積木式教育機(jī)器人三維仿真平臺(tái)框架研究

高海濤,左 健,朱松青,吳在羅,徐 飛

(1.南京工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 江蘇 南京 211167)(2.臨沂第三實(shí)驗(yàn)小學(xué)， 山東 臨沂 276000)

積木式教育機(jī)器人三維仿真平臺(tái)框架研究

高海濤1,左 健2,朱松青1,吳在羅1,徐 飛1

(1.南京工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 江蘇 南京 211167)(2.臨沂第三實(shí)驗(yàn)小學(xué)， 山東 臨沂 276000)

針對(duì)目前教育機(jī)器人缺少仿真環(huán)境、訓(xùn)練過程不完善的缺點(diǎn)，提出了一種集機(jī)器人設(shè)計(jì)、控制程序編寫、動(dòng)態(tài)仿真為一體的機(jī)器人三維仿真平臺(tái)。分析了教育機(jī)器人三維仿真平臺(tái)的功能需求。利用面向?qū)ο蟮慕７椒ê徒M件化思想，建立了分層的機(jī)器人三維仿真平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)和以數(shù)據(jù)為中心的功能框架，并給出了仿真平臺(tái)的應(yīng)用流程。實(shí)際應(yīng)用表明,該仿真平臺(tái)具有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

教育機(jī)器人；三維仿真平臺(tái)； 框架結(jié)構(gòu)

積木式教育機(jī)器人是一類以積木式機(jī)械結(jié)構(gòu)件和電子結(jié)構(gòu)件為基本構(gòu)件，以簡(jiǎn)易、快速的拼裝作為主要裝配方法的模塊機(jī)器人。它融合了數(shù)學(xué)、物理、機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)軟件和硬件以及人工智能等眾多領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)知識(shí)，具有突出的學(xué)科綜合性和科學(xué)探究性特點(diǎn)。目前，常見的積木式教育機(jī)器人套件有：國(guó)外如樂高公司與麻省理工學(xué)院合作開發(fā)的樂高機(jī)器人[1]，德國(guó)的慧魚創(chuàng)意組合模型[2]等;國(guó)內(nèi)如東南大學(xué)研究的教育機(jī)器人[3]，上海積成公司的未來之星教育機(jī)器人以及廣州中鳴科技有限公司的中鳴系列機(jī)器人等。通過教育機(jī)器人的制作訓(xùn)練及相關(guān)配套軟硬件的使用，學(xué)生能夠從系統(tǒng)的角度出發(fā)，學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用機(jī)械、電子和信息等技術(shù)，并將之有機(jī)地組織與綜合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的最優(yōu)化，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)新技術(shù)的綜合運(yùn)用能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、設(shè)計(jì)能力及團(tuán)隊(duì)合作能力都具有重要意義[4-5]。

盡管積木式教育機(jī)器人具有廣泛的應(yīng)用范圍，然而由于目前積木式教育機(jī)器人主要還是生產(chǎn)廠家提供的機(jī)器人實(shí)體，這雖然能夠提高學(xué)生的動(dòng)手能力，但對(duì)培養(yǎng)學(xué)生更高層次的想象能力和創(chuàng)新能力尚存在差距，因此迫切需要更新機(jī)器人的配套軟件。為此，結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)和機(jī)器人仿真技術(shù)，本文提出一種集教育機(jī)器人設(shè)計(jì)、控制程序編寫、動(dòng)態(tài)物理仿真等功能為一體的三維可視化教育機(jī)器人仿真平臺(tái)。

1 機(jī)器人三維仿真平臺(tái)的功能分析

積木式機(jī)器人的基本組成如圖1所示。它一般分為軟件和硬件兩大部分，其中軟件部分主要為一個(gè)集成編程環(huán)境，用以進(jìn)行機(jī)器人控制程序的設(shè)計(jì)。硬件部分包括了模塊化、系列化的基礎(chǔ)構(gòu)件,傳動(dòng)部件,動(dòng)力部件,控制器,傳感器等模塊，用以設(shè)計(jì)機(jī)器人本體。虛擬積木式教育機(jī)器人是實(shí)體機(jī)器人在計(jì)算機(jī)中的映射，因而它需要仿真出實(shí)體教育機(jī)器人的各種特性以及與此相關(guān)的各種設(shè)計(jì)活動(dòng)。

