基于MATLAB 工業機器人虛擬仿真實踐教學案例設計

李光宇，葛海浪，李守軍

（宿遷學院機電工程學院，江蘇宿遷，223800）

0 引言

工業機器人專業的綜合性很強，涉及到多學科的交叉融合。面對繁雜的知識體系，教師教學往往會偏向于理論，實踐教學浮于表面。學生在學習過程中由于難點多、難度大，學起來枯燥、吃力，接受程度低，長期會導致對課程產生回避心理，嚴重影響學習效果。

1 工業機器人實踐教學現狀

（1）實驗設備臺套數不足，設備單價較昂貴，學生單人訓練時間少。

目前常見的工業機器人實驗設備大多是在成熟的品牌機器人本體基礎上進行的二次開發，由于本體的價格就很昂貴，加上二次開發所投入的研發成本、配套硬件成本，所以整個系統價格較高，購置多套設備有一定的難度。實踐教學過程中，教師對學生設備使用安全性多有擔心，如果出現碰撞導致設備損壞，維修價格不菲，這也制約了學生對設備使用的深度與廣度。

（2）實驗學時不足，實驗多以演示性與驗證性實驗為主。

工業機器人課程實驗多以演示性與驗證性實驗為主，從學生反饋來看無法給學生留下深刻印象，不能起到鍛煉學生的工程實踐能力目的，而綜合性或設計性實驗往往持續較長時間，且所占學時較多，受到課時數、設備場地等因素影響，開展較困難。

（3）教師工程實踐經驗不足，教學脫離工程實際。

工業機器人應用一般都是在高度自動化的生產線上，這些企業由于技術保密等原因，高校教師很難有機會到這企業進行實踐鍛煉，也就無法把實際的工程問題帶到課堂中來，教學內容也就脫離工程實際。

（4）課程難度大，內容枯燥，學生不容易接受。

本課程涉及到大量的數學和計算機方面很多基礎知識，學生學習起來難度大，容易產生抵觸心理，教師講授過程中發現講授內容學生不能掌握也會對教師的情緒產生一定影響。

2 基于MATLAB 仿真的工業機器人實踐教學案例

案例教學法是將案例以討論的方式運用到課堂教學活動中，通過剖析案例，按照相應知識體系認知過程來引導學生，從而提高學生對知識體系的認識，同時也培養學生認識問題、分析問題和解決問題能力的一種教學方法[1,2]。案例教學法在機器人教學上應用廣泛，隋欣等采用Robotstudio仿真軟件設計的工業機器人離線編程案例教學增強了學生工業機器人應用的能力[3]。陳曉江等結合感器原理、控制工程理論、微機原理等課程開發了機器人應用于設計案例庫，對培養學生理論分析、編程以及團隊協作能力有良好的效果[4]。顧繼俊等采用研討式案例教學模式運用于機器人技術課堂教學，激發了學生學習興趣[5]。安娟等將機器人創新創業教育案例應用于機器人教學，將教學和雙創教育融合[6]。趙玉俠等通過設計機器人寫字案例來探討機器人編程，收到了良好的教學效果[7]。李尚榮等設計多個足球機器人教學案例以此來補充理論教學與實踐教學以及學生畢業設計[8]。

通過對以上已實施的案例教學分析不難發現案例教學可以發揮學生主體作用，同時教師可以與學生充分互動，顯著提高教學效果。本文以機器人運動學章節學習為例設計了工業機器人運動學MATLAB 仿真實踐教學案例，通過設計教學案例引入任務驅動的思想，提高學生的動手能力及分析解決問題的能力，加深了對知識學習理解。

（1）案例的教學目標

本案例圍繞MATLAB 機器人工具箱各項功能展開的，它的核心內容主要是通過案例設計來完成對機器人建模、正運動學、逆運動學求解等知識的學習與鞏固。案例教學強調從實際案例內容切入展開教學過程，圍繞問題設計教學內容包含了問題提出、問題分析以及問題解決三大部分。希望結合實踐案例實現對教學內容的融會貫通，提高學生的學習能力水平，優化教學方法應用。

