基于虛擬仿真技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)平臺設(shè)計及應(yīng)用探索

楊 景，王丙旭，趙德明，高興文

（浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018）

人才資源是世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展最重要的戰(zhàn)略資源，人才在綜合國力競爭中具有決定性作用。高等院校作為培養(yǎng)人才的重要基地，應(yīng)當(dāng)以培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的人才為己任，積極投身于知識創(chuàng)新與科技創(chuàng)新活動中，為國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科技發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

在當(dāng)前產(chǎn)業(yè)革命與科技革命引發(fā)新的工科發(fā)展和傳統(tǒng)工科的升級換代大環(huán)境下，我國高等工程教育的知識形態(tài)、學(xué)科內(nèi)容、領(lǐng)域結(jié)構(gòu)、應(yīng)用模式等都在進(jìn)行全新的改革與重組實(shí)踐。2016年10月，在第一屆中國高等教育峰會上首次提出“新工科”的概念，建設(shè)和發(fā)展新工科是當(dāng)前社會產(chǎn)業(yè)升級與發(fā)展的必然要求，是深化高校工程教育范式改革、滿足國家產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，是提高國家未來競爭力、贏得全球市場競爭的重要途徑。

智能制造作為新工科建設(shè)的重要內(nèi)容，也是《中國制造2025》的主攻方向，而智能制造人才的培養(yǎng)是其中重要的一步[1-2]。在當(dāng)前產(chǎn)業(yè)革命與科技革命引發(fā)新的工科發(fā)展和傳統(tǒng)工科的升級換代大環(huán)境下，我國高等工程教育的知識形態(tài)、學(xué)科內(nèi)容、領(lǐng)域結(jié)構(gòu)、應(yīng)用模式等都在進(jìn)行全新的改革與重組實(shí)踐。目前，我國大學(xué)生培養(yǎng)的適應(yīng)變化與工程創(chuàng)新能力普遍不足，因此，針對這一現(xiàn)象迫切需要從課程授課內(nèi)容、教育方式等方面著手進(jìn)行改善，以提升大學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)。結(jié)合智能制造專業(yè)的發(fā)展趨勢，有針對性地制定課程教學(xué)內(nèi)容是智能制造專業(yè)課程建設(shè)的核心問題，也是新工科建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容[3]。

《工業(yè)機(jī)器人》是智能制造專業(yè)課程體系中的基礎(chǔ)課程之一，是一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及自動控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能、電子技術(shù)和機(jī)械工程等多學(xué)科的內(nèi)容。本課程講述機(jī)器人的工作原理，以機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)為基礎(chǔ)，闡述機(jī)器人運(yùn)動控制和力學(xué)控制的數(shù)學(xué)模型建立方法以及驅(qū)動力的確定方法，進(jìn)行項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)踐，是機(jī)器人設(shè)計和應(yīng)用的基礎(chǔ)。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以彌補(bǔ)理論教學(xué)中存在的“開環(huán)”問題，即理論與實(shí)踐的相互驗(yàn)證[4-5]。

本文在分析工業(yè)機(jī)器人課程目標(biāo)的基礎(chǔ)上，旨在將零散的課程教學(xué)內(nèi)容融合多課程的相關(guān)內(nèi)容，形成具體、綜合、自閉環(huán)的實(shí)踐課程內(nèi)容教學(xué)體系，利用編程軟件為學(xué)生搭建不少于三種機(jī)器人構(gòu)型的理論模型仿真平臺，實(shí)現(xiàn)課堂理論知識與實(shí)踐過程的有機(jī)銜接，并結(jié)合仿真平臺制定詳細(xì)的綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目以及考核評價方案。

