基于半實(shí)物仿真平臺的工科類專業(yè)實(shí)驗教學(xué)改革探討

李波 田威 王長瑞

摘 要：針對當(dāng)前高等學(xué)校工科類專業(yè)人才培養(yǎng)面臨的創(chuàng)新能力缺乏、實(shí)際工程能力不足等問題，結(jié)合航空航天制造領(lǐng)域?qū)虒W(xué)實(shí)驗的更高要求，提出了機(jī)器人飛機(jī)裝配裝備半實(shí)物仿真實(shí)驗平臺的實(shí)踐教學(xué)方案。指出了當(dāng)前工科類專業(yè)人才培養(yǎng)實(shí)驗教學(xué)中的問題，提出了基于機(jī)器人半實(shí)物仿真實(shí)驗平臺的飛機(jī)裝配教學(xué)改革內(nèi)容，有利于培養(yǎng)學(xué)生以實(shí)際工程需求為牽引的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：航空航天;實(shí)驗教學(xué);工業(yè)機(jī)器人;半實(shí)物仿真;飛機(jī)裝配

1 緒論

飛機(jī)裝配是保證飛機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量、裝配準(zhǔn)確度的決定性環(huán)節(jié)[1]，為滿足新型飛機(jī)對裝配精度和服役壽命的更高要求，必須研制新的工藝裝備[2]。隨著工業(yè)機(jī)器人在智能制造中日益普及，使用機(jī)器人在飛行器制造過程中進(jìn)行輔助裝配任務(wù)已經(jīng)成為主流趨勢。然而，當(dāng)前工科類專業(yè)的人才培養(yǎng)，尤其是航空宇航制造工程專業(yè)機(jī)器人飛機(jī)裝配方向的人才培養(yǎng)，面臨著創(chuàng)新能力缺乏、實(shí)際工程能力不足等問題?，F(xiàn)階段機(jī)器人飛機(jī)裝配只能開展基礎(chǔ)性演示實(shí)驗，與實(shí)際工程應(yīng)用脫節(jié)，造成了學(xué)生畢業(yè)后實(shí)際工程應(yīng)用能力不能迅速達(dá)到企業(yè)的崗位技能要求。為達(dá)到工科類高端人才的培養(yǎng)目標(biāo)，對教學(xué)中非常重要的一個環(huán)節(jié)——實(shí)驗教學(xué)提出了更高的要求。

在實(shí)驗教學(xué)中加入半實(shí)物仿真實(shí)驗平臺，可進(jìn)行工科類專業(yè)人才的創(chuàng)新培養(yǎng)，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合仿真實(shí)驗對課程教學(xué)改革做出了諸多嘗試。華僑大學(xué)的聶卓赟等針對自動化專業(yè)的實(shí)驗教學(xué)，開發(fā)了一款面向MATLAB實(shí)時控制的半實(shí)物仿真實(shí)驗系統(tǒng)Sukung[3];中南大學(xué)的謝斌等指出，MATLAB Robotics Toolbox可以對機(jī)器人進(jìn)行圖形仿真，并能分析真實(shí)機(jī)器人控制時的實(shí)驗數(shù)據(jù)結(jié)果，非常適宜于機(jī)器人專業(yè)的仿真實(shí)驗教學(xué)[4];河北農(nóng)業(yè)大學(xué)的袁永偉等針對“工業(yè)機(jī)器人”傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生多設(shè)備少、教學(xué)質(zhì)量不高的問題，依托RobotArt工業(yè)機(jī)器人離線編程仿真軟件提出了“低碳化”模擬仿真教學(xué)方法[5];南昌航空大學(xué)的朱永國等針對飛機(jī)裝配工藝教學(xué)設(shè)備臺套數(shù)不足的問題，提出了CDIO教育理念和虛擬仿真相融合的“飛機(jī)裝配工藝”課程教學(xué)新方法[6]。

將機(jī)器人裝配裝備半實(shí)物仿真實(shí)驗平臺應(yīng)用于飛機(jī)裝配課程的教學(xué)，可進(jìn)行機(jī)器視覺算法在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用驗證、機(jī)器人運(yùn)動控制算法與離線編程等多方面的創(chuàng)新實(shí)驗，非常適合飛機(jī)裝配課程的實(shí)驗教學(xué)。以上眾多學(xué)者關(guān)于仿真實(shí)驗，尤其是半實(shí)物仿真實(shí)驗教學(xué)的有益探索，為機(jī)器人飛機(jī)裝配虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)與實(shí)踐提供了有效思路。然而，如何將機(jī)器人半實(shí)物仿真實(shí)驗平臺與飛機(jī)裝配實(shí)驗有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)能夠在航空航天制造等相關(guān)領(lǐng)域從事工程設(shè)計、技術(shù)開發(fā)、工程應(yīng)用等方面的高素質(zhì)復(fù)合型人才，仍需相關(guān)學(xué)者一如既往的改革與實(shí)踐。

