基于虛擬仿真技術(shù)的機器人課程教學研究

李憲華 石雪松 盛蕊 于清波 張軍

摘要：針對機器人課程教學中理論與實踐脫節(jié)的問題，采用基于三維建模軟件和工程數(shù)學軟件建立虛擬仿真平臺的方法，架起理論知識與機器人實體的橋梁，幫助學生能夠快速地進入機器人課程的學習.首先介紹了機器人本門課程的相關(guān)特點與國內(nèi)外關(guān)于機器人教學的現(xiàn)狀，然后分析了目前在機器人教學中存在的一些問題，最后以典型的工業(yè)機器人為例，說明了采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建機器人本體的方法.希望該方法能夠更好地激發(fā)學生學習機器人課程的興趣，調(diào)動學生的積極性，提高教師傳授機器人知識的效率.

關(guān)鍵詞：機器人學;虛擬仿真;教學實踐

中圖分類號：G642? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）01-0151-04

機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，廣泛應用于工業(yè)、軍事、教育等，是社會經(jīng)濟發(fā)展的必然趨勢，它的高速發(fā)展提高了社會生產(chǎn)水平和人類生活質(zhì)量[1].對于機器人課程的建設，國內(nèi)外機構(gòu)建立了大量的研發(fā)團隊和實驗室，相關(guān)高校陸續(xù)開設了機器人學或機器人技術(shù)與應用等相關(guān)課程.但是，機器人教育目前還處于綜合實踐活動的層面，遇到了諸多制約，各種不成熟的表現(xiàn)越發(fā)明顯.實踐教學在機械工程專業(yè)學生的培養(yǎng)中占有極其重要的位置，但是機器人實驗室是一個非常昂貴的機器人課程教學方式，導致學生缺乏接觸實際試驗的機會，理論知識不能與工程實踐有效結(jié)合.基于虛擬仿真技術(shù)建立機器人可視化仿真平臺可以為學生提供交互式實時仿真基礎，以最低的成本幫助學生完成涉及機器人的課程和項目.同時，該平臺能夠更好地激發(fā)學生的創(chuàng)造力，調(diào)動學生學習的積極性.

本文借鑒國內(nèi)外相關(guān)機械工程類本科生機器人課程體系建設，結(jié)合我國機械工程專業(yè)建設方向的具體實踐，優(yōu)化并完善機器人課程教學以適應學校機械工程專業(yè)辦學方向.文中以典型工業(yè)機器人為例，結(jié)合三維繪圖軟件，并運用Matlab語言編制運算程序，建立機器人可視化運行仿真平臺，可以實時顯示機器人運動效果，以滿足機器人課堂教學的需要.采用機器人理論知識與仿真再現(xiàn)本體運動的方法，使學生更能夠理解和應用所學知識，為學校機械工程類本科生培養(yǎng)質(zhì)量的提高打下良好基礎.

1 機器人學課程特點

對于本科生而言，機器人課程是一門理論性非常強的課程.如果在課堂教學當中不傳授機器人理論知識，而以講授機器人應用為主，則必然導致學生失去獲得機器人精華與本質(zhì)知識的機會.因此，在機器人教學當中，不僅要重視機器人的應用，更應該重視機器人理論知識的傳授.所以，傳授機器人知識的過程中，不但要培養(yǎng)學生的學以致用的能力，更要培養(yǎng)學生從事物的本質(zhì)出發(fā)，去分析問題和解決問題的能力.學習機器人這門課程之前，必須要進行機械原理與設計、力學、數(shù)值分析、電工電子、自動控制理論及傳感技術(shù)等相關(guān)課程的學習，對學生的基礎知識要求較高，特別是課程學習中復雜的數(shù)學推導，要求學生具有較深的高等數(shù)學基礎.對于機器人的高超本領(lǐng)和高科技含量，學生是極有興趣的，然而，要理解機器人根本原理，面對復雜而冗長的數(shù)學公式，無疑又是枯燥和乏味的.

