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    基于虛擬仿真技術(shù)的機(jī)器人課程教學(xué)研究

    2019-09-10 07:22:44李憲華石雪松盛蕊于清波張軍
    關(guān)鍵詞:機(jī)器人學(xué)虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐

    李憲華 石雪松 盛蕊 于清波 張軍

    摘要:針對(duì)機(jī)器人課程教學(xué)中理論與實(shí)踐脫節(jié)的問(wèn)題,采用基于三維建模軟件和工程數(shù)學(xué)軟件建立虛擬仿真平臺(tái)的方法,架起理論知識(shí)與機(jī)器人實(shí)體的橋梁,幫助學(xué)生能夠快速地進(jìn)入機(jī)器人課程的學(xué)習(xí).首先介紹了機(jī)器人本門(mén)課程的相關(guān)特點(diǎn)與國(guó)內(nèi)外關(guān)于機(jī)器人教學(xué)的現(xiàn)狀,然后分析了目前在機(jī)器人教學(xué)中存在的一些問(wèn)題,最后以典型的工業(yè)機(jī)器人為例,說(shuō)明了采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建機(jī)器人本體的方法.希望該方法能夠更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人課程的興趣,調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,提高教師傳授機(jī)器人知識(shí)的效率.

    關(guān)鍵詞:機(jī)器人學(xué);虛擬仿真;教學(xué)實(shí)踐

    中圖分類號(hào):G642? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? 文章編號(hào):1673-260X(2019)01-0151-04

    機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置,廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、教育等,是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì),它的高速發(fā)展提高了社會(huì)生產(chǎn)水平和人類生活質(zhì)量[1].對(duì)于機(jī)器人課程的建設(shè),國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)建立了大量的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和實(shí)驗(yàn)室,相關(guān)高校陸續(xù)開(kāi)設(shè)了機(jī)器人學(xué)或機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用等相關(guān)課程.但是,機(jī)器人教育目前還處于綜合實(shí)踐活動(dòng)的層面,遇到了諸多制約,各種不成熟的表現(xiàn)越發(fā)明顯.實(shí)踐教學(xué)在機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)中占有極其重要的位置,但是機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)非常昂貴的機(jī)器人課程教學(xué)方式,導(dǎo)致學(xué)生缺乏接觸實(shí)際試驗(yàn)的機(jī)會(huì),理論知識(shí)不能與工程實(shí)踐有效結(jié)合.基于虛擬仿真技術(shù)建立機(jī)器人可視化仿真平臺(tái)可以為學(xué)生提供交互式實(shí)時(shí)仿真基礎(chǔ),以最低的成本幫助學(xué)生完成涉及機(jī)器人的課程和項(xiàng)目.同時(shí),該平臺(tái)能夠更好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力,調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.

    本文借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)械工程類本科生機(jī)器人課程體系建設(shè),結(jié)合我國(guó)機(jī)械工程專業(yè)建設(shè)方向的具體實(shí)踐,優(yōu)化并完善機(jī)器人課程教學(xué)以適應(yīng)學(xué)校機(jī)械工程專業(yè)辦學(xué)方向.文中以典型工業(yè)機(jī)器人為例,結(jié)合三維繪圖軟件,并運(yùn)用Matlab語(yǔ)言編制運(yùn)算程序,建立機(jī)器人可視化運(yùn)行仿真平臺(tái),可以實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效果,以滿足機(jī)器人課堂教學(xué)的需要.采用機(jī)器人理論知識(shí)與仿真再現(xiàn)本體運(yùn)動(dòng)的方法,使學(xué)生更能夠理解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí),為學(xué)校機(jī)械工程類本科生培養(yǎng)質(zhì)量的提高打下良好基礎(chǔ).