2 存在的問題

目前大多數(shù)高校工科類專業(yè)的人才培養(yǎng)，主要存在如下問題：（1）基礎(chǔ)性實(shí)驗偏多，主要側(cè)重學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握情況的檢驗;（2）綜合應(yīng)用類及開放性實(shí)驗較少，學(xué)生的真實(shí)能力情況難以評估，創(chuàng)新能力培養(yǎng)手段欠缺;（3）由于實(shí)驗場地大、設(shè)備大、工藝流程復(fù)雜等因素，學(xué)校難以復(fù)制大型裝備的作業(yè)現(xiàn)場;（4）制造類實(shí)驗需要不斷升級大型專業(yè)設(shè)備和工裝，消耗大量昂貴的實(shí)驗材料，物理成本極高。上述問題以機(jī)器人飛機(jī)裝配課程教學(xué)實(shí)驗尤為突出，究其原因主要是因為飛機(jī)裝配用工業(yè)機(jī)器人存在裝備質(zhì)量大、控制系統(tǒng)封閉的缺點(diǎn)，為教學(xué)和人才培養(yǎng)帶來了實(shí)驗安全隱患和基礎(chǔ)研究難以從底層開發(fā)入手、逐步向工程應(yīng)用過渡的弊端。因此，目前該專業(yè)教學(xué)仍以演示性和驗證性實(shí)驗為主，缺乏設(shè)計性和創(chuàng)新型實(shí)驗。亟須將一套系統(tǒng)完全開放、安全有保障的機(jī)器人半實(shí)物仿真實(shí)驗平臺融入飛機(jī)制造與裝配專業(yè)的實(shí)驗教學(xué)中，增加設(shè)計性、綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗。

3 改革內(nèi)容

3.1 機(jī)器人半實(shí)物實(shí)驗平臺簡介

由加拿大QUANSER公司推出的Robotics Package平臺主要包括六自由度工業(yè)機(jī)器人、視覺檢測系統(tǒng)、實(shí)時仿真與控制系統(tǒng)等，可以完成機(jī)器人單機(jī)運(yùn)動控制和機(jī)器視覺檢測等控制算法的研究，也可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人飛機(jī)自動裝配的快速原型設(shè)計、仿真、驗證一體化虛擬開發(fā)。其中，工業(yè)機(jī)器人是基于Kinova六自由度機(jī)器人深度開發(fā)的機(jī)器人實(shí)驗平臺，總重量不足20kg，安全空間僅需要1m3，并可靈活拆卸組裝，可以保證實(shí)驗安全。該實(shí)驗套件配合QUARC開源架構(gòu)，操作方便，教學(xué)門檻低。配合MATLAB/SIMULINK仿真模塊，可以對機(jī)器人六個關(guān)節(jié)的位移、速度和力矩進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，并編寫底層控制算法。該實(shí)驗套件可為學(xué)生介紹機(jī)器人D-H參數(shù)、運(yùn)動學(xué)正逆解、運(yùn)動控制、力位耦合控制等基礎(chǔ)內(nèi)容提供操作性更安全、更方便的實(shí)驗平臺。

3.2 機(jī)器人虛擬裝配半實(shí)物實(shí)驗平臺搭建

通過在飛機(jī)裝配課程中引入加拿大QUANSER機(jī)器人半實(shí)物仿真實(shí)驗平臺，可進(jìn)行飛機(jī)自動鉆鉚法向找正、孔位檢測、離線制孔路徑工藝規(guī)劃等技術(shù)研究，并對飛機(jī)裝配中經(jīng)常用到的機(jī)器人軌跡規(guī)劃、空間插補(bǔ)與精度補(bǔ)償算法等進(jìn)行研究，為機(jī)器人飛機(jī)裝配提供快速原型驗證與設(shè)計平臺。

（1）六自由度工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗平臺建設(shè)。該實(shí)驗平臺由輕型六自由度機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、電源和信號電纜組成，可實(shí)現(xiàn)單關(guān)節(jié)動作、多關(guān)節(jié)聯(lián)動、空間直線、空間圓弧、抓取物體并搬運(yùn)等。為飛機(jī)自動虛擬裝配算法的仿真驗證研究提供了安全的載體，避免直接在重載機(jī)器人上研究帶來的安全隱患和操作不靈活的問題。

（2）機(jī)器人視覺測量平臺建設(shè)。實(shí)驗平臺包括工業(yè)相機(jī)、視覺信息處理裝置，可為機(jī)器人自動裝配提供實(shí)時測量平臺。將被攝取的目標(biāo)信息轉(zhuǎn)換成圖像信號，圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來提取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的機(jī)器人自動化裝配裝備動作。

