虛實結合的工業(yè)機器人實訓教學平臺和方法*

高 攀，鄒 胤，湯 超，劉揚開，王曉軍

（廣東技術師范大學工業(yè)中心，廣州 510665）

0 引言

制造業(yè)是國民經濟的支柱產業(yè)，進入21 世紀，世界范圍內掀起了新一輪的科技革命和產業(yè)革命，以互聯(lián)網、新能源、新材料、生物科學，機器人技術[1-3]為代表的技術得到了蓬勃發(fā)展，深深地改變著世界競爭格局和歷史進程。同時對傳統(tǒng)教育教學模式也產生較大的沖擊，尤其是機械、車輛、自動化等工科學生，在當前互聯(lián)網的超強滲透下，大量自動化、智能化、網聯(lián)化的新技術在改造升級甚至顛覆傳統(tǒng)的制造產業(yè)，產業(yè)變革的一個明顯特征便是學科之間的界限越來越模糊，不同學科之間不斷融合交叉，這些變化對于傳統(tǒng)學科、舊體系教學方法都提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，新工科建設便是應對這一挑戰(zhàn)做出的正面回應，教育部高等教育司發(fā)布《關于開展新工科研究與實踐的通知》[4]，新工科提倡學科的交叉性、綜合性，著力培養(yǎng)新興工程科技創(chuàng)新和產業(yè)創(chuàng)新人才，服務產業(yè)轉型升級。

工程訓練作為工科學生最為重要的實踐教學平臺，肩負著培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新意識的重任，是理論知識與工程實踐、工業(yè)制造之間的橋梁。傳統(tǒng)的工程訓練包括車、銑、刨、磨、鉗、鑄造、鍛造等，近年為響應國家號召和適應產業(yè)變革，數控、加工中心、機器人、3D 打印等一系列新設備不斷投入教學研究中，教學學時也逐年增加，但受制于設備情況和教師現(xiàn)狀，仍存在著較多的問題，不能滿足學生的學習需求和教學要求。以工業(yè)機器人為例，從20 世紀中期，隨著計算機，自動控制原理技術的成熟，應用于數控機床的控制系統(tǒng)，伺服電機、減速器得到快速的發(fā)展，為工業(yè)機器人的發(fā)展奠定了堅實的基礎[5]，但目前工業(yè)機器人設備昂貴，建設初期數量較少，留白時間較長，不能滿足學生上課操作需求，機器人操作復雜，初期上手較難，講解浮于表面不能深入，學習效果有限等問題，嚴重制約著機器人實踐教學效果，亟需優(yōu)化實踐教學平臺流程，豐富和優(yōu)化教學方法，提高教學質量和效率[6]。

本文從政策要求和教學實際出發(fā)，提出建立了一種虛實結合的工業(yè)機器人實訓教學平臺和方法，包括機器人實體操作平臺和和虛擬仿真平臺。其中實體操作平臺主要采用業(yè)內知名廠商機器人產品搭建，有串聯(lián)六自由度機器人、并聯(lián)機器人、雙臂機器人，虛擬仿真平臺包括基于Matlab的機器人運動學和動力學虛擬仿真和基于RobotStudio的機器人編程和動畫仿真，實現(xiàn)了兩種平臺之間的優(yōu)勢互補，極大提高了學生的參與度和積極性，加深學生對于理論知識的理解和掌握，實現(xiàn)實踐教學目標。

1 工業(yè)機器人實體平臺搭建

1.1 實體平臺要求

實訓最重要的特點是實踐性，讓學生有更長的時間去操作設備，熟練掌握設備的基本結構組成、工作原理和操作技巧，與理論知識相互印證，寄希望將來在此基礎上能進一步創(chuàng)新創(chuàng)造，但受制于實訓設備數量不足，功能單一，實訓項目簡單，理論知識枯燥，計算繁瑣等客觀條件，學生實訓效果和教學效果都未完全達到預期，因此新開發(fā)的工業(yè)機器人實訓教學平臺有以下幾個方面的要求：（1）盡可能增加機器人數量，減少學生操作留白，提高學習效率；（2）豐富機器人品種，雖然各個品牌機器人結構形式和組成越來越趨于一致，但控制邏輯操作方法仍有差異，對比掌握；（3）增加單臺機器人的功能模塊，盡可能在一臺機器人本體結構周邊提供盡可能多的功能模塊，循序漸進提升操作所需技能。