1 工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中存在的問題

結(jié)合目前從事的《工業(yè)機(jī)器人》課程教學(xué)，目前課程內(nèi)容主要存在以下問題：（1）缺乏有效的理論應(yīng)用驗(yàn)證平臺。課程授課理論內(nèi)容未閉環(huán)，學(xué)生在學(xué)習(xí)理論建模內(nèi)容后，在應(yīng)用解決實(shí)際問題時并沒有途徑證明結(jié)果的正確性。導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性未能充分調(diào)動。（2）在課程的實(shí)踐操作環(huán)節(jié)，不能結(jié)合目前先進(jìn)的機(jī)器人，不能很好地和理論部分結(jié)合，設(shè)備的運(yùn)行和理論的模型之間不能很好地給學(xué)生直觀體驗(yàn)。（3）傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)中，由于實(shí)操危險系數(shù)大、學(xué)生數(shù)量多而機(jī)器人數(shù)量少，導(dǎo)致學(xué)生參與度不夠高、實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)缺失、教學(xué)效果甚微。（4）綜合訓(xùn)練環(huán)節(jié)缺乏自我校驗(yàn)的手段，無法對解決工程問題的系統(tǒng)性有清晰的認(rèn)知。課程教學(xué)內(nèi)容是建立在面向社會需求的專業(yè)建設(shè)的基礎(chǔ)上，其目標(biāo)是應(yīng)用于解決實(shí)際工程問題。多維關(guān)聯(lián)的課程內(nèi)容設(shè)計能夠?qū)W(xué)生所學(xué)其他相關(guān)課程進(jìn)行綜合，并加以應(yīng)用到實(shí)際問題中，提升學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行實(shí)際工程問題的設(shè)計和分析應(yīng)用能力。多維關(guān)聯(lián)的課程內(nèi)容設(shè)計既要求不同課程知識點(diǎn)之間的有機(jī)關(guān)聯(lián)，同時也要求課程內(nèi)容與實(shí)際工程問題之間的有機(jī)關(guān)聯(lián)，充分重視學(xué)生當(dāng)前的已學(xué)內(nèi)容與整體學(xué)習(xí)目標(biāo)的關(guān)聯(lián)。

2 課程體系改革探索思路

結(jié)合《工業(yè)機(jī)器人》課程的具體學(xué)情，課程授課對象為智能制造專業(yè)大三學(xué)生，這一階段已完成機(jī)械原理、機(jī)械系統(tǒng)仿真技術(shù)等相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，對機(jī)構(gòu)的原理解析、表達(dá)和仿真有一定的了解，但對其中的仿真動作原理的理論認(rèn)知相對較少，這也正是本課程要解決的問題。機(jī)器人學(xué)的內(nèi)容作為本課程的重點(diǎn)內(nèi)容，理論難度較大，而且缺乏驗(yàn)證的手段，較為抽象不利于學(xué)習(xí)的效果。比如在機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)教學(xué)內(nèi)容授課過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對理論模型普遍存在模糊的認(rèn)知，無法驗(yàn)證模型的正確性。

（1）多維關(guān)聯(lián)下的課程內(nèi)容系統(tǒng)框架設(shè)計：將工業(yè)機(jī)器人課程內(nèi)容劃分為機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、機(jī)器人學(xué)、機(jī)器人控制、機(jī)器人應(yīng)用四個模塊內(nèi)容，機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部分關(guān)聯(lián)機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計課程中涉及運(yùn)動簡圖和傳動設(shè)計部分內(nèi)容，機(jī)器人學(xué)關(guān)聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)仿真技術(shù)中關(guān)于結(jié)構(gòu)的運(yùn)動和動力學(xué)仿真，機(jī)器人控制及應(yīng)用模塊關(guān)聯(lián)Matlab軟件中關(guān)于機(jī)構(gòu)仿真及編程的內(nèi)容，并將關(guān)聯(lián)的內(nèi)容作為課程的作業(yè)練習(xí)，訓(xùn)練的同時建立學(xué)生理論驗(yàn)證的基本思路。在課程的頂層設(shè)計階段進(jìn)行解決，以六軸工業(yè)機(jī)械臂為教學(xué)實(shí)踐平臺，以工程設(shè)備原理→機(jī)構(gòu)工程問題→機(jī)構(gòu)簡圖→關(guān)鍵信息提取→三維建模→仿真分析→平臺實(shí)踐流程這一完整過程為切入點(diǎn)，針對其中涉及的關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行整體介紹，建立學(xué)生對工業(yè)機(jī)器人設(shè)計分析的目的和功能的清晰認(rèn)識。