（3）實(shí)時仿真與控制系統(tǒng)平臺建設(shè)。該平臺主要包括快速原型實(shí)時仿真機(jī)、實(shí)時仿真與控制軟件、開發(fā)主機(jī)等，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動裝配算法的在線設(shè)計、實(shí)時仿真、快速驗證提供一站式服務(wù)平臺。采用“上-下位機(jī)”架構(gòu)，上位機(jī)用戶通過MATLAB/SIMULINK平臺完成機(jī)器人控制模型與定位算法的設(shè)計，經(jīng)自動編譯后生成嵌入式代碼，然后通過以太網(wǎng)部署到實(shí)時仿真機(jī)（下位機(jī)）中運(yùn)行，作為機(jī)器人的控制器原型使用，控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動，并采集相關(guān)視覺傳感器數(shù)據(jù)，形成閉環(huán)控制回路。

3.3 機(jī)器人飛機(jī)裝配半實(shí)物仿真實(shí)驗流程

使用MATLAB/SIMULINK建模環(huán)境結(jié)合實(shí)時仿真軟件包，可按照以下步驟實(shí)現(xiàn)機(jī)器人飛機(jī)裝配從建模到半實(shí)物仿真的全過程。

（1）飛機(jī)裝配實(shí)驗設(shè)計。根據(jù)飛行器制造工程專業(yè)培養(yǎng)方案和飛機(jī)裝配技術(shù)特點(diǎn)，根據(jù)知識結(jié)構(gòu)，由毛坯→蒙皮成形實(shí)驗→鈑金零件→部件裝配實(shí)驗→裝配部件→翼身對接實(shí)驗→飛機(jī)大部件，構(gòu)成一個飛機(jī)大部件裝配的實(shí)驗體系。梳理出飛機(jī)蒙皮成形工藝設(shè)計實(shí)驗、飛機(jī)壁板自動鉆鉚工藝設(shè)計實(shí)驗和飛機(jī)翼身對接實(shí)驗三個典型的設(shè)計探究性實(shí)驗?zāi)K。

（2）模型搭建及仿真驗證。建立機(jī)器人飛機(jī)裝配過程的數(shù)學(xué)模型，通過SIMULINK環(huán)境下的數(shù)值仿真初步驗證模型及算法。

（3）半實(shí)物仿真模型建立。在SIMULINK數(shù)學(xué)模型中，根據(jù)實(shí)際需要從模塊庫中添加I/O模塊，如機(jī)器人通常用的Ethernet網(wǎng)口等，即用硬件接口代替原來的邏輯連接關(guān)系，建立半實(shí)物仿真模型。

（4）目標(biāo)代碼生成及配置管理。在完成半實(shí)物仿真模型的參數(shù)設(shè)置后，調(diào)用自動代碼生成工具，將SIMULINK模型轉(zhuǎn)換為C代碼，并編譯為可執(zhí)行程序;在主控軟件中，根據(jù)軟件向?qū)В⒎抡婀こ?，設(shè)置仿真目標(biāo)機(jī)屬性。

（5）半實(shí)物實(shí)時仿真及數(shù)據(jù)后處理。在主控軟件中開始仿真，半實(shí)物模型編譯生成的代碼自動下載到目標(biāo)機(jī)，并啟動實(shí)時運(yùn)行，與實(shí)物設(shè)備通過I/O硬件進(jìn)行交互;仿真結(jié)束后，進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)上傳、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析等處理。

（6）實(shí)驗結(jié)果評估與再設(shè)計。學(xué)生分析機(jī)器人飛機(jī)裝配環(huán)節(jié)中的實(shí)驗數(shù)據(jù)，根據(jù)質(zhì)量檢測結(jié)果，判斷是否為最優(yōu)結(jié)果;如果是，則結(jié)束實(shí)驗，撰寫實(shí)驗報告;如果否，則重新設(shè)計機(jī)器人飛機(jī)裝配模型和參數(shù)，重復(fù)步驟（1）～（5）進(jìn)行反復(fù)迭代優(yōu)化，直至獲得最優(yōu)實(shí)驗結(jié)果為止。

4 結(jié)語

針對當(dāng)前機(jī)器人飛機(jī)自動裝配專業(yè)方向教學(xué)缺乏設(shè)計性、綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗，嚴(yán)重影響飛行器制造工程專業(yè)人才的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的現(xiàn)狀，本文分析了目前大多數(shù)高校工科類專業(yè)人才培養(yǎng)存在的主要問題，給出了基于機(jī)器人半實(shí)物仿真實(shí)驗平臺的飛機(jī)裝配課程改革實(shí)踐教學(xué)的形式與內(nèi)容，對建設(shè)以飛行器制造實(shí)際工程需求為核心的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺，建成從機(jī)器人飛機(jī)裝配建模、可行性驗證到半實(shí)物仿真及再設(shè)計的一體化實(shí)驗教學(xué)體系具有一定的借鑒意義。

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作者簡介：李波（1988— ），男，漢族，江蘇人，博士，講師，研究方向：機(jī)器人動力學(xué)與控制。