
搬运机器人
车身为刚性车身，四轮结构，独立控制，四轮为橡胶轮，增加了地面摩擦力与稳定性，为机械手抓的使用提供稳定性支持。机械手抓为连杆伸缩机构，可进行伸缩抓取物品，配合舵机，还可完成机械手抓的抬升。
② 控制部分
车身底部装有白标传感器，可根据地面黑线引导，返回相应的参数值，通过ARM7主控板程序进行判断，并发出相应程序命令。车轮由四个舵机组成，通过主控板的程序控制提供车的行进、转弯进行动力输出；四个舵机互不影响，增加了小车的活动能力，以便完成各种动作。机械手抓是由两个舵机控制，两个舵机互不干扰，相互配合可根据主控板的程序对机械手抓的抬高、抓取动作提供动力输出，保证动作的顺利进行。搬运机器人代码如下：
| #include "config.h" #include "lib_io.h" #include "lib_arm.h"
int main(void) {int s; //int i; Initial_ARM(); while(1) { if(Input(1,1)==0&&Input(2,1)==0&&Input(3,1)==0) { s=0; LedIn(1,0); LedIn(2,0); LedIn(3,0); } else if(Input(1,1)==0&&Input(2,1)==0&&Input(3,1)==1) { s=1; LedIn(1,0); LedIn(2,0); LedIn(3,1); } else if(Input(1,1)==1&&Input(2,1)==0&&Input(3,1)==1) { s=2; LedIn(1,0); LedIn(2,1); LedIn(3,0); } else if(Input(1,1)==0&&Input(2,1)==1&&Input(3,1)==1) { s=3; LedIn(1,0); LedIn(2,1); LedIn(3,1); } else if(Input(1,1)==1&&Input(2,1)==0&&Input(3,1)==0) { s=4; LedIn(1,1); LedIn(2,0); LedIn(3,0); } else if(Input(1,1)==1&&Input(2,1)==1&&Input(3,1)==0) { s=5; LedIn(1,1); LedIn(2,1); LedIn(3,0); } else if(Input(1,1)==1&&Input(2,1)==1&&Input(3,1)==1) { s=6; LedIn(1,1); LedIn(2,1); LedIn(3,1); } else s=7;
switch(s) //根据变量s低3位所存储的传感器触发状态，分别让小车的左转、右转或直行 { case 0:{Servo(1,82);Servo(2,82);Servo(3,93);Servo(4,93);}break; case1:{Servo(1,98);Servo(2,98);Servo(3,82);Servo(4,82);Delay(150); Servo(1,82);Servo(2,82);Servo(3,100);Servo(4,100);Delay(150); if(Input(2,1)==0);break;}break; case 2:{Servo(1,82);Servo(2,82);Servo(3,93);Servo(4,93);Servo(5,110); Servo(1,98);Servo(2,98);Servo(3,82);Servo(4,82);}break; case 3:{Servo(1,98);Servo(2,98);Servo(3,82);Servo(4,82);Delay(150); Servo(1,82);Servo(2,82);Servo(3,100);Servo(4,100);Delay(200); if(Input(2,1)==0);break;}break; case 4:{Servo(1,93);Servo(2,93);Servo(3,80);Servo(4,80);Delay(150); Servo(1,77);Servo(2,77);Servo(3,93);Servo(4,93);Delay(200); if (Input(2,1)==0);break;}break; case 5:{Servo(1,93);Servo(2,93);Servo(3,80);Servo(4,80);Delay(200); Servo(1,77);Servo(2,77);Servo(3,93);Servo(4,93);Delay(200); if (Input(2,1)==0);break;}break; case 6:{Servo(1,82); Servo(2,82);Servo(3,93); Servo(4,93);}break; case 7:{Servo(1,82);Servo(2,82);Servo(3,93);Servo(4,93);Servo(5,20); Servo(1,98);Servo(2,98);Servo(3,82);Servo(4,82);Delay(150); Servo(1,82);Servo(2,82);Servo(3,100);Servo(4,100);Delay(150); if(Input(2,1)==1);break;}break; default:break; } } return(1); } |