在課程內(nèi)容上串聯(lián)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)等專業(yè)課程內(nèi)容，圍繞連桿機(jī)構(gòu)建模、機(jī)器人學(xué)建模、三維建模、運(yùn)動仿真、實(shí)踐操作幾個項(xiàng)目，通過由淺到深的方式建立學(xué)生的基礎(chǔ)認(rèn)知，建立學(xué)生對課程在實(shí)際工程中的應(yīng)用價值觀。學(xué)生能夠明晰學(xué)習(xí)目標(biāo)并且感知到當(dāng)前學(xué)習(xí)目標(biāo)與已學(xué)知識的聯(lián)系、當(dāng)前學(xué)習(xí)內(nèi)容的現(xiàn)實(shí)價值與未來價值、當(dāng)前學(xué)習(xí)效果與自身參與的相關(guān)性，使得學(xué)生更容易感受到當(dāng)前學(xué)習(xí)與自己的相關(guān)性，從而更容易激發(fā)并維持內(nèi)在的學(xué)習(xí)動機(jī)。

在執(zhí)行階段，首先，關(guān)注知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)。在授課過程中，將教學(xué)內(nèi)容分為多個依次遞進(jìn)的內(nèi)容。充分重視學(xué)生前期學(xué)習(xí)水平與當(dāng)前學(xué)習(xí)目標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度，由淺入深注重引導(dǎo)學(xué)生的思考；注重項(xiàng)目內(nèi)容與教材內(nèi)容的關(guān)聯(lián)，同時提醒學(xué)生回顧、關(guān)聯(lián)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容。重視課前學(xué)習(xí)內(nèi)容與課上學(xué)習(xí)內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)，在課前學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)除了要求學(xué)生學(xué)習(xí)所有的視頻教程內(nèi)容之外，還要求每一個小組負(fù)責(zé)一個知識點(diǎn)的總結(jié)梳理并在課上發(fā)表，而課上的研討又涉及對每一個知識點(diǎn)的充分應(yīng)用，這樣可以較好地保障課前學(xué)習(xí)、課上學(xué)習(xí)與課后鞏固一體化，這樣有助于促進(jìn)學(xué)生主動進(jìn)行知識關(guān)聯(lián)。

其次，本次教學(xué)實(shí)踐參照目標(biāo)分類法，為學(xué)生設(shè)計了分層學(xué)習(xí)目標(biāo)，在課前學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)主要解決中低階學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成問題并進(jìn)行相應(yīng)的測評，同時提醒學(xué)生聯(lián)系教材內(nèi)容完成課前學(xué)習(xí)。在課上環(huán)節(jié)，通過提供學(xué)習(xí)任務(wù)卡，不但讓學(xué)生反思確認(rèn)自己的課前學(xué)習(xí)效果，安排專門的小組發(fā)表環(huán)節(jié)——發(fā)表課前學(xué)習(xí)成果，在此基礎(chǔ)上教師進(jìn)行精煉的點(diǎn)評與總結(jié)梳理，并要求學(xué)生利用課前學(xué)習(xí)成果支持課上的研討與反思，同時提醒學(xué)生要充分反思拓展以將課前課上所學(xué)知識用于后續(xù)的實(shí)地考察學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，這樣可讓學(xué)生始終不忘學(xué)習(xí)目標(biāo)，同時能夠比較充分地感知到課前課上學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)的統(tǒng)合與升華，促進(jìn)高階學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成。

（2）基于仿真平臺的課程項(xiàng)目構(gòu)建及評價方案：在課程的前期階段主要以案例式教學(xué)為主，采用典型案例教學(xué)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。在課程進(jìn)展到一定程度，布置一些相關(guān)課題，進(jìn)行研討教學(xué)活動。例如，布置內(nèi)容以機(jī)器人為主的自動化裝備（整機(jī)）為例，深入總結(jié)分析控制技術(shù)相關(guān)要點(diǎn)，包括裝備應(yīng)用背景、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析、動力學(xué)分析和控制策略制定等。教師需要針對學(xué)生的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)評價，對于存在的問題提供相應(yīng)的解決方案，使學(xué)生更加牢固地掌握相關(guān)知識。