    1 機(jī)器人學(xué)課程特點(diǎn)

    對(duì)于本科生而言,機(jī)器人課程是一門(mén)理論性非常強(qiáng)的課程.如果在課堂教學(xué)當(dāng)中不傳授機(jī)器人理論知識(shí),而以講授機(jī)器人應(yīng)用為主,則必然導(dǎo)致學(xué)生失去獲得機(jī)器人精華與本質(zhì)知識(shí)的機(jī)會(huì).因此,在機(jī)器人教學(xué)當(dāng)中,不僅要重視機(jī)器人的應(yīng)用,更應(yīng)該重視機(jī)器人理論知識(shí)的傳授.所以,傳授機(jī)器人知識(shí)的過(guò)程中,不但要培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)以致用的能力,更要培養(yǎng)學(xué)生從事物的本質(zhì)出發(fā),去分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力.學(xué)習(xí)機(jī)器人這門(mén)課程之前,必須要進(jìn)行機(jī)械原理與設(shè)計(jì)、力學(xué)、數(shù)值分析、電工電子、自動(dòng)控制理論及傳感技術(shù)等相關(guān)課程的學(xué)習(xí),對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)要求較高,特別是課程學(xué)習(xí)中復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo),要求學(xué)生具有較深的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ).對(duì)于機(jī)器人的高超本領(lǐng)和高科技含量,學(xué)生是極有興趣的,然而,要理解機(jī)器人根本原理,面對(duì)復(fù)雜而冗長(zhǎng)的數(shù)學(xué)公式,無(wú)疑又是枯燥和乏味的.

    2 教學(xué)情況

    由于機(jī)器人應(yīng)用的優(yōu)越性,在社會(huì)生活生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.機(jī)器人課程承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)能力與提高其綜合素質(zhì)的任務(wù),目前國(guó)內(nèi)外工科高校相繼建立了機(jī)器人學(xué)或機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用課程.部分高校則開(kāi)展了機(jī)器人相關(guān)的實(shí)踐活動(dòng)和競(jìng)賽,搭建以機(jī)器人為對(duì)象的教學(xué)平臺(tái)建設(shè),充分發(fā)揮機(jī)器人教育的優(yōu)勢(shì).

    2.1 國(guó)外教學(xué)現(xiàn)狀

    美國(guó)的機(jī)器人教學(xué)以團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目為主,主要為了提高學(xué)生的項(xiàng)目管理、協(xié)作和交流能力.俄勒岡州立大學(xué)將TekBots機(jī)器人作為學(xué)習(xí)平臺(tái),在電工電子基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、信號(hào)與系統(tǒng)、機(jī)械原理等課程中應(yīng)用TekBots平臺(tái)實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)的仿真.學(xué)生可使用TekBots平臺(tái)調(diào)試程序,觀察程序在設(shè)備中運(yùn)行的過(guò)程.日本的大學(xué)有高水平的教學(xué)機(jī)器人,主要參與機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作大賽,培養(yǎng)較多機(jī)器人技術(shù)研究應(yīng)用型人才,日本的機(jī)器人教育水平較高,機(jī)器人技術(shù)位于世界前列.與此同時(shí),韓國(guó)增加機(jī)器人教學(xué)方面研究的投入,在機(jī)器人的教育方面取得了長(zhǎng)足的發(fā)展.在新加坡國(guó)立教育學(xué)院舉辦的亞太地區(qū)ROBOLAB國(guó)際教育會(huì)議,采用多種方式討論其對(duì)科技的影響及其機(jī)器人教育方面應(yīng)用的交流,提高高校開(kāi)展機(jī)器人教育平臺(tái)的能力及教師開(kāi)展機(jī)器人科研的水平能力.