（2）案例設計原則

本案例設計遵循以下原則：①一致性，實踐教學案例內容必須緊扣理論教學，需要與理論教學保持一致。②啟發性，不是對某個結論的簡單驗證，案例要有一定的廣度與深度，不具有唯一答案，更多體現學生理解與思考。③互動性，教師只提供理論框架，具體內容填充由學生完成，填充過程中教師與學生以及學生之間可以充分討論交流，以此來提高教學效果。

（3）案例知識點

本案例主要包括：Link 類指令、SerialLink 類指令、運動學指令、雅可比矩陣指令與軌跡規劃指令。通過內置puma560 機器人模型演示就緒狀態、伸展狀態與標準狀態，以及正運動學、逆運動學求解。

（4）案例流程與環節

本案例流程如圖1 所示，主要包括課前預習、課堂教學知識點的講解、擬定建模參數、完成各個知識環節、撰寫實驗報告、最后考核評價等。教學過程中首先要對機器人模型姿態的基本參數進行講解，主要包括自由度、各關節的關節角、連桿偏距、長度、轉角等參數。其次，重點講解各環節指令以及參數的使用語法及注意點、編寫程序、虛擬仿真與調試。第三，對正運動學與逆運動學作為重點難點講解。學生按具體教學任務進行知識點學習鞏固，并自行設置參數獨立完成建模與仿真調試，找到存在問題并分析原因，與學生一起討論解決方法。最后，撰寫實驗報告。

圖1 案例實施流程圖

由于本實驗教學案例涉及到知識點較多且難度大，所以必須首先要安排學生預習，讓學生對知識點有一定感性認識，預習時如有問題可以在班級群里進行討論、解答。講授階段，學生跟隨用計算機訓練，教師通過查看學生機了解學生具體掌握情況，如發現有問題要及時反饋解決。

課堂講授主要環節包括以下4 層任務，指令如表1 所示。

表1 主要指令表

任務一：應用link、robot 指令構建機器人模型。此教學任務難度較為簡單，重點是各個指令和其參數用法。通過第一層教學任務學生可以建立起基本的機器人仿真示教模型，這樣可以提高學生的興趣與成就感，讓學生能更自信繼續下一環節學習。

任務二：應用tranl、rotx、roty、rotz 等指令觀察機器人平移、旋轉運動。此步驟教學任務難度一般，重點是理解指令與旋轉矩陣來描述位姿。通過圖形動畫和示教模型把較復雜的數學問題具體化，可以更好幫助學生理解三維空間機器人位姿的變換。

任務三：利用fkine、ikine 做正運動學、逆運動學求解，此步驟教學任務難度較難，重點是幫助學生理解從給定角度來確定姿態和從給定姿態來確定角度的具體過程。

任務四：應用ctraj、jtraj 和trinterp 函數對機器人模型進行軌跡規劃，此步驟教學任務難度較難，重點是軌跡規劃過程和指令參數的理解。

按照教學任務分層完成，中間穿插討論與答疑，最終目標是通過MATLAB 仿真來驗證、鞏固正運動學、逆運動學、空間軌跡規劃等相關理論知識。最后學生完成實驗報告，每個學生機器人模型參數基本不會相同，所以這樣也基本上避免了抄襲的可能。

（5）考核方法

考核評分主要根據學生現場答辯與提交書面報告來進行評分，內容上主要注重程序與仿真截圖。主要考核模型建立的合理性、各環節任務完成的完整性與正確性，以及對各個知識點的理解體系性。

3 結語

(1)基于MATLAB 工業機器人虛擬仿真實踐教學案例設計有效解決了硬件設備條件不足的問題，讓理論教學與實踐教學更好的融合。

(2)仿真案例幫助學生對所學理論知識有了更深入、更直觀的認識，調動了學生的學習積極性，培養了學生分析問題解決問題的能力，

(3)參數設置個性化可以讓學生不再是被動的進行實驗驗證，充分發揮其主觀能動性，收到了很好的學習效果。