基于 ROS 實驗平臺的計算機教學實踐

摘要：在“雙高”建設背景下，職業院校通過整合校內專業資源組建專業群來發揮集群發展的優勢。計算機專業利用程序開發和軟件工具實現對工業機器人的控制，是工業機器人專業群向數字化發展的一個方向。面對專業群課程內容交叉，需要對其進行區分和更新。計算機專業的教學模式需要符合專業人才培養要求，并制定實例化、應用型實驗解決方案。文章針對機器人操作系統的程序設計理論與實踐要點，介紹了ROS實驗平臺，以創新計算機專業人才的培養模式，促進專業群協同發展。

關鍵詞：工業機器人;ROS;實驗平臺

中圖法分類號：TP3—4 文獻標識碼：A

Computer teaching practice based on ROS experimental platform

HOU Jingxi

（Zhongshan No. 1 Vocational and Technical School， Zhongshan， Guangdong 528400， China）

Abstract： Under the background of "double high" construction， vocational colleges have formed professional groups by integrating professional resources within the school to give full play to the advantages of cluster development. The computer major uses program development and software tools to realize the control of industrial robots， which is a direction for the digital development of industrial robot professional groups. Facing the intersection of professional group curriculum content， it needs to be differentiated and updated. The teaching mode of computer major needs to meet the requirements of professional personnel training， and formulate practical and applied experimental solutions. This paper introduces the ROS experimental platform for the theory and practice of programming theory and practice of robot operating system， in order to innovate the training mode of computer professionals and promote the coordinated development of professional groups.

Key words： industrial robot， ROS， experiment platform

1? 概述

為應對新經濟的挑戰，各職業院校開始探索和實施工業機器人專業的人才培養模式，分層次、分專業、分領域開展機器人學科建設，以服務國家戰略，滿足產業需求。通過調研發現，工業機器人企業對人才崗位的要求是“具有機器人應用系統的設計和開發能力，可勝任系統集成、維護、編程、調試等工作”。從人才需求可見，“工業機器人技術”是一門融合了多門學科知識的交叉學科，綜合應用機械、電子、仿生、傳感器、計算機硬件和軟件等眾多前沿科技，單憑在職業院校的短時間學習，是難以培養出知識體系全面的高技能人才的。因此，不少職業院校通過組建專業群，梳理工業機器人教學內容的邏輯關系，按照邏輯主線劃分專業領域，如機械、電氣、計算機專業分別服務于工業機器人產業鏈的不同領域。本文對職業院校計算機專業運用專業特點為工業機器人專業群發展提供服務進行了介紹，并提出了教學改革思路。

2? 計算機專業在工業機器人專業群中的位置

傳統計算機專業的專業課程大致為“操作系統”“程序設計”“網頁設計”“網絡工程”等，課程總體偏向計算機軟件編程，理論內容較為抽象。基于該專業特點，容易出現與學生設想的課程內容有出入的情況，不僅不能讓學生深刻體會開設計算機專業課程的意義，并且淡化和降低了學生對計算機專業學習的興趣，還無法直觀、便捷地向非專業群體進行成果演示，更難以取得對等的專業認可。計算機課程既要體現信息技術專業知識的綜合應用，又要使得基礎理論擁有合理的層次和深度，實訓載體還要具有時代性和必要的實物化展示。

隨著新一代信息技術的不斷發展，機器人工程研究領域已經向網絡化、智能化、數據化方向貼近，呈現出“互聯網+”工業數字化的特點：以機械專業或電氣專業為主，計算機專業為輔;以算法和程序開發為主，使得硬件與軟件的聯系更加緊密。具體控制層次如圖1 所示。

結合職業院校的學制特點，學生一般只有2 ～3 年的在校學習時間，計算機專業學生沒有足夠的時間學習電子硬件相關課程。計算機課程與機械或電氣課程學習可采用隱性學時增長的方式，通過在工作過程系統化的實際場景中，以項目實施的方式進行教學擴展和實驗實踐，認識電子硬件的基本運行流程。

在教育信息化快速發展背景下，一些實驗課程與硬件密切相關的內容還可通過仿真平臺的支撐，解決計算機專業學生硬件知識技術不足的問題，實現機器人可視化教學。教學內容可偏向機器人操作系統的使用、工作實例編程調試實現、策略性和技巧性的人工智能編程等，它們與計算機知識體系具有很強的相關性，可為學生后續學習和工作打下基礎，從而推進技能訓練、提升信息化素養。

3? 基于 ROS 實驗平臺的設計方案

ROS（Robot Operating System ）由斯坦福大學的人工智能實驗室所研發，是一個分布式模塊化的開源框架機器人項目 [1]。ROS 基于 Ubuntu 的 Linux 系統， Linux 系統則是計算機專業操作系統教學內容，以機械模型驗證程序運行效果，能更好地解決職業院校計算機專業無法通過實物化進行教學展示的問題。計算機專業學生無須了解硬件抽象原理、底層設備控制過程，只需通過控制進程間消息傳遞，利用常用工具，編譯庫函數，編寫算法程序，即可將人工智能技術應用于機器人載具。機器人的傳感器信息通過插件的形式加入 Gazebo 仿真環境，學生學習并理解仿真模型的制作流程和模型代碼，以可視化的方式進行測試。其整體框架如圖2 所示。