培训项目二 履带小车和传送带设计及运行培训
培训目的：
① 加深学生对带传动及自动化输送设备的认识。
② 熟悉模块概念，培养学生机构运动创新设计意识。
③ 训练学生的工程实践动手能力。
培训内容：
① 结构部分
传送带由机架与履带部分组成，传送带具体如下图所示：
传送带
机架为刚性架身，五点支撑，使整个结构更加稳定，不会再运输加工过程中产生影响加工的震动。
履带如下图所示，该部分使用两个主动轮，四个从动轮，一个主动轮与两个从动轮搭配以履带连接，使运动过程中两条履带的速度，力度一致，已达到货物平稳运输的作用。中间两个从动轮不仅起到运输作用，也起到支撑作用，保证履带运输平缓进行。
带传动示意图
实物图
履带
② 控制部分
机架前中后部分分别装有三个白标传感器，如下图所示，当物体接近时传感器收到信号将会对传送物体进行识别，返回相应的参数值，通过ARM7主控板进行判断，并发出相应程序命令。当物体由搬运机器人放入传送带首段时触发第一个白标传感器，传送带开始工作；当物体进入加工点时，通过触发第二个白标传感器，使搅拌机的搅拌头落下开始搅拌工作。搅拌完成后传送带再次启动将物体运送至传送带末端，这时触发第三个传感器，停止传送带运动等待物体搬运后再继续工作。两个主动轮使用一个舵机传动，通过主控板程序对两个主动轮的转速，力度进行控制，保证物件在传送带上的运输与加工的正常进行。当物件进入到加工区时，传感器返回数据，主控板接受并发出命令，传送带停转，物体进行加工，待加工完成后，传送带正常运行，将物块运出加工区。白标传感器经过延时后，继续监测物件是否运输到加工位置，为加工做好准备。
白标传感器
搅拌机
培训项目三 四轮小车和搅拌器设计及运行培训
培训目的：
① 使学生了解“探索者”机器人创新套件ARM主控板的结构组成，使学生掌握舵机控制方法及其与相关组件连接方法。
② 加深学生对电机拖动的认识和理解及自动化生产设备的认识。
③ 熟悉模块概念，培养学生机构运动创新设计意识。
④ 训练学生的工程实践动手能力。
培训内容：
① 结构部分
搅拌机由机架与搅拌部分组成。机架为刚性结构，四点支撑，保证结构稳定性。搅拌部分为连杆机构，可使搅拌头可以完成上升与下架，与传送带配合，完成在工作点的加工动作。
② 控制部分
由于本产品由传送带与搅拌机配合完成自动化加工作业，因此二者公用一个ARM7控制主板进行系统控制，自动化加工系统由下图所示。当物品到达加工区，传送带的白标返回信息通过主控板处理，使搅拌部分下降，搅拌头启动，完成加工动作。加工动作完成后，返回原处，等待下次一加工。系统代码如下：
| #include "config.h" #include "lib_io.h" #include "lib_arm.h"
int main(void) { //UART0_Init(); //取消注释后，可启动串口接收中断 Initial_ARM(); Servo(1,82); Servo(2,150);Delay(2000); while(1) { if(Input(1,1)==1) { Servo(1,86); Servo(2,180); Servo(3,80);Delay(2000); Servo(2,150); Servo(3,88); Servo(1,82);Delay(10000); } } return(1); } |
| #include "config.h" #include "lib_io.h" #include "lib_arm.h"
int main(void) { int s; int i; Initial_ARM(); while(1) { s=0; for(i=0;i<2;i++) //依次读取2个传感器的触发状态，并给变量s的低2位分别置0或者置1 { s=s|(Input(i+1,1)<<i); if(Input(i+1,1)==1) LedIn(i+1,2); else LedIn(i+1,0); } switch(s) // { case 0x03 : {if (Input(3,1)==1&&Input(4,1)==0) { Servo(1,130);Servo(3,130); Servo(4,130);Servo(5,130); Servo(6,85);break; } else if(Input(3,1)==0&&Input(4,1)==1) { Servo(1,50);Servo(3,50); Servo(4,50);Servo(5,50); Servo(6,85);break; } else { Servo(1,70);Servo(3,70); Servo(4,110);Servo(5,110); Servo(6,70);break; //00000011 正常直线 直走 } } case 0x02 : {if (Input(1,1)==1&&Input(2,1)==1) break; Servo(1,75);Servo(3,75); Servo(4,80);Servo(5,80); Servo(6,80); }break; //00000010 case 0x01 : {if (Input(1,1)==1&&Input(2,1)==1) break; Servo(1,100);Servo(3,100); Servo(4,105);Servo(5,105); Servo(6,105); }break; //00000001 case 0x00 : { Servo(1,10);Servo(3,10); Servo(4,170);Servo(5,170); Servo(6,10); }break;//00000000 全黑 直走 } } return(1); } |
