基于半實物仿真平臺的工業機器人實驗教學方法

閔飛炎

摘 要：探討半實物仿真技術在工業機器人教學實驗中的應用方案。基于某型伺服電機和EtherCAT總線技術開發實驗平臺，并基于matlab/Simulink開發環境搭建實時控制軟件，實現了數字機器人、半實物機器人、實物機器人和動畫機器人的同步控制和仿真。這種結合在暨南大學信息學院機器人相關專業的研究型實驗課程中應用。該方案簡化了機器人系統的開發過程，降低了教學實踐難度，避免了單純虛擬化實驗而造成的與實際脫節，同時豐富了實驗內容，提供了實驗效率，創新了實驗形式。

關鍵詞：半實物仿真平臺; 工業機器人; 實驗教學

中圖分類號：TP242.2? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）3-170-002

1.引言

工業機器人指的是工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，可依靠自身的動力能源和控制能力實現各種工業加工制造功能，是技術密集度及自動化程度很高的典型機電一體化加工設備。工業機器人是“中國制造2025”的重點發展領域，也是順應國家建設需求的典型新工科專業。

工業機器人涉及得到機械學、電子工程、自動控制和人工智能等多種先進技術。國內外諸多高校和研究人員都開始了對機器人課程建設的探究。在本科階段的機器人教學中面臨著多方面的挑戰和需求，包括：

（1）教學平臺的安全性。教學中的機器人將與教師和學生在同一空間工作，執行機械任務。然而實驗課程的控制程序不可避免的存在安全隱患，甚至造成傷害事件。

（20教學平臺的靈活配置。教學中的工業機器人的構型和功能多樣。從構型上看，包括單軸、平面兩軸，SCARA，6關節，Delta機器人等多種形式。從控制功能上看，有傳統工業機器人和協作機器人等。

（3）教學平臺的開放性。除本體外，機器人構件還包括電機、伺服器、減速器、編碼器和各種傳感器;從軟件功能上看，包括實時通信、路徑規劃和插補、運動學和動力學控制等。教學實驗平臺應該使得學生學習到軟硬件的工作機理和開發方案。

（4）教學平臺的生動性。為了激發學生的主觀能動性，必須多維度的顯現機器人的運動軌跡、參數變化趨勢和性能指標。

結合國內外機器人教學平臺的需求，本文提出了基于半實物仿真平臺的構成和教學方案。

2.實驗平臺的構成和功能

本研發團隊結合上述需求，基于工控機和simulink實時仿真環境開發了工業機器人教學實驗平臺。

從系統構成來說，該平臺包括：（1）工業機器人，實驗平臺中的機器人包括多種存在形式，包括：運行在計算機上的仿真機器人、由電機和傳感器組合成的半實物機器人、實物機器人，以及用于分析和顯示的動畫機器人;（2）運行在工控機上的機器人控制器，在simulink環境中編寫，并運行在simulink-Realtime系統上;（3）示教器，用于教學和實驗的示教器，可為實物示教器，也可由計算機代替。

所有設備通過EtherCAT總線連接并同步工作，教學單位根據需求進行設備，四種形式的機器人可根據教學單位的實際需求進行選配。從仿真對象來說，實現可配置的機器人仿真，包括單軸、平面兩軸、SCARA、6關節和Delta機器人，在數字機器人中，通過設置DH參數即可實現配置。DH表和其它參數可通過配置軟件進行配置。

從教學和實驗內容上來說，包括：電機的認識和建模、關節空間運動和規劃、直角空間運動和規劃、正向運動學和反向運動學、機器人動力學控制等內容。

為了實現上述功能，在matlab平臺上開發4方面的功能，包括：（1）用于機器人控制和仿真的simulink程序，在上位機上開發，并被編譯成目標文件，下載至目標實時機上運行; 該程序通過EhterCAT總線實現對半實物機器人和實物機器人的同步控制;（2）機器人配置軟件，運行在上位機上的matlab GUI程序，可實現對仿真電機參數、機器人參數和動力學參數的設置，實現不同構型機器人的仿真;（3）算法軟件，基于matlab開發的控制和數據分析軟件。主要用于模型辨識、控制器設計等算法工具，目標是為實時仿真提供模型、控制參數等計算工作;（4）動畫機器人，采用多媒體形式顯示機器人的運動過程和性能指標;通過EtherCAT從站接收實時運行數據，將結果以動畫的形式顯示，運行在windows/matlab上。

實驗平臺的實現方案如圖1所示。

3.系統軟件方案

本科教學中的機器人實驗平臺將支持機器人實驗和開發功能。為了便于教學工作的開展，該平臺的控制通信軟件基于matlab平臺開發。Simulink仿真環境是本平臺的核心，其支持實時模式下的控制和仿真，并可基于成熟的機器人工具箱進行二次開發。Simulink軟件包括平臺界面與配置程序、應用案例庫模型庫、EatherCAT組件庫，數據分析和演示庫，如圖2所示。

平臺界面與配置程序實現對軟件組件的組織和協調，實現對工程的管理和關鍵信息的提取顯示，支持工程創建，案例庫管理、模型庫管理、EatherCAT組件管理、數據分析和演示庫管理功能。應用案例庫實現電機和各型工業機器人的建模、運動學控制和動力學控制。用戶通過設置相關參數，即可實現不同參數的機器人的數字仿真和半實物仿真。模型庫用于實現機器人的關鍵組件和控制技術，包括先進模型辨識算法、先進機器人控制算法等。模型庫中的相關模塊可用于替換特定案例中的相關組件，從而支持機器人控制技術的探索和研究工作。

EatherCAT組件庫用于實現EatherCAT網絡的監視與控制，實現對電機拖動平臺的直接控制。相關組件被集成到數字仿真案例中，即可實現半實物仿真。

數據分析和演示庫實現對仿真數據的動化顯示、記錄、解析、回放和分析功能。

4.教學方案設計

在實驗教學中，教師根據教學計劃篩選出合適的仿真應用場景，設計實驗大綱。學生從模型庫中選擇合適的軟件組件，搭建仿真系統，實現半實物仿真，從而加深對機器人技術的理解，豐富教學內容。

如表1列舉了針對機器人運動學課程設計的T型速度規劃實驗的軟件組成，在此基礎上可開展實驗教學。

半實物仿真技術的應用，將有效解決本科機器人相關專業學生實驗教學的部分難題，將理論教學、仿真和實驗結合起來，增強學生對機器人、控制理論和電子技術的理解和應用能力。

參考文獻：

[1]Peter Corke， Robotics， Vision and Control， Fundamental Algorithms in MATLAB， Springer

[2]劉冬等.基于EtherCAT的機器人控制總線方案研究，計算機工程與設計，2013（4）