圖1 積木式教育機(jī)器人

根據(jù)教育機(jī)器人系統(tǒng)的訓(xùn)練過程，確定機(jī)器人三維仿真平臺(tái)應(yīng)該具備以下功能[3]：

a.機(jī)器人設(shè)計(jì)功能。能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人設(shè)計(jì)和裝配過程仿真。設(shè)計(jì)者可以自由地選用零件進(jìn)行教育機(jī)器人機(jī)械本體和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

b.控制程序編寫功能。能夠?qū)崿F(xiàn)教育機(jī)器人控制程序的編寫、調(diào)試和下載，編寫好的控制程序不僅可以下載到真實(shí)教育機(jī)器人當(dāng)中去，還要能夠下載到虛擬教育機(jī)器人中去。

c.機(jī)器人動(dòng)態(tài)仿真功能。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)搭建好的教育機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。為了調(diào)試和驗(yàn)證搭建好的虛擬機(jī)器人，能夠提供一個(gè)擬實(shí)的作業(yè)場(chǎng)景，可以讓虛擬教育機(jī)器人能夠像在真實(shí)環(huán)境中那樣自由運(yùn)動(dòng)。

d.智能評(píng)價(jià)和引導(dǎo)功能。實(shí)現(xiàn)對(duì)教育機(jī)器人制作過程的引導(dǎo)和評(píng)價(jià)。

2 面向?qū)ο蟮姆抡嫫脚_(tái)體系結(jié)構(gòu)

為了讓機(jī)器人三維仿真平臺(tái)具有集成化、模塊化、可擴(kuò)展、可定制等特點(diǎn)，本文利用面向?qū)ο蟮慕７椒ㄒ约敖M件化技術(shù)[6]，建立了分層的教育機(jī)器人仿真平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)。其架構(gòu)圖如圖2所示。積木式教育機(jī)器人三維仿真平臺(tái)主要分為人機(jī)交互層、框架層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)管理層以及數(shù)據(jù)層等5層體系結(jié)構(gòu)，各層之間通過信息流和控制流相互關(guān)聯(lián)。整個(gè)系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以框架層為結(jié)構(gòu)核心，以機(jī)器人設(shè)計(jì)、控制程序編寫和機(jī)器人動(dòng)態(tài)物理仿真為應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)間的有效管理和協(xié)調(diào)工作。

圖2 分層的仿真平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

a.人機(jī)交互層。

人機(jī)交互層能夠提供多種交互方式來反映虛擬教育機(jī)器人的制作過程。如設(shè)計(jì)者可以通過統(tǒng)一的圖形化人機(jī)界面向仿真平臺(tái)施加命令，也可以通過仿真場(chǎng)景的三維顯示以及聲音等多通道信息來真實(shí)地感知數(shù)字化教育機(jī)器人的制作過程。將機(jī)器人仿真平臺(tái)的人機(jī)交互獨(dú)立出來作為一個(gè)邏輯層次，不僅可以降低人機(jī)交互方式與系統(tǒng)之間的耦合性，而且可以為新交互方式的快速運(yùn)用提供方便。

b.框架層。

框架層是教育機(jī)器人仿真平臺(tái)的中樞層。仿真教育機(jī)器人的制作過程需要多個(gè)功能平臺(tái)和應(yīng)用多種技術(shù)，如何集成這些功能平臺(tái)和技術(shù)是建立機(jī)器人三維仿真平臺(tái)的一個(gè)關(guān)鍵問題。而基于DCOM或CORBA的組件技術(shù)為仿真平臺(tái)的集成提供了一個(gè)很好的框架?？蚣軐油ㄟ^DCOM或CORBA機(jī)制實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)或者功能平臺(tái)之間的集成和互操作，并通過對(duì)象管理框架來管理各種應(yīng)用對(duì)象及其相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)器人整個(gè)制作過程的全面控制和集成。

c.應(yīng)用層。

應(yīng)用層是教育機(jī)器人仿真平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)層，也是仿真平臺(tái)的核心層。它包含了教育機(jī)器人整個(gè)制作階段所需的各種功能模塊，以完成教育機(jī)器人必要的制作仿真。應(yīng)用層中各種功能模塊的實(shí)現(xiàn)需要機(jī)器人建模、快速裝配仿真、圖形化編程、動(dòng)態(tài)仿真等多種關(guān)鍵技術(shù)的支撐。

d.數(shù)據(jù)管理層。

數(shù)據(jù)管理層為應(yīng)用層提供了多種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問接口以實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的訪問，數(shù)據(jù)管理包括了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)和一些數(shù)據(jù)文件的管理,也包括了對(duì)一些異構(gòu)數(shù)據(jù)的解析，以便讓數(shù)據(jù)能夠完全融入到集成仿真平臺(tái)中。

e.數(shù)據(jù)層。

數(shù)據(jù)層是整個(gè)系統(tǒng)的信息基礎(chǔ)，因而被放在最底層，這也體現(xiàn)出了以數(shù)據(jù)為中心的構(gòu)架模式。數(shù)據(jù)層存放了一些與虛擬教育機(jī)器人制作過程相關(guān)的動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)，這包括零件庫(kù)、機(jī)器人模型數(shù)據(jù)、機(jī)器人設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、控制程序以及動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)等。