ROS 使用分布式控制節點實現程序間的通信，節點可在主題中發布話題消息，也可以其他節點進行主題消息的訂閱，節點間進行話題消息的傳遞。

4? 基于 ROS 平臺的機械臂控制系統案例分析

4.1? 仿真環境與建模

通過前期簡單的教學，讓學生通過學習使用 Gazebo 軟件來熟悉三維模型的創建，了解仿真軟件的功能。在 Gazebo 軟件中，可以添加各類傳感器設備和修改對應配置參數的方式來模擬現實環境。在仿真三維建模中，可以采用 XML 和 URDF 的形式進行仿真環境和模型的描述與存儲，用于描述機器人的一系列關節與連桿的相對關系、慣性屬性、幾何特點和碰撞模型的文檔。計算機專業學生通過前置課程網頁設計，對 HTML 等超文本標記語言較為熟悉，教師可以直接使用標記語言對模型進行設計與開展教學活動。本文對機械臂控制系統進行了介紹，通過ros _ control 控制器實現 ROS 與機械臂模型的關聯。ros? control 控制器集成了機械臂常用的關節力矩控制器和關節角度控制器，使用者利用ros_control控制器實現機械臂的操控[2]。

4.2? 上位機控制軟件

rviz軟件是 ROS 自帶的圖形化工具，可以方便用戶通過圖形界面開發調試 ROS，從而完成機械臂運動規劃和控制等功能。本設計方案以rviz為上位機控制軟件，讓控制對象發布控制信息，實現對機械臂工作狀態的監控。

使用者通過上位機控制軟件查詢狀態、下達指令等。上位機控制軟件擁有3 種控制模式：（1）輸入末端的坐標位置和末端夾爪的姿態，控制機械臂的末端到達目標位置;（2）控制機械臂的各個關節的運動角度;（3）設置軌跡，讓機械臂完成一系列指定動作。

4.3? ROS 分布式節點控制模塊

為提高模塊的重用率、降低模塊的耦合性，本設計方案采用分布式設計架構，上位機軟件通過 ROS 分布式控制節點控制機械臂。上位機軟件節點采用話題發布與訂閱的方式與分布式節點控制模塊ur_treatment通信，實現對機械臂的控制。

4.4? 機械臂的運動規劃

在Gazeb仿真環境中，我們可以對機械臂模型實現路徑規劃和控制，可使用 API 中的MoveIt的 move_ group 函數控制 ROS 機器人的運動。對 move_ group 函數接口編程，如使用 C++或 Python 編寫 API 接口，實現點到點的簡單直線運動路徑規劃，運行界面如圖3 所示。授課過程中，學生只需修改MoveIt相關參數來對機器人的運動進行控制，則重培養學生接口調用和應用的能力，同時裝配有多種運動輔助插件，提高了程序的可擴展性，減輕了學生因過于拘泥于程序開發而忽視對系統整體的認識。

4.5? 系統測試

工程項目的實現效果需要開展測試工作來驗證。在機械臂仿真環境中，在上位機軟件的輸入欄中拖動滑塊或輸入坐標，即可控制機械臂的末端位置及關節角度。在加載機械臂模型后，通過控制機械臂末端的夾具的位置和開閉狀態，可以使機械臂成功夾取置于桌面上的棍條。此外，后續可以結合物聯網技術，應用樹莓派和 Arduino 等開源硬件來控制攝像頭等傳感設備，構建與視覺識別相關的實驗環境。

5? 效果與展望

5.1? ROS 實驗平臺的使用效果

ROS 實驗平臺包括上位機軟件、ROS 分布式控制節點程序、仿真機械臂。ROS 分布式控制節點程序是 ROS 實驗平臺的中樞系統，負責將上位機軟件控制指令以話題消息的形式發送給仿真機械臂模塊。而各硬件和軟件系統的構建成本都不高，還可以結合樹莓派和 Arduino 等開源硬件替換昂貴的硬件，以降低實訓成本、提高硬件兼容性和擴展性。除此之外，ROS 實驗平臺通過仿真實驗驗證，適合線上教學場景，方便學生在家中開展項目實訓。

基于職業院校的實際情況，ROS 程序設計實驗課程涉及的專業知識面較廣，主要培養學生掌握機器人操作系統的使用方法和簡單編程調試方法，為其今后從事機器人相關工作打下基礎，從而提升計算機思維能力、激發學習積極性。對于“學有余力”的學生還可以利用工作室的形式，開展創客項目實訓，培養學生創造性思維，促進實驗課程的良好有效運行，提高學生學習主動性和效率。ROS 實驗平臺把原本枯燥、割裂的專業群課程知識有機結合，為計算機專業提供了一個交集互聯的展示平臺。原來課程和改進課程對比情況如表1 所列。

5.2? 工業機器人專業群的展望

工業機器人的發展方興未艾，傳統專業建設已經無法順應行業的綜合性與交叉性發展潮流，專業群建設是產業升級的要求。隨著專業群內職業分工界限的拓寬、不同工種的打通，同一產業鏈中不同崗位的核心能力形成相互交織的核心素養體系。對于計算機專業而言，培養目標向“一專多能”轉變，學生必須具備多崗位適應能力。通過信息化手段改造實訓環境，將產業鏈技術全面滲透至課堂教學，讓實訓基地無限接近真實現場，使教學過程更“接地氣”，也使學生從產業鏈視角掌握課程內容，提高學生應用計算機技術服務工業機器人產業的能力。

參考文獻：

[1] 蘇鑫.基于 ROS 的無人帆船自主航行控制系統設計與實現[D].大連：大連海事大學，2020.

[2] 綦慧，周宇，張辰.基于 ROS 和 CAN 協議的機械臂實時通信機制的設計與實現[ J].工業控制計算機，2021，34（8）：42?44+47.

作者簡介：

侯敬熙（1989—） ，本科，講師，研究方向：軟件開發、網絡工程。