    2.2 國(guó)內(nèi)教學(xué)現(xiàn)狀

    在我國(guó),清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、上海大學(xué)、東北大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等學(xué)校陸續(xù)建立了機(jī)器人課程的教學(xué),主要以授課為主,學(xué)校的機(jī)器人教學(xué)和各種相關(guān)活動(dòng)相對(duì)獨(dú)立.北京郵電大學(xué)為本科生開(kāi)設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程和機(jī)器人系統(tǒng)綜合性試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)課[2];國(guó)防科技大學(xué)開(kāi)設(shè)了機(jī)器人控制課程,為機(jī)械工程、自動(dòng)化與仿真專業(yè)本科生設(shè)立了軍用機(jī)器人技術(shù)這門(mén)課程,針對(duì)專業(yè)的特點(diǎn)加設(shè)了機(jī)器人設(shè)計(jì)研討課,并組織學(xué)生參加相關(guān)機(jī)器人競(jìng)賽[3].東北大學(xué)趙姝穎提出用DIY思想推動(dòng)機(jī)器人教育的研發(fā)和應(yīng)用,將機(jī)器人教育內(nèi)容化整為零[4].佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院提出校企合作、項(xiàng)目引領(lǐng)、課崗相融的人才培養(yǎng)模式,從事工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)及應(yīng)用,培養(yǎng)從事工業(yè)機(jī)器人安裝、編程、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)等復(fù)合型高端技能人才[5].重慶文理學(xué)院面向汽車及裝備制造等支柱產(chǎn)業(yè)和機(jī)器人、數(shù)控車床等高端智能裝備戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè),組織了多種形式的機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)[6].各高校參加機(jī)器人比賽的數(shù)量逐年增加,但是相對(duì)于國(guó)外起步較晚,機(jī)器人課程教學(xué)中實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少,少數(shù)大學(xué)設(shè)立有機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室,教學(xué)策略和考核方式有待改進(jìn).因此為進(jìn)一步提高教學(xué)效果與教學(xué)質(zhì)量,結(jié)合學(xué)校自身的情況對(duì)機(jī)器人課程進(jìn)行以培養(yǎng)興趣為導(dǎo)向,以實(shí)踐和創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)的課程體系與教學(xué)改革迫在眉睫.

    3 實(shí)踐教學(xué)

    機(jī)器人課程教學(xué)面向的對(duì)象為全體學(xué)生,因此在向?qū)W生普及相關(guān)知識(shí)的同時(shí),也應(yīng)作為一項(xiàng)技術(shù)課程傳授給學(xué)生,以培養(yǎng)其創(chuàng)新意識(shí)、動(dòng)手能力與運(yùn)用知識(shí)去解決現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中遇到的問(wèn)題的能力.機(jī)器人作為學(xué)習(xí)平臺(tái),已經(jīng)慢慢應(yīng)用于大學(xué)的課程中,在機(jī)器人課程教學(xué)過(guò)程當(dāng)中,為了達(dá)到良好的教學(xué)效果,可以采用組織各式教學(xué)活動(dòng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn).

    3.1 理論教學(xué)

    機(jī)器人教學(xué)是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程,應(yīng)從課堂教學(xué)、生產(chǎn)實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、專業(yè)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)等方面采用“分階遞進(jìn)”的模式進(jìn)行.我校在機(jī)械工程一級(jí)學(xué)科下面的機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)和測(cè)控專業(yè)開(kāi)設(shè)了機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用課程.本門(mén)課程主要講述機(jī)器人的基本概念、組成和應(yīng)用,機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué),包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)與逆運(yùn)動(dòng)學(xué),機(jī)器人的軌跡規(guī)劃,機(jī)器人控制,以及相關(guān)機(jī)器人的語(yǔ)言等,使本科生對(duì)工業(yè)機(jī)器人具有初步的認(rèn)識(shí).然而受條件的制約,機(jī)器人課程的實(shí)踐教學(xué)課時(shí)相對(duì)較少.而機(jī)器人教學(xué)應(yīng)是理論與實(shí)踐相結(jié)合的一門(mén)課程,因此應(yīng)該加大實(shí)踐課時(shí)的量,使學(xué)生可以通過(guò)實(shí)踐提高運(yùn)用知識(shí)的能力.應(yīng)逐步建立理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的數(shù)據(jù)庫(kù),使學(xué)生可以得到完整的培訓(xùn)和訓(xùn)練.

    3.2 教學(xué)存在的問(wèn)題

    3.2.1 課程內(nèi)容枯燥、煩冗問(wèn)題

    當(dāng)前偏重于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué),理論講解多,內(nèi)容較為抽象.缺乏機(jī)器人相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容,學(xué)生的興趣不高,無(wú)法建立相關(guān)知識(shí)體系.對(duì)數(shù)學(xué)功底要求高,傳統(tǒng)課程沒(méi)有引進(jìn)諸如MATLAB之類軟件,給同學(xué)帶來(lái)了很多的計(jì)算負(fù)擔(dān),產(chǎn)生逆反情緒,很多同學(xué)反映跟預(yù)想中的機(jī)器人課程大相徑庭,教學(xué)效果不好.

