基于半實物仿真平臺的工業(yè)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(yè)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(fā)實驗平臺，并基于matlab/Simulink開發(fā)環(huán)境搭建實時控制軟件，實現(xiàn)了數(shù)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(jié)合在暨南大學信息學院機器人相關專業(yè)的研究型實驗課程中應用。該方案簡化了機器人系統(tǒng)的開發(fā)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(jié)，同時豐富了實驗內(nèi)容，提供了實驗效率，創(chuàng)新了實驗形式。

關鍵詞：半實物仿真平臺; 工業(yè)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(yè)機器人指的是工業(yè)領域的多關節(jié)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(xiàn)各種工業(yè)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(yè)機器人是“中國制造2025”的重點發(fā)展領域，也是順應國家建設需求的典型新工科專業(yè)。

工業(yè)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(nèi)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(zhàn)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(zhí)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(yè)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(jié)，Delta機器人等多種形式。從控制功能上看，有傳統(tǒng)工業(yè)機器人和協(xié)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(guī)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(fā)方案。

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

結(jié)合國內(nèi)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(fā)團隊結(jié)合上述需求，基于工控機和simulink實時仿真環(huán)境開發(fā)了工業(yè)機器人教學實驗平臺。

從系統(tǒng)構成來說，該平臺包括：（1）工業(yè)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(huán)境中編寫，并運行在simulink-Realtime系統(tǒng)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(jù)需求進行設備，四種形式的機器人可根據(jù)教學單位的實際需求進行選配。從仿真對象來說，實現(xiàn)可配置的機器人仿真，包括單軸、平面兩軸、SCARA、6關節(jié)和Delta機器人，在數(shù)字機器人中，通過設置DH參數(shù)即可實現(xiàn)配置。DH表和其它參數(shù)可通過配置軟件進行配置。

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

為了實現(xiàn)上述功能，在matlab平臺上開發(fā)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(fā)，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(xiàn)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(xiàn)對仿真電機參數(shù)、機器人參數(shù)和動力學參數(shù)的設置，實現(xiàn)不同構型機器人的仿真;（3）算法軟件，基于matlab開發(fā)的控制和數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)，將結(jié)果以動畫的形式顯示，運行在windows/matlab上。

實驗平臺的實現(xiàn)方案如圖1所示。

3.系統(tǒng)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(fā)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(fā)。Simulink仿真環(huán)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(fā)。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(shù)據(jù)分析和演示庫，如圖2所示。

平臺界面與配置程序?qū)崿F(xiàn)對軟件組件的組織和協(xié)調(diào)，實現(xiàn)對工程的管理和關鍵信息的提取顯示，支持工程創(chuàng)建，案例庫管理、模型庫管理、EatherCAT組件管理、數(shù)據(jù)分析和演示庫管理功能。應用案例庫實現(xiàn)電機和各型工業(yè)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(shù)，即可實現(xiàn)不同參數(shù)的機器人的數(shù)字仿真和半實物仿真。模型庫用于實現(xiàn)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(xiàn)EatherCAT網(wǎng)絡的監(jiān)視與控制，實現(xiàn)對電機拖動平臺的直接控制。相關組件被集成到數(shù)字仿真案例中，即可實現(xiàn)半實物仿真。

數(shù)據(jù)分析和演示庫實現(xiàn)對仿真數(shù)據(jù)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(jù)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(tǒng)，實現(xiàn)半實物仿真，從而加深對機器人技術的理解，豐富教學內(nèi)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(guī)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(yè)學生實驗教學的部分難題，將理論教學、仿真和實驗結(jié)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）