1.2 實體平臺搭建

基于以上要求，中心搭建的工業(yè)機器人實訓工作平臺如圖1 所示，整體可分為桌面型工業(yè)機器人和落地式工業(yè)機器人，其中桌面型工業(yè)機器人體型較小，布置靈活，開放式布局，非常適于教學；落地式工業(yè)機器人尺寸較大，其工作范圍和負載能力更強，更加貼合產線實際生產，各個機器人實訓工作基本組成大體一致，都包括機器人系統(tǒng)本體模塊、功能實訓模塊、觸控顯示編程系統(tǒng)等，其中機器人系統(tǒng)本體和控制器是整個實訓工作站的核心，采用市場成熟產品，根據自身教學和科研需求設計功能實訓模塊，具體介紹如下。

1.2.1 桌面型工業(yè)機器人

（1）雙臂機器人實訓工作站（ABB），如圖1 標號1 所示，機器人本體采用ABB 機器人IRB 14000 型，有效負載0.5 kg；臂展0.5 m，配2 個伺服夾爪、1 個視覺、1 個真空，配備有清潔器裝配實訓模塊和物塊視覺分揀實訓模塊。

（2）六軸工業(yè)機器人多功能實訓工作站（ABB），機器人本體采用ABB 機器人IRB 120 型，采用IRC5C 緊湊型控制器，如圖1標號2所示，有效負載為3 kg，臂展0.58 m，配1個真空，1個循跡指針，配備有描圖、打磨拋光、裝配、涂膠、碼垛、自動送料、拾取物料、物料搬運等實訓模塊，詳細如圖2所示。

圖1 工業(yè)機器人實訓工作平臺

圖2 桌面型工業(yè)機器人多功能實訓工作站（ABB-IRB120）

（3）六軸多功能實訓工作站（庫卡），如圖1 標號3 所示，機器人本體采用庫卡KR3R540型機器人，負載3 kg，動態(tài)范圍0.541 m，具有結構緊湊、電線內置、干擾輪廓小等特征，配備有描圖和碼垛實訓模塊。

（4）六軸多功能實訓工作站（安川），如圖1 標號4 所示，機器人本體采用安川MOTOMAN-GP7 型機器人，負載7 kg，動態(tài)范圍0.927 m，廣泛應用于搬運、取件/包裝、碼垛、組裝/分裝等場合，配備有描圖和碼垛實訓模塊。

（5）六軸工業(yè)機器人多功能實訓工作站（Fanuc），如圖1標號5 所示，機器人本體采用Fanuc LRMate200iD-4s 型機器人，負載4 kg，動態(tài)范圍0.55 m，配1 個真空，1 個循跡指針，配備有描圖、打磨拋光、裝配、涂膠、碼垛、自動送料、拾取物料、物料搬運等實訓模塊。

（6）并聯(lián)型機器人多功能實訓工作站（Fanuc），如圖1 標號6 所示，機器人本體采用Fanuc/M/1iA/0.5SL 并聯(lián)型蜘蛛手機器人，負載0.5 kg，動態(tài)范圍0.42 m，動作敏捷，結構緊湊，廣泛應用于電子行業(yè)，配備了物料分揀、視覺碼垛、軌跡描繪、涂膠等實訓模塊。

1.2.2 落地型工業(yè)機器人

（1）六軸工業(yè)機器人多功能實訓工作站（Fanuc），如圖1標號7所示，機器人本體采用FanucM-20iD/25六軸機器人，負載25 kg，動態(tài)范圍1.83 m，結構緊湊，剛度大，響應快速，配雙吸盤夾具、吸盤夾手夾具、1 個真空，配備有視覺碼垛、搬運、監(jiān)測分揀以及裝配等實訓模塊。