在課前學(xué)習(xí)和課上學(xué)習(xí)階段都設(shè)計多個學(xué)習(xí)評價環(huán)節(jié)。在課前視頻學(xué)習(xí)結(jié)束后，會讓學(xué)生進(jìn)行在線自測，并讓學(xué)生以小組為單位形成小組學(xué)習(xí)成果，在課上學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)進(jìn)行展示，展示后將接受同伴評價與自主評價（全班同學(xué)參與，包括發(fā)言小組成員）。在課上討論環(huán)節(jié)后，也有小組互評，最終每一位學(xué)生會對學(xué)習(xí)效果進(jìn)行自評，這樣有利于讓學(xué)生時刻總結(jié)、及時反思自己的學(xué)習(xí)成果，并進(jìn)行自主評價。教師的點(diǎn)評也有助于學(xué)生反思自己的學(xué)習(xí)成果，這樣有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)滿意度。在研究小組中，建立起競爭及獎勵機(jī)制，使學(xué)生能夠最大化地發(fā)揮其自身的科研積極性。課程老師定期對小組成員進(jìn)行任務(wù)督促和檢查，對其中遇到的問題進(jìn)行重點(diǎn)指導(dǎo)。小組成員定期進(jìn)行工作匯報，同時組織成員經(jīng)常交流，從而達(dá)到集中資源，共同提高的教育優(yōu)化。定期組織實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部具有某方面突出特長的課程老師和本科生進(jìn)行專題講座，為學(xué)生對于不同領(lǐng)域內(nèi)容的學(xué)習(xí)提供切實(shí)的指導(dǎo)機(jī)會。

在實(shí)際問題中進(jìn)行運(yùn)用能夠有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)滿意度。在本次教學(xué)實(shí)踐中為推進(jìn)學(xué)以致用，主要做了以下三方面設(shè)計。其一，在學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計之初，就非常重視學(xué)生要向高階目標(biāo)看齊，不僅要知道知識是什么，更要關(guān)注知識怎么用，教師在每一環(huán)節(jié)的點(diǎn)評中也有意識提示學(xué)生要重視的學(xué)習(xí)成果。其二，學(xué)生的學(xué)習(xí)卡是反復(fù)利用的，學(xué)生在每一個環(huán)節(jié)都可以看到自己的學(xué)習(xí)成果，并且在下個環(huán)節(jié)還可以利用上一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)成果。其三，結(jié)合實(shí)際智能生產(chǎn)線為學(xué)生提供課后觀摩和實(shí)地考察機(jī)會，讓學(xué)生在感知教學(xué)內(nèi)容的實(shí)際應(yīng)用，并進(jìn)行評價反思。

在課程教學(xué)過程中，充分融入多課程相關(guān)知識點(diǎn)，為學(xué)生形成清晰的知識脈絡(luò)。圍繞課程的多個重要知識點(diǎn)建立訓(xùn)練項(xiàng)目，并以分組的形式輔助進(jìn)行實(shí)踐平臺建設(shè)，其中課程老師在班級范圍內(nèi)，按照不同課程任務(wù)將所有學(xué)生編入不同的研究小組，方便實(shí)現(xiàn)專門性的課程任務(wù)。根據(jù)項(xiàng)目訓(xùn)練的中期及結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整分組情況。

通過小組內(nèi)部的合作與互助，降低每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，讓每一位學(xué)生更有學(xué)習(xí)信心。在成果發(fā)表環(huán)節(jié)，是以小組為單位，每一個小組推薦成員代表小組發(fā)言。為推進(jìn)個體成員在小組中充分發(fā)揮作用，同時促進(jìn)小組積極研討，設(shè)計了學(xué)習(xí)卡對學(xué)生個體和小組學(xué)習(xí)任務(wù)做了明晰的界定。