3 以數(shù)據(jù)為中心的功能框架

積木式教育機(jī)器人的整個(gè)訓(xùn)練過程要經(jīng)歷構(gòu)思、設(shè)計(jì)、程序編寫、運(yùn)行驗(yàn)證等不同的階段，在每一個(gè)階段中，由于系統(tǒng)對(duì)模型的抽象層次和關(guān)注角度不同，使得機(jī)器人制作過程中各種數(shù)據(jù)模型相互獨(dú)立，形成了一定的信息壁壘。為了保證數(shù)據(jù)和信息能夠在教育機(jī)器人仿真平臺(tái)各功能模塊間順暢流動(dòng)，本文建立了以數(shù)據(jù)為中心的功能框架。這種構(gòu)架方式以模型數(shù)據(jù)為中心，讓各模塊間僅通過數(shù)據(jù)進(jìn)行交流，保證了各功能模塊之間的松散耦合。

建立的機(jī)器人仿真平臺(tái)的功能框架如圖3所示。它主要包括機(jī)器人設(shè)計(jì)場(chǎng)景、集成編程環(huán)境及機(jī)器人動(dòng)態(tài)仿真場(chǎng)景等3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能場(chǎng)景。這3個(gè)場(chǎng)景中的輸入輸出數(shù)據(jù)交由統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理器進(jìn)行管理和解析，實(shí)現(xiàn)教育機(jī)器人整個(gè)制作過程中的信息順暢流動(dòng)。其中，教育機(jī)器人設(shè)計(jì)場(chǎng)景采用了一種“過程式”的機(jī)器人裝配建模方法，設(shè)計(jì)者可以從零件庫(kù)中選擇合適的零件來設(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)械本體和控制系統(tǒng)。集成編程環(huán)境建立了多種編程界面，如簡(jiǎn)單的圖形化編程以及復(fù)雜的C語言編程等，以面向不同層次的用戶。設(shè)計(jì)者可以利用不同的編程語言對(duì)教育機(jī)器人控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，并將調(diào)試好的程序下載到虛擬機(jī)器人或?qū)嶓w機(jī)器人。機(jī)器人仿真場(chǎng)景主要模擬了真實(shí)的物理環(huán)境，設(shè)計(jì)者可以在其中建立仿真作業(yè)場(chǎng)景來驗(yàn)證機(jī)器人的功能。場(chǎng)景中的機(jī)器人可以像在真實(shí)物理環(huán)境中那樣運(yùn)動(dòng)和相互作用，給設(shè)計(jì)者一個(gè)逼真的視覺效果。

圖3 機(jī)器人仿真平臺(tái)的功能框架

4 三維仿真平臺(tái)的應(yīng)用流程

根據(jù)積木式教育機(jī)器人的創(chuàng)新制作過程[7-8]以及三維仿真平臺(tái)的功能模塊，一個(gè)虛擬模塊機(jī)器人的設(shè)計(jì)流程如圖4所示，其主要包括以下步驟。

Step1,提出一種機(jī)器人創(chuàng)意或者某種工程訓(xùn)練實(shí)例；在制定了機(jī)器人制作計(jì)劃后，設(shè)計(jì)者就可以利用機(jī)器人集成仿真平臺(tái)進(jìn)行機(jī)器人的預(yù)設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)。

圖4 積木式教育機(jī)器人設(shè)計(jì)流程

Step2,進(jìn)入機(jī)器人設(shè)計(jì)場(chǎng)景進(jìn)行教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)和裝配。在設(shè)計(jì)場(chǎng)景中，設(shè)計(jì)者可以在零件庫(kù)中自由選擇所需的機(jī)械結(jié)構(gòu)件或電子結(jié)構(gòu)件，并將零件“拖入”裝配工作區(qū)域，根據(jù)需要對(duì)零件進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、定位、刪除等裝配動(dòng)作，完成教育機(jī)器人機(jī)械本體和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