（2）移動上下料工業(yè)機器人實訓工作站（Fanuc），如圖1標號8所示，機器人本體采用FanucM-20iD/25六軸機器人，采用R-30iB Mate Plus 控制器，機器人安裝在一個高精度直線導軌系統(tǒng)上，大大增加機器人的活動范圍，配有多工位鉆孔加工平臺，機器視覺檢測平臺，智能立體倉庫等，配備有機器視覺碼垛、移動上下料、多孔位鉆孔加工等實訓模塊。

整個工業(yè)機器人實訓平臺整體是開放式布局，囊括了ABB，發(fā)那科，KUKA，安川等市場主流品牌機器人品牌和系統(tǒng)，包含雙臂型、并聯(lián)型、串聯(lián)型等各種機器人結構形式，具備描圖、打磨拋光、裝配、涂膠、碼垛、自動送料、拾取物料、物料搬運等實訓模塊，可以充分滿足學生實訓、競賽科創(chuàng)、教工科研等各種需求。

2 工業(yè)機器人虛擬仿真平臺搭建

2.1 基于Matlab的工業(yè)機器人虛擬仿真平臺搭建

機器人實訓離不開實踐練習，但是如要理解機器人關節(jié)運動、電機選型、速度控制等理論知識，虛擬仿真技術具有較大的優(yōu)勢，在機器人學的理論教學中，通常都偏重于理論知識，尤其是矩陣和控制原理的介紹，繁瑣抽象的公式和計算降低了學生的學習熱情，以Matlab為基礎的軟件教學作為理論教學的補充，尤其是基于Matlab 的機器人工具箱[7]，不僅可以方便依據機器人結構參數快速進行本體建模，完成運動學和動力學仿真，還可以研究多項式路徑規(guī)劃、拋物線路徑規(guī)劃、多段分割路勁規(guī)劃及各種先進算法等，基于Matlab機器人工具箱的教學思路流程如圖3所示。

圖3 基于機器人工具箱的教學思路

基于Matlab/Simulink 的機器人工具箱建模最為常用的方法是DH 參數法或者MDH 參數法進行，圖4 所示為MDH 坐標參數建模規(guī)范，只需要確定桿件長度a、桿件扭角α、關節(jié)轉角θ、關節(jié)距離d四個參數便可以建立機器人本體模型，從參數來看，MDH 參數中各個參數的物理意義與標準DH 參數是一樣的，從功能來看，對于大多數串聯(lián)型機器人而言，其表現(xiàn)能力都是一樣的，不同的地方是MDH法能夠克服DH不能應用于平行軸和閉環(huán)機構的缺點[8]；從教學內容來看，兩者之間并沒有本質的區(qū)別，不會大幅增加課時量，因此在教學中將分別講解DH參數法和MDH參數法，并對比其建模異同之處。

圖4 MDH坐標參數建模規(guī)范

選定建模方法后，根據機器人本體結構參數進行相應坐標系的建立，這部分是進行模型建立的基礎，技巧性強，需要較多講解和練習，圖5 所示為IRB120 機器人工作站尺寸參數圖，其中包含根據MDH 要求建立的坐標系，依據坐標系便可以方便寫出MDH 參數表，如表1 所示，針對MDH 參數表，各個坐標的位姿矩陣連乘得到最后一個驅動關節(jié)上的坐標系到機器人基坐標系的齊次變換矩陣，如果要得到末端工具坐標還需要增加一個平移變換，這也是MDH參數比DH參數表多一行，即多了一個平移變換矩陣，值得注意的是，不管是DH或者MDH參數表并不是唯一的，與坐標系的選取和坐標軸的方向有關，但是無論何種方法，計算得到的末端空間坐標應該是一致的。

圖5 IRB120尺寸參數和坐標系建立

表1 IRB120型號機器人MDH參數表

依據所得到的DH 或MDH 參數表，基于Matlab robotics toolbox建立IRB120機器人構型圖，如圖6所示，采用示教顯示機器人，可方便調整6 個關節(jié)角度，能夠讓初學者更好地了解六軸機器人的結構，另外通過6 個關節(jié)角度的調整使得所建立的模型零位姿態(tài)和實體模型相對應，進而進行虛擬模型與實體模型互相驗證。

