基于半實(shí)物仿真平臺(tái)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

閔飛炎

摘 要：探討半實(shí)物仿真技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用方案?；谀承退欧姍C(jī)和EtherCAT總線技術(shù)開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并基于matlab/Simulink開發(fā)環(huán)境搭建實(shí)時(shí)控制軟件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字機(jī)器人、半實(shí)物機(jī)器人、實(shí)物機(jī)器人和動(dòng)畫機(jī)器人的同步控制和仿真。這種結(jié)合在暨南大學(xué)信息學(xué)院機(jī)器人相關(guān)專業(yè)的研究型實(shí)驗(yàn)課程中應(yīng)用。該方案簡化了機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)過程，降低了教學(xué)實(shí)踐難度，避免了單純虛擬化實(shí)驗(yàn)而造成的與實(shí)際脫節(jié)，同時(shí)豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提供了實(shí)驗(yàn)效率，創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)形式。

關(guān)鍵詞：半實(shí)物仿真平臺(tái); 工業(yè)機(jī)器人; 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：TP242.2? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）3-170-002

1.引言

工業(yè)機(jī)器人指的是工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，可依靠自身的動(dòng)力能源和控制能力實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)加工制造功能，是技術(shù)密集度及自動(dòng)化程度很高的典型機(jī)電一體化加工設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人是“中國制造2025”的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，也是順應(yīng)國家建設(shè)需求的典型新工科專業(yè)。

工業(yè)機(jī)器人涉及得到機(jī)械學(xué)、電子工程、自動(dòng)控制和人工智能等多種先進(jìn)技術(shù)。國內(nèi)外諸多高校和研究人員都開始了對機(jī)器人課程建設(shè)的探究。在本科階段的機(jī)器人教學(xué)中面臨著多方面的挑戰(zhàn)和需求，包括：

（1）教學(xué)平臺(tái)的安全性。教學(xué)中的機(jī)器人將與教師和學(xué)生在同一空間工作，執(zhí)行機(jī)械任務(wù)。然而實(shí)驗(yàn)課程的控制程序不可避免的存在安全隱患，甚至造成傷害事件。

（20教學(xué)平臺(tái)的靈活配置。教學(xué)中的工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)型和功能多樣。從構(gòu)型上看，包括單軸、平面兩軸，SCARA，6關(guān)節(jié)，Delta機(jī)器人等多種形式。從控制功能上看，有傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人等。

（3）教學(xué)平臺(tái)的開放性。除本體外，機(jī)器人構(gòu)件還包括電機(jī)、伺服器、減速器、編碼器和各種傳感器;從軟件功能上看，包括實(shí)時(shí)通信、路徑規(guī)劃和插補(bǔ)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)控制等。教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)該使得學(xué)生學(xué)習(xí)到軟硬件的工作機(jī)理和開發(fā)方案。

（4）教學(xué)平臺(tái)的生動(dòng)性。為了激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，必須多維度的顯現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡、參數(shù)變化趨勢和性能指標(biāo)。

結(jié)合國內(nèi)外機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)的需求，本文提出了基于半實(shí)物仿真平臺(tái)的構(gòu)成和教學(xué)方案。

2.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成和功能

本研發(fā)團(tuán)隊(duì)結(jié)合上述需求，基于工控機(jī)和simulink實(shí)時(shí)仿真環(huán)境開發(fā)了工業(yè)機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

從系統(tǒng)構(gòu)成來說，該平臺(tái)包括：（1）工業(yè)機(jī)器人，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的機(jī)器人包括多種存在形式，包括：運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的仿真機(jī)器人、由電機(jī)和傳感器組合成的半實(shí)物機(jī)器人、實(shí)物機(jī)器人，以及用于分析和顯示的動(dòng)畫機(jī)器人;（2）運(yùn)行在工控機(jī)上的機(jī)器人控制器，在simulink環(huán)境中編寫，并運(yùn)行在simulink-Realtime系統(tǒng)上;（3）示教器，用于教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的示教器，可為實(shí)物示教器，也可由計(jì)算機(jī)代替。

所有設(shè)備通過EtherCAT總線連接并同步工作，教學(xué)單位根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)備，四種形式的機(jī)器人可根據(jù)教學(xué)單位的實(shí)際需求進(jìn)行選配。從仿真對象來說，實(shí)現(xiàn)可配置的機(jī)器人仿真，包括單軸、平面兩軸、SCARA、6關(guān)節(jié)和Delta機(jī)器人，在數(shù)字機(jī)器人中，通過設(shè)置DH參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)配置。DH表和其它參數(shù)可通過配置軟件進(jìn)行配置。