2 教學情況

由于機器人應用的優(yōu)越性，在社會生活生產(chǎn)的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應用.機器人課程承擔著培養(yǎng)學生相關(guān)能力與提高其綜合素質(zhì)的任務，目前國內(nèi)外工科高校相繼建立了機器人學或機器人技術(shù)及應用課程.部分高校則開展了機器人相關(guān)的實踐活動和競賽，搭建以機器人為對象的教學平臺建設，充分發(fā)揮機器人教育的優(yōu)勢.

2.1 國外教學現(xiàn)狀

美國的機器人教學以團隊項目為主，主要為了提高學生的項目管理、協(xié)作和交流能力.俄勒岡州立大學將TekBots機器人作為學習平臺，在電工電子基礎、計算機原理、機械設計、信號與系統(tǒng)、機械原理等課程中應用TekBots平臺實現(xiàn)理論知識的仿真.學生可使用TekBots平臺調(diào)試程序，觀察程序在設備中運行的過程.日本的大學有高水平的教學機器人，主要參與機器人設計和制作大賽，培養(yǎng)較多機器人技術(shù)研究應用型人才，日本的機器人教育水平較高，機器人技術(shù)位于世界前列.與此同時，韓國增加機器人教學方面研究的投入，在機器人的教育方面取得了長足的發(fā)展.在新加坡國立教育學院舉辦的亞太地區(qū)ROBOLAB國際教育會議，采用多種方式討論其對科技的影響及其機器人教育方面應用的交流，提高高校開展機器人教育平臺的能力及教師開展機器人科研的水平能力.

2.2 國內(nèi)教學現(xiàn)狀

在我國，清華大學、國防科技大學、上海大學、東北大學、北京郵電大學、北京航空航天大學等學校陸續(xù)建立了機器人課程的教學，主要以授課為主，學校的機器人教學和各種相關(guān)活動相對獨立.北京郵電大學為本科生開設了工業(yè)機器人技術(shù)課程和機器人系統(tǒng)綜合性試驗實驗課[2];國防科技大學開設了機器人控制課程，為機械工程、自動化與仿真專業(yè)本科生設立了軍用機器人技術(shù)這門課程，針對專業(yè)的特點加設了機器人設計研討課，并組織學生參加相關(guān)機器人競賽[3].東北大學趙姝穎提出用DIY思想推動機器人教育的研發(fā)和應用，將機器人教育內(nèi)容化整為零[4].佛山職業(yè)技術(shù)學院提出校企合作、項目引領(lǐng)、課崗相融的人才培養(yǎng)模式，從事工業(yè)機器人生產(chǎn)及應用，培養(yǎng)從事工業(yè)機器人安裝、編程、調(diào)試、運行維護等復合型高端技能人才[5].重慶文理學院面向汽車及裝備制造等支柱產(chǎn)業(yè)和機器人、數(shù)控車床等高端智能裝備戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，組織了多種形式的機器人競賽活動[6].各高校參加機器人比賽的數(shù)量逐年增加，但是相對于國外起步較晚，機器人課程教學中實驗課時較少，少數(shù)大學設立有機器人實驗室，教學策略和考核方式有待改進.因此為進一步提高教學效果與教學質(zhì)量，結(jié)合學校自身的情況對機器人課程進行以培養(yǎng)興趣為導向，以實踐和創(chuàng)新為驅(qū)動的課程體系與教學改革迫在眉睫.

3 實踐教學

機器人課程教學面向的對象為全體學生，因此在向?qū)W生普及相關(guān)知識的同時，也應作為一項技術(shù)課程傳授給學生，以培養(yǎng)其創(chuàng)新意識、動手能力與運用知識去解決現(xiàn)實生產(chǎn)生活中遇到的問題的能力.機器人作為學習平臺，已經(jīng)慢慢應用于大學的課程中，在機器人課程教學過程當中，為了達到良好的教學效果，可以采用組織各式教學活動的方法來實現(xiàn).