在整個學(xué)習(xí)過程充分發(fā)揮教師的“導(dǎo)學(xué)-助學(xué)-促學(xué)”作用。在課前學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，通過學(xué)習(xí)平臺的視頻學(xué)習(xí)進(jìn)度提示、教師在班級微信群提示等方式，提醒學(xué)生及時完成在線視頻學(xué)習(xí)與教材內(nèi)容學(xué)習(xí)，也要求學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)自測并反饋學(xué)習(xí)疑難點(diǎn)，同時提供在線答疑。在課上小組學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，通過提供學(xué)習(xí)任務(wù)卡為學(xué)生搭建了一系列探究學(xué)習(xí)支架，可以為學(xué)生個體與小組學(xué)習(xí)提供系統(tǒng)的學(xué)習(xí)支持；小組討論環(huán)節(jié)教師在學(xué)生討論期間巡視教室，幫助學(xué)生即時解決問題；在小組研討成果展示環(huán)節(jié)要求學(xué)生利用課程學(xué)習(xí)過程中強(qiáng)調(diào)過的思維導(dǎo)圖梳理學(xué)習(xí)成果。

3 基于OpenGL的機(jī)器人虛擬平臺搭建

利用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)平臺的搭建的關(guān)鍵在于如何快速實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人構(gòu)型在虛擬系統(tǒng)中的建模過程。利用三維軟件建立機(jī)器人三維模型，在VC++環(huán)境下編寫程序提取相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合OpenGL函數(shù)庫對虛擬機(jī)械臂進(jìn)行三維重建，通過添加光照、設(shè)置材料屬性、抗鋸齒等后期渲染，建立一個形象逼真的虛擬機(jī)器人幾何模型。虛擬系統(tǒng)中機(jī)器人重建過程主要分為三個步驟。

步驟1：將機(jī)器人的CAD模型保存為3DS文件，然后利用3dsMax軟件對3DS進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化、平滑等操作。借助于View 3DS程序?qū)?DS模型導(dǎo)出包含機(jī)器人頂點(diǎn)和面部的信息的.h文件和.gl文件，并添加到VC++程序中。

步驟2：在上一步得到的機(jī)器人的頂點(diǎn)和面部信息的基礎(chǔ)上執(zhí)行三維重建。在 OpenGL中調(diào)用經(jīng)過初始化的信息列表以繪制機(jī)械臂的幾何模型，并通過離線計算的方式確定面片法向量、頂點(diǎn)法向量、面片及頂點(diǎn)索引。完成幾何建模后，將其他燈光，材質(zhì)和其他屬性添加到模型中。

步驟3：在該步驟中執(zhí)行渲染處理，主要是添加鏡面反射和抗鋸齒的功能以增加顯示的真實(shí)性。

經(jīng)過三維重建之后，機(jī)器人可以在虛擬系統(tǒng)中顯示。接著以運(yùn)動學(xué)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)軸方向?yàn)橐罁?jù)，給關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角附加離線控制變量，最終得到的機(jī)器人系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人虛擬運(yùn)動模擬平臺

通過搭建的機(jī)器人虛擬平臺，提供機(jī)器人運(yùn)動學(xué)有效的理論應(yīng)用驗(yàn)證平臺。在理論課堂授課的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以利用該平臺證明所建立的理論模型的正確性，形成專業(yè)理論知識的閉環(huán)。同時，該平臺可以快速實(shí)現(xiàn)多種構(gòu)型的機(jī)器人的幾何模型重建，可以結(jié)合目前先進(jìn)的機(jī)器人進(jìn)行授課的應(yīng)用，體現(xiàn)目前行業(yè)的發(fā)展趨勢和研究熱點(diǎn)，也有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和能力的提升，改善理論課堂授課效果。

4 結(jié)語

在課程相關(guān)的多課程知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，結(jié)合課程培養(yǎng)目標(biāo)及教學(xué)要求，設(shè)計學(xué)生切實(shí)可行的項(xiàng)目訓(xùn)練任務(wù)，根據(jù)《工業(yè)機(jī)器人》實(shí)際課程教學(xué)的需要，將同一類型或不同類型的學(xué)生組成研發(fā)小組，在教師的主導(dǎo)下共同解決實(shí)際工程問題。通過多種軟件平臺搭建用于課程教學(xué)的實(shí)踐平臺，并且為學(xué)生提供更為符合其自身實(shí)際情況的課程培養(yǎng)方案及軟硬件支持，使其能夠成為在完成教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)的同時，提升自身的實(shí)踐能力，為本科生的課程學(xué)習(xí)提供切實(shí)可行的執(zhí)行方法和實(shí)踐平臺。