| #include "config.h" #include "lib_io.h" #include "lib_arm.h"
int main(void) { int s; int i; int flag; flag=0; Initial_ARM(); /*Servo(5,50);Servo(2,105);Servo(3,50);Servo(4,105);Delay(3500);*/ while(1) { s=0; for(i=0;i<4;i++) //依次读取4个传感器的触发状态，并给变量s的低3位分别置0或者置1 { s=s|(Input(i+1,1)<<i); if(Input(i+1,1)==1) LedIn(i+1,2); else LedIn(i+1,0); } switch(s) //根据变量s低3位所存储的传感器触发状态，分别让小车的左转、右转或直行 { case 0x0C : { if (flag==0) { Servo(5,23); Servo(2,162); Servo(3,23); Servo(4,164); Delay(3000); if (s==0x0F) Act_Stop(); flag++; } if (flag!=0) { Servo(5,70); Servo(2,125); Servo(3,70); Servo(4,125); Delay(2000);
} }break;//四号舵机，中间值为90.打转 case 0x0D : { Servo(5,40);Servo(2,140);Servo(3,40);Servo(4,144); }break;//如果在全白的情况下，动力不足 前进 case 0x0E : { Servo(5,140); Servo(2,40); Servo(3,140); Servo(4,44); }break;//后退00001110 case 0x0F : {Act_Stop();}break; case 0x04 : {if (flag!=0) { Servo(5,95);Servo(2,74);Servo(3,95);Servo(4,74);Delay(2000); Servo(5,50);Servo(2,95);Servo(3,55);Servo(4,97);Delay(3000); } }break; case 0x00 : {if (flag!=0) { Servo(5,95);Servo(2,74);Servo(3,95);Servo(4,74);Delay(2000); Servo(5,50);Servo(2,95);Servo(3,55);Servo(4,97);Delay(3000); } }break; case 0x08 : {if (flag!=0) { Servo(5,95);Servo(2,74);Servo(3,95);Servo(4,74);Delay(2000); Servo(5,50);Servo(2,95);Servo(3,55);Servo(4,97);Delay(3000); } }break; default:;break; } } return(1); } |
搅拌机与传送带组合
培训项目四 自动化制造系统综合性模拟培训
培训目的：
① 加深学生对自动化制造系统结构组成的认识。
② 让学生了解自动化制造系统的分散控制，协调运行的工作原理。
③ 熟悉模块概念，培养学生机构运动创新设计意识及综合设计的能力。
④ 训练学生的工程实践动手能力。
培训设备：
① 搅拌器
② 传送带
③ 搬运机器人
自动化加工系统模型
培训内容：
在上述三个培训基础上，将搅拌器、传送带和平动机械手小车组装在一起，构建一套小型自动化制造系统模型，并进行模拟自动化加工。整个过程完全模拟工程自动化加工生产线，一方面可以使大学生进行创造性制作整个自动化生产线，另一方面也可以使他们更加了解自动化生产线的过程，完成知识的积累和升华。
通过制作模拟自动化加工系统，可以让大学生从课本知识到实际的转变，理论结合实际，提高大学生的动手能力；通过其自动控制，进一步提高大学生C语言的编写能力，根据需求来写相应的程序语言；通过程序与机械结构进行结合，完成所要完成的目标，提高团队的协作能力。
2.2 中小学生培训项目
中小学生处于知识积累期，好奇心强，创造能力强，但知识基础薄弱，我们基于“探索者系列创新套件”对中小学生进行简单的基础培训，帮助其产生对机械、对程序语言的兴趣并得到相应的基础知识，增强其动手能力，了解编程语言，养成创造性思维方式，如制作全地形赛车及对抗机器人等。
培训项目一 全地形车设计培训
通过对结构的调整完成对已有障碍的翻越。地图由黑线为指引线，通过黑（白）标等传感器进行判断，通过ARM7主控板进行控制，完成各种动作以翻越障碍。车型如下图所示：
全地形棘轮车
小车的代码如下所示：
培训项目二 对抗机器人设计培训
通过对结构的调整，完成两辆车的对抗相撞。地图由黑白组合，通过传感器进行判断，通过ARM7主控板进行控制，完成对车的方向引导以及对抗。
对抗机器人
代码如下所示：
通过简单的培训，可提高中小学生对于机械以及程序的兴趣，了解简单的机械原理和程序知识，提高其动手操作能力，使其能够完成简单的结构组装和简单的程序编写。
* 本项目未获得作者开源授权，无法提供资料下载。