3.1 理論教學

機器人教學是一項系統(tǒng)的工程，應從課堂教學、生產(chǎn)實踐、實驗教學、專業(yè)課程設計、畢業(yè)實踐、畢業(yè)設計等方面采用“分階遞進”的模式進行.我校在機械工程一級學科下面的機械設計專業(yè)和測控專業(yè)開設了機器人技術(shù)及應用課程.本門課程主要講述機器人的基本概念、組成和應用，機器人的運動學，包括正運動學與逆運動學，機器人的軌跡規(guī)劃，機器人控制，以及相關(guān)機器人的語言等，使本科生對工業(yè)機器人具有初步的認識.然而受條件的制約，機器人課程的實踐教學課時相對較少.而機器人教學應是理論與實踐相結(jié)合的一門課程，因此應該加大實踐課時的量，使學生可以通過實踐提高運用知識的能力.應逐步建立理論知識和實驗實踐的數(shù)據(jù)庫，使學生可以得到完整的培訓和訓練.

3.2 教學存在的問題

3.2.1 課程內(nèi)容枯燥、煩冗問題

當前偏重于機器人運動學和動力學，理論講解多，內(nèi)容較為抽象.缺乏機器人相關(guān)的知識內(nèi)容，學生的興趣不高，無法建立相關(guān)知識體系.對數(shù)學功底要求高，傳統(tǒng)課程沒有引進諸如MATLAB之類軟件，給同學帶來了很多的計算負擔，產(chǎn)生逆反情緒，很多同學反映跟預想中的機器人課程大相徑庭，教學效果不好.

3.2.2 采用傳統(tǒng)教學方法老套問題

在機器人課程教學上普遍采用灌輸式教學方法，過于偏重老師的講授，教學效果不好，不利于學生綜合能力的培養(yǎng).教學形式單一，目前機器人教學活動面向的對象極為有限，范圍比較窄，并且缺乏持續(xù)性.

3.2.3 實踐與教學脫節(jié)問題

現(xiàn)在機器人器材的高投入，讓很多學校望而卻步.由于學校自身條件的限制，無法向?qū)W生提供相關(guān)實驗室，缺少必要的實踐環(huán)節(jié)，難以滿足眾多學生對實驗的需要.導致所學理論與實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)，有些技術(shù)問題只是停留在紙面上.對于沒有接觸過機器人特別是工業(yè)機械臂的學生而言，最初有可能比較懼怕，擔心操作時損壞機器人或人身受到危險.這些導致了學生學習興趣的降低，不利于學生獨立思考、實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

基于以上問題，筆者認為教師應該改變傳統(tǒng)的教學方式，避免純理論的空洞化教學，將理論與實踐相結(jié)合，同時降低教學用機器人成本.把機器人仿真平臺引入機器人教學課堂，使教師的課堂教學將更具有針對性和實效性，該方案投資較少，實施方便，能夠滿足科研與教學對機器人仿真程序的需求.

3.3 機器人可視化平臺的構(gòu)建

構(gòu)建教學和科研共享虛擬仿真實驗平臺，以提高學生在機器人工程中的應用能力.本文以典型的工業(yè)機器人（川崎FS03N機械臂）為例，如圖1所示.首先在SolidWorks或任一種三維建模軟件中繪制機械臂本體的各個部件，而后進行裝配，以得到裝配體，可以簡單地觀察到各桿件的運動情況，然而卻無法知道其桿件隨運坐標系的運動情況.因此再將各部件按運動方式進行拆分，采用三維軟件中坐標系工具，運用DH法對各個拆分后的桿件進行坐標系重建，新建的坐標系如圖2所示，完成裝配后的本體坐標系如圖3所示.通過在三維軟件中，拖拽各桿件，可以清楚地看到各坐標系隨桿件運動的情況，使學生更加清晰地理解連桿坐標系的原理.