    3.2.2 采用傳統(tǒng)教學(xué)方法老套問(wèn)題

    在機(jī)器人課程教學(xué)上普遍采用灌輸式教學(xué)方法,過(guò)于偏重老師的講授,教學(xué)效果不好,不利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng).教學(xué)形式單一,目前機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)面向的對(duì)象極為有限,范圍比較窄,并且缺乏持續(xù)性.

    3.2.3 實(shí)踐與教學(xué)脫節(jié)問(wèn)題

    現(xiàn)在機(jī)器人器材的高投入,讓很多學(xué)校望而卻步.由于學(xué)校自身?xiàng)l件的限制,無(wú)法向?qū)W生提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)室,缺少必要的實(shí)踐環(huán)節(jié),難以滿足眾多學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的需要.導(dǎo)致所學(xué)理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié),有些技術(shù)問(wèn)題只是停留在紙面上.對(duì)于沒(méi)有接觸過(guò)機(jī)器人特別是工業(yè)機(jī)械臂的學(xué)生而言,最初有可能比較懼怕,擔(dān)心操作時(shí)損壞機(jī)器人或人身受到危險(xiǎn).這些導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的降低,不利于學(xué)生獨(dú)立思考、實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

    基于以上問(wèn)題,筆者認(rèn)為教師應(yīng)該改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式,避免純理論的空洞化教學(xué),將理論與實(shí)踐相結(jié)合,同時(shí)降低教學(xué)用機(jī)器人成本.把機(jī)器人仿真平臺(tái)引入機(jī)器人教學(xué)課堂,使教師的課堂教學(xué)將更具有針對(duì)性和實(shí)效性,該方案投資較少,實(shí)施方便,能夠滿足科研與教學(xué)對(duì)機(jī)器人仿真程序的需求.

    3.3 機(jī)器人可視化平臺(tái)的構(gòu)建

    構(gòu)建教學(xué)和科研共享虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),以提高學(xué)生在機(jī)器人工程中的應(yīng)用能力.本文以典型的工業(yè)機(jī)器人(川崎FS03N機(jī)械臂)為例,如圖1所示.首先在SolidWorks或任一種三維建模軟件中繪制機(jī)械臂本體的各個(gè)部件,而后進(jìn)行裝配,以得到裝配體,可以簡(jiǎn)單地觀察到各桿件的運(yùn)動(dòng)情況,然而卻無(wú)法知道其桿件隨運(yùn)坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)情況.因此再將各部件按運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行拆分,采用三維軟件中坐標(biāo)系工具,運(yùn)用DH法對(duì)各個(gè)拆分后的桿件進(jìn)行坐標(biāo)系重建,新建的坐標(biāo)系如圖2所示,完成裝配后的本體坐標(biāo)系如圖3所示.通過(guò)在三維軟件中,拖拽各桿件,可以清楚地看到各坐標(biāo)系隨桿件運(yùn)動(dòng)的情況,使學(xué)生更加清晰地理解連桿坐標(biāo)系的原理.

    重新建立機(jī)械臂的部件坐標(biāo)系后,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂本體進(jìn)行控制,需要將其導(dǎo)入MATLAB軟件中進(jìn)行裝配組合.因?yàn)镸ATLAB軟件無(wú)法直接識(shí)別SolidWorks的圖形文件,所以需要將機(jī)器人的三維模型轉(zhuǎn)換格式.本文將機(jī)械臂的模型文件保存為MATLAB可以識(shí)別的STL文件,通過(guò)編制相關(guān)程序便可以實(shí)現(xiàn)模型的導(dǎo)入,將模型導(dǎo)入后通過(guò)使用patch函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)3D模型的顯示,相關(guān)程序函數(shù)為:

    function[fout,vout,cout]= stlread ( filename)

    handle=patch('Vertices',propertyvalue ,'Faces' ,propertyvalue? ……)

    程序執(zhí)行后,可以直觀地觀察到機(jī)器人本體及其運(yùn)動(dòng)情況,如下圖4所示.