從教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上來說，包括：電機(jī)的認(rèn)識(shí)和建模、關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)和規(guī)劃、直角空間運(yùn)動(dòng)和規(guī)劃、正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和反向運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制等內(nèi)容。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，在matlab平臺(tái)上開發(fā)4方面的功能，包括：（1）用于機(jī)器人控制和仿真的simulink程序，在上位機(jī)上開發(fā)，并被編譯成目標(biāo)文件，下載至目標(biāo)實(shí)時(shí)機(jī)上運(yùn)行; 該程序通過EhterCAT總線實(shí)現(xiàn)對半實(shí)物機(jī)器人和實(shí)物機(jī)器人的同步控制;（2）機(jī)器人配置軟件，運(yùn)行在上位機(jī)上的matlab GUI程序，可實(shí)現(xiàn)對仿真電機(jī)參數(shù)、機(jī)器人參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)型機(jī)器人的仿真;（3）算法軟件，基于matlab開發(fā)的控制和數(shù)據(jù)分析軟件。主要用于模型辨識(shí)、控制器設(shè)計(jì)等算法工具，目標(biāo)是為實(shí)時(shí)仿真提供模型、控制參數(shù)等計(jì)算工作;（4）動(dòng)畫機(jī)器人，采用多媒體形式顯示機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程和性能指標(biāo);通過EtherCAT從站接收實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，將結(jié)果以動(dòng)畫的形式顯示，運(yùn)行在windows/matlab上。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。

3.系統(tǒng)軟件方案

本科教學(xué)中的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將支持機(jī)器人實(shí)驗(yàn)和開發(fā)功能。為了便于教學(xué)工作的開展，該平臺(tái)的控制通信軟件基于matlab平臺(tái)開發(fā)。Simulink仿真環(huán)境是本平臺(tái)的核心，其支持實(shí)時(shí)模式下的控制和仿真，并可基于成熟的機(jī)器人工具箱進(jìn)行二次開發(fā)。Simulink軟件包括平臺(tái)界面與配置程序、應(yīng)用案例庫模型庫、EatherCAT組件庫，數(shù)據(jù)分析和演示庫，如圖2所示。

平臺(tái)界面與配置程序?qū)崿F(xiàn)對軟件組件的組織和協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對工程的管理和關(guān)鍵信息的提取顯示，支持工程創(chuàng)建，案例庫管理、模型庫管理、EatherCAT組件管理、數(shù)據(jù)分析和演示庫管理功能。應(yīng)用案例庫實(shí)現(xiàn)電機(jī)和各型工業(yè)機(jī)器人的建模、運(yùn)動(dòng)學(xué)控制和動(dòng)力學(xué)控制。用戶通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)的機(jī)器人的數(shù)字仿真和半實(shí)物仿真。模型庫用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的關(guān)鍵組件和控制技術(shù)，包括先進(jìn)模型辨識(shí)算法、先進(jìn)機(jī)器人控制算法等。模型庫中的相關(guān)模塊可用于替換特定案例中的相關(guān)組件，從而支持機(jī)器人控制技術(shù)的探索和研究工作。

EatherCAT組件庫用于實(shí)現(xiàn)EatherCAT網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視與控制，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)拖動(dòng)平臺(tái)的直接控制。相關(guān)組件被集成到數(shù)字仿真案例中，即可實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真。

數(shù)據(jù)分析和演示庫實(shí)現(xiàn)對仿真數(shù)據(jù)的動(dòng)化顯示、記錄、解析、回放和分析功能。

4.教學(xué)方案設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師根據(jù)教學(xué)計(jì)劃篩選出合適的仿真應(yīng)用場景，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)大綱。學(xué)生從模型庫中選擇合適的軟件組件，搭建仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真，從而加深對機(jī)器人技術(shù)的理解，豐富教學(xué)內(nèi)容。

如表1列舉了針對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)課程設(shè)計(jì)的T型速度規(guī)劃實(shí)驗(yàn)的軟件組成，在此基礎(chǔ)上可開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

半實(shí)物仿真技術(shù)的應(yīng)用，將有效解決本科機(jī)器人相關(guān)專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的部分難題，將理論教學(xué)、仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，增強(qiáng)學(xué)生對機(jī)器人、控制理論和電子技術(shù)的理解和應(yīng)用能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]Peter Corke， Robotics， Vision and Control， Fundamental Algorithms in MATLAB， Springer

[2]劉冬等.基于EtherCAT的機(jī)器人控制總線方案研究，計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013（4）