重新建立機械臂的部件坐標系后，為了實現(xiàn)對機械臂本體進行控制，需要將其導入MATLAB軟件中進行裝配組合.因為MATLAB軟件無法直接識別SolidWorks的圖形文件，所以需要將機器人的三維模型轉(zhuǎn)換格式.本文將機械臂的模型文件保存為MATLAB可以識別的STL文件，通過編制相關(guān)程序便可以實現(xiàn)模型的導入，將模型導入后通過使用patch函數(shù)可以實現(xiàn)3D模型的顯示，相關(guān)程序函數(shù)為：

function[fout，vout，cout]= stlread （ filename）

handle=patch（'Vertices'，propertyvalue ，'Faces' ，propertyvalue? ……）

程序執(zhí)行后，可以直觀地觀察到機器人本體及其運動情況，如下圖4所示.

該虛擬仿真平臺可完美再現(xiàn)機械臂的運動特性，通過平臺的文本框，可以實現(xiàn)對機械臂的運動控制，可以使學生更加深刻地了解到機械臂的動作情況，進一步編寫相關(guān)程序，可以實現(xiàn)對機械臂的速度和加速度的控制，這樣便將學生學習的機器人技術(shù)運動學、機械數(shù)字化技術(shù)、工程數(shù)學軟件等學科有機的結(jié)合并應用起來，更能提高學生學習科學知識和相關(guān)軟件的興趣，提高學生學習的積極主動性.

3.4 機器人虛擬仿真平臺教學的優(yōu)點

建立機器人虛擬仿真平臺有以下幾個優(yōu)點：

（1）本文采用的三維虛擬仿真平臺構(gòu)建機械臂的新方法，基于MATLAB的GUI交互設計和數(shù)值計算能力，充分集成了三維建模軟件SolidWorks、機器人工具箱和三維圖形顯示技術(shù)，有效地避免各個模塊在導入世界坐標系中亂序的問題，是初學者的好工具.

（2）該方法使用機器人工具箱可以實現(xiàn)對底層程序的操作，通過直接加入相應函數(shù)可以避免編制不必要的程序.可以省略機器人基本運算過程，學生有更多的時間學習其他課程.開發(fā)的仿真程序具有開放式的機械臂類型，適用于所有結(jié)構(gòu)機械臂三維虛擬仿真平臺的構(gòu)建，充分滿足教學和科研應用的需要.

（3）該方法有利于機器人學的教學和學習，幫助學生理解各個學科之間的聯(lián)系，加強課程連貫性.機器人3D交互可視化平臺提供一個工程實踐的模擬環(huán)境，當學生不能接觸到實際的機器人時，使用這種方法可以進行接近真實的運動模擬和動畫，使概念變得具體，為學生提供動手操作的空間.

（4）經(jīng)過仿真驗證的實踐，在教學過程中加入了計算機仿真操作，提供學生更多尋求解決問題的辦法，提高學生學習機器人課程的興趣，拓展學生的知識面，激發(fā)機械類本科生學習機器人課程的主觀能動性，提高學生分析解決問題的能力，加強團隊協(xié)作意識以及人與人的溝通能力，推動和促進機器人創(chuàng)新實踐課程的改革.

4 結(jié)論

在分析機器人課程特點及國內(nèi)外機器人教學的基礎上，提出了采用建立機器人虛擬仿真平臺的方法，以填補機器人課程純理論教學與機器人實踐教學之間的空白，提高學生學習機器人課程的興趣與主觀能動性.然而，機器人教育在我國尚處于起始階段，機器人課程體系并不完善，需要加強機器人教育專業(yè)教師隊伍的建設，加強本科用機器人實驗室建設，使更多的教師、學生從事機器人科學研究、學科競賽，開展項目研究，以使學生系統(tǒng)地學到機器人知識.

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