圖6 基于MDH法的IRB120機器人構型

模型搭建完成后，采用任務驅動式的教學方法，目前已經開發(fā)的教學任務有3個。

（1）機器人運動學正解，即給定各個關節(jié)的運動參數，求取末端執(zhí)行器相對參考系（一般為大地基坐標）的位姿；如圖7 所示為IRB120 型機器人運動學正解示意圖，給定6 個關節(jié)的轉動角度，可方便求得到末端執(zhí)行器的位姿。

圖7 IRB120機器人運動學正解示意圖

（2）機器人運動學逆解，即給定滿足工作要求的末端執(zhí)行器相對參考坐標的位姿，求取關節(jié)的運動參數，運動學逆解求取一般會得到多組滿足條件的解，其中會有一組解是最優(yōu)的，因此在求取過程中需要對滿足條件的解進行篩選。IRB120 型機器人其運動軸線滿足Pieper 準則[9]，因此具有封閉解，可方便通過fkine函數進行求解，大幅度降低計算量。

（3）機器人路徑規(guī)劃[10]，即給定一定的物理約束條件，機器人完成設定任務和動作所設計的運動序列安排，通俗解釋就是機器人找到一條起始點到目標點的合適路徑，目前進行軌跡規(guī)劃的方案主要有兩種，基于關節(jié)空間方案和基于直角坐標方案，出于兩種方案在實踐中的應用情況，在教學中以講解關節(jié)空間求解為主，如圖8 所示為基于多項式優(yōu)化的末端執(zhí)行器從起始位置（429,0,550）到目標位置（-400,100,400）的路徑規(guī)劃，運動路徑和關節(jié)速度較為平滑。

圖8 IRB120機器人路徑規(guī)劃示意圖

2.2 基于RobotStudio的工業(yè)機器人虛擬仿真平臺搭建

RobotStudio[11-12]是全球廣泛使用的機器人離線編程軟件，由瑞士ABB 公司開發(fā)，其最大的優(yōu)勢是可以快速建立與現(xiàn)實生產場景高度吻合的虛擬場景，并能在不停產停機情況下進行離線仿真，因此非常便于在不影響生產的情況下執(zhí)行培訓、編程和優(yōu)化等任務，可有效降低風險、快速調試，提高機器人使用效率，廣泛應用于增強現(xiàn)實，數字孿生以及虛擬調試的場合。RobotStudio 可以兼容主流3D 建模軟件模型，方便調用模型庫中ABB 機器人模型和建立控制器，可以像使用實際示教器對機器人進行操作和編程，離散驗證程序的正確性，程序無需任何的轉換便可以下載到實際機器人中進行使用，正是由于RobotStudio 的易用性和強大功能，得到了許多高校教學的青睞[13-14]，基于此在機器人編程和動畫仿真教學方面采用RobotStudio作為主要的教學軟件。

基于RobotStudio建立一個可以離線編程的機器人虛擬平臺一般需要3 個步驟[13]，工作站模型搭建，Smart 組件設計和I/O連接及工作站邏輯設計3 個階段，RobotStudio 重在仿真和智能環(huán)境的搭建，造型功能薄弱，一般是從主流CAD 軟件導入建好的模型，支持STP 和SAL 格式[15]，調整位置形成仿真平臺框架；接下來添加Smart 組件，賦予模型動作和邏輯屬性連接，模擬真實機器人的動作過程，最后在控制器設計中將Smart 組件和機器人的輸入輸出接口通過I/O 端口相互關聯(lián)，模擬數據通信，便可以進行RAPID 離線編程，如圖9（a）所示為ABB/IRB120 桌面型機器人虛擬仿真平臺，如圖9（b）所示為Fanuc/M-20iD/25 落地式機器人虛擬仿真平臺，限于篇幅，其他機器人虛擬工作站沒有展示，多平臺、多功能的虛擬仿真平臺可以充分滿足教學和科研需求。