Step3,在設(shè)計(jì)和分析結(jié)果都滿足要求時(shí)，進(jìn)入教育機(jī)器人集成編程環(huán)境對(duì)教育機(jī)器人控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者可以在集成環(huán)境中選擇多種編程語言對(duì)控制程序進(jìn)行編寫和調(diào)試，直至獲得滿意的控制程序。

Step4,進(jìn)入動(dòng)態(tài)物理仿真場(chǎng)景。設(shè)計(jì)者可以為機(jī)器人選擇或建立合適的作業(yè)仿真場(chǎng)景，將控制程序下載到虛擬控制器中驅(qū)動(dòng)教育機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)仿真，以驗(yàn)證教育機(jī)器人的功能。在發(fā)現(xiàn)問題后可以返回到設(shè)計(jì)場(chǎng)景或者編程環(huán)境進(jìn)行修改。

Step5,當(dāng)仿真達(dá)到滿意的效果后，設(shè)計(jì)者可以輸出相關(guān)的文件以指導(dǎo)實(shí)體機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作。這些文件包括零件列表文件，控制程序文件，仿真視頻、教育機(jī)器人模型文件等。教育機(jī)器人三維仿真平臺(tái)具體的應(yīng)用實(shí)例如圖5所示。

圖5 機(jī)器人仿真平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

5 結(jié)束語

隨著社會(huì)的發(fā)展以及對(duì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要，積木式教育機(jī)器人作為一種嶄新的教育手段和教學(xué)載體必將引起人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。本文結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)及機(jī)器人仿真技術(shù)，提出集機(jī)器人搭建、控制程序設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)仿真等功能為一體的機(jī)器人三維仿真平臺(tái),綜合運(yùn)用了3D圖形圖像技術(shù)、虛擬裝配、多媒體、機(jī)器人、智能控制等技術(shù)，融入了現(xiàn)代教學(xué)認(rèn)知理念，實(shí)現(xiàn)了實(shí)體機(jī)器人整個(gè)制作過程的仿真，將該仿真平臺(tái)獨(dú)立或者與實(shí)體教育機(jī)器人配合使用，不僅可以彌補(bǔ)現(xiàn)有教育機(jī)器人配套軟件的不足，而且為學(xué)生創(chuàng)新教育提供了一個(gè)新的認(rèn)知環(huán)境和訓(xùn)練平臺(tái)。

[1] LEGO GROUP．LEGO Robot Product [EB/OL]．[2014-03-30]．http: //www.lego.com/en-us/．

[2] FISCHER GROUP．Fischertechnik model [EB/OL]．[2014-03-30]．http:// www. fischertewchnik. de/en/ home. Aspx．

[3] 高海濤．教育機(jī)器人三維仿真平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：東南大學(xué)機(jī)械學(xué)院，2010．

[4] 張劍平，王益. 機(jī)器人教育：現(xiàn)狀、問題與推進(jìn)策略[J]. 中國(guó)電化教育，2006(12)：5-68.

[5] 李春華，崔世鋼，鄭桐，等. 發(fā)展機(jī)器人教育培養(yǎng)綜合型創(chuàng)新人才的研究與實(shí)踐[J]. 天津工程師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(4): 61-63.

[6] 李代平．面向?qū)ο蠓治雠c設(shè)計(jì)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[7] 劉全良．基于LEGO的工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

[8] 顧建軍. 簡(jiǎn)易機(jī)器人制作[M].南京：江蘇教育出版社,2005.

A3Dmodularsimulationplatformofeducationalrobotsanditsapplication

GAO Haitao1,ZUO Jian2,ZHU Songqing1,WU Zailuo1,XU Fei1

(1.Nanjing Institute of technology, Jiangsu Nanjing, 211167, China)(2.Linyi Third Experimental Elementary School, Shandong Linyi, 276000, China)

Aiming at lack of corresponding simulation software in modular educational robots and incomplete training process, it introduces the 3D simulation platform of educational robots and educational robot design, presents the control programming and dynamic simulation. It analyzes the functional requirement for the simulation platform of educational robots uses the object-oriented modeling method and modular thought to establish platform architecture based on hierarchy and function structure. It shows application process of 3D simulation platform in robot education, illustrates that the 3D simulation platform has a good application prospect and popularization value in application.

educational robot; 3D simulation platform; platform architecture

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.10.017

2014-09-01

江蘇省六大人才高峰重點(diǎn)項(xiàng)目(2012-ZBZZ-049);江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(201311276009Z, 201411276010Z )

高海濤(1979—)，男，山東臨沂人，南京工程學(xué)院講師，博士，主要研究方向?yàn)榉?wù)機(jī)器人。

TP391.9

A

2095-509X(2014)10-0074-04