    該虛擬仿真平臺(tái)可完美再現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)特性,通過(guò)平臺(tái)的文本框,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制,可以使學(xué)生更加深刻地了解到機(jī)械臂的動(dòng)作情況,進(jìn)一步編寫(xiě)相關(guān)程序,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的速度和加速度的控制,這樣便將學(xué)生學(xué)習(xí)的機(jī)器人技術(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)械數(shù)字化技術(shù)、工程數(shù)學(xué)軟件等學(xué)科有機(jī)的結(jié)合并應(yīng)用起來(lái),更能提高學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)和相關(guān)軟件的興趣,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性.

    3.4 機(jī)器人虛擬仿真平臺(tái)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

    建立機(jī)器人虛擬仿真平臺(tái)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):

    (1)本文采用的三維虛擬仿真平臺(tái)構(gòu)建機(jī)械臂的新方法,基于MATLAB的GUI交互設(shè)計(jì)和數(shù)值計(jì)算能力,充分集成了三維建模軟件SolidWorks、機(jī)器人工具箱和三維圖形顯示技術(shù),有效地避免各個(gè)模塊在導(dǎo)入世界坐標(biāo)系中亂序的問(wèn)題,是初學(xué)者的好工具.

    (2)該方法使用機(jī)器人工具箱可以實(shí)現(xiàn)對(duì)底層程序的操作,通過(guò)直接加入相應(yīng)函數(shù)可以避免編制不必要的程序.可以省略機(jī)器人基本運(yùn)算過(guò)程,學(xué)生有更多的時(shí)間學(xué)習(xí)其他課程.開(kāi)發(fā)的仿真程序具有開(kāi)放式的機(jī)械臂類型,適用于所有結(jié)構(gòu)機(jī)械臂三維虛擬仿真平臺(tái)的構(gòu)建,充分滿足教學(xué)和科研應(yīng)用的需要.

    (3)該方法有利于機(jī)器人學(xué)的教學(xué)和學(xué)習(xí),幫助學(xué)生理解各個(gè)學(xué)科之間的聯(lián)系,加強(qiáng)課程連貫性.機(jī)器人3D交互可視化平臺(tái)提供一個(gè)工程實(shí)踐的模擬環(huán)境,當(dāng)學(xué)生不能接觸到實(shí)際的機(jī)器人時(shí),使用這種方法可以進(jìn)行接近真實(shí)的運(yùn)動(dòng)模擬和動(dòng)畫(huà),使概念變得具體,為學(xué)生提供動(dòng)手操作的空間.

    (4)經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證的實(shí)踐,在教學(xué)過(guò)程中加入了計(jì)算機(jī)仿真操作,提供學(xué)生更多尋求解決問(wèn)題的辦法,提高學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人課程的興趣,拓展學(xué)生的知識(shí)面,激發(fā)機(jī)械類本科生學(xué)習(xí)機(jī)器人課程的主觀能動(dòng)性,提高學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力,加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)以及人與人的溝通能力,推動(dòng)和促進(jìn)機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐課程的改革.

    4 結(jié)論

    在分析機(jī)器人課程特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外機(jī)器人教學(xué)的基礎(chǔ)上,提出了采用建立機(jī)器人虛擬仿真平臺(tái)的方法,以填補(bǔ)機(jī)器人課程純理論教學(xué)與機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)之間的空白,提高學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人課程的興趣與主觀能動(dòng)性.然而,機(jī)器人教育在我國(guó)尚處于起始階段,機(jī)器人課程體系并不完善,需要加強(qiáng)機(jī)器人教育專業(yè)教師隊(duì)伍的建設(shè),加強(qiáng)本科用機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè),使更多的教師、學(xué)生從事機(jī)器人科學(xué)研究、學(xué)科競(jìng)賽,開(kāi)展項(xiàng)目研究,以使學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)到機(jī)器人知識(shí).

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