圖9 基于Robotstudio的機器人虛擬仿真平臺

3 實體平臺與虛擬仿真平臺融合和應用

實踐出真知，也是創(chuàng)新的基礎，無論是機器人實體平臺還是虛擬仿真平臺都需要學生動手操作，加深理論知識理解和掌握操作技能，基于本校專業(yè)人才培養(yǎng)目標、企業(yè)用工需求、及理論和實踐課程之間聯(lián)系的原則，機器人教學平臺和教學方法采用虛實結合、循序漸進、從面到點、任務驅動的實訓教學模式，構建以實訓操作過程與結果相結合的評價體系，具體操作過程如表2 所示。第一階段，通過PPT 講解使學生了解工業(yè)整體結構和各個部分組成，然后通過實體平臺講解和演示學習應用操作，如手動自動操作模式，空間笛卡爾坐標關節(jié)坐標的差異，形成一個整體的感性認識；第二階段，需掌握基于Matlab的機器人建模技術，進行正逆運動學求解和初步路徑規(guī)劃，掌握基于RobotStudio機器人仿真環(huán)境搭建，具備機器人運動學和動力學分析能力，機器人離線編程能力；第三階段為探索性質的教學，可研究在約束條件下的效果更好的路徑規(guī)劃算法，如蟻群算法等，其次可以更加深入地研究機器人某一個方面的問題，以及機器人應用領域的拓展等，為研究生和教師提供良好的科研平臺。

表2 實體平臺與虛擬平臺融合和應用

總的來看，采用自上而下的學習方法，從機器人的整體介紹和操作入手，可以有效地激發(fā)學生的積極性和主動性，然后結合Matlab虛擬仿真平臺，可以快速建立機器人運動學和動力學模型，避免了繁瑣的計算，快速驗證設計思想，并且運動學結果位移、速度、加速度可以映射為關節(jié)的扭矩和關節(jié)力，為關節(jié)電機選型、機械臂設計提供邊界，為將來設計機器人硬件打下基礎，結合RobotStudio虛擬仿真平臺，可以清楚了解機器人的控制邏輯和通信，低成本的驗證編程程序，為設計機器人軟件、控制系統(tǒng)的設計也打下一個很好的基礎，虛實結合的機器人平臺和教學方法克服了傳統(tǒng)教學過程中場地、時間、空間和安全的限制，可有效提升了教學效率和質量。

4 結束語

機器人不僅是國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)之一，同時也是工科學生學習和研究的極佳載體之一，涉及機械、傳感器、控制、計算機、軟件編程等各個專業(yè)領域，傳統(tǒng)單一的教學法根本不能滿足實際機器人相關專業(yè)的培養(yǎng)要求，亟需搭建新的實踐平臺和開發(fā)研究新的教學方法，基于此目標，本文以機器人實訓為切入口，基于機器人實訓設備數量少、教學效果差等問題，提出了一種虛實結合的工業(yè)機器人實訓教學平臺和方法，包括機器人實體操作平臺和虛擬仿真平臺，機器人實體工作平臺設計多品牌、多種類機器人，包括描圖、打磨拋光、裝配、涂膠、碼垛、自動送料、拾取、物料搬運等實訓項目，虛擬工作平臺包括基于Matlab 的機器人運動學和動力學虛擬仿真，基于RobotStudio 的機器人離散編程和動畫仿真，新平臺新技術引進新的教學方法，實現(xiàn)了各個平臺優(yōu)勢互補，充分提高理論在實踐中的應用，同時也彌合了傳統(tǒng)實踐教學與理論教學的脫節(jié)，每個學期累計服務師生1 000 人次，不僅大大提升教學效率和質量，同時也提升相關教師的科研專業(yè)素養(yǎng)，可為相關院校工程訓練尤其是機器人教學提供參考。

未來將在此平臺基礎上繼續(xù)進行開發(fā)，以實際問題為導向，繼續(xù)深挖實體平臺潛力和虛擬平臺技巧，以及平臺的擴展，如機器人視覺、激光追蹤儀等裝備，以及設計過程中機械臂的有限元仿真、散熱分析、控制邏輯仿真等，持續(xù)豐富完善新平臺進一步為更多師生服務。