基于系統(tǒng)模型的機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

殷 建

（銅陵學(xué)院,安徽 銅陵 244061）

機(jī)器人是集機(jī)、電、控制、人工智能等技術(shù)相互交叉融合的產(chǎn)品，是目前新工科建設(shè)中最具代表性的前沿交叉學(xué)科之一。當(dāng)前我國生產(chǎn)制造智能化改造升級的需求日益凸顯，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸由搬運(yùn)、焊接、裝配等操作型任務(wù)向加工型任務(wù)拓展。同時，隨著近年來國家對環(huán)保和民生問題的高度重視，特別在化工以及與民生相關(guān)的環(huán)保、食品、飲料和制藥等行業(yè)中機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來越廣。面對日益增長的機(jī)器人人才需求狀況，近兩年我國高校特別是很多地方應(yīng)用型高校都開設(shè)了機(jī)器人工程專業(yè)。面對復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)還很缺乏，導(dǎo)致在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中，創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力怎樣得到充分鍛煉，努力縮小“學(xué)與用”之間的差距是提高高等教育質(zhì)量，更是改善專業(yè)技術(shù)人才嚴(yán)重緊缺的關(guān)鍵。但是目前的機(jī)器人專業(yè)大多數(shù)課程偏重于課堂講授，動手實(shí)踐課程或?qū)嵺`項(xiàng)目，特別是針對工廠生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)非常欠缺。因此，增強(qiáng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)置和探索，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)的改革十分必要[1-3]。

當(dāng)前，地方應(yīng)用型高校較多的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是驗(yàn)證型教學(xué)實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在推廣性差、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多、跨學(xué)科綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)少的不足，導(dǎo)致機(jī)器人專業(yè)人才培養(yǎng)短板開始突現(xiàn)。由學(xué)生自己動手進(jìn)行的創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目嚴(yán)重缺乏，存在很多制約創(chuàng)新人才培養(yǎng)的問題。因此創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)是各高校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科綜合能力的重要方面[4]。

本文以銅陵學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)為例，作者根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合機(jī)器人專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，對《機(jī)器人學(xué)》課程中應(yīng)用到的機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了探索與實(shí)踐，以工業(yè)和科研中常用的六軸協(xié)作機(jī)械臂設(shè)計(jì)為例進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法探討。學(xué)生要進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，需要有對實(shí)際問題了解、分析并運(yùn)用知識進(jìn)行解決的能力。為此需要構(gòu)建基于模型的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目體系，開發(fā)具有工程實(shí)踐背景的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以此來激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新探索的能力[5-6]，以解決復(fù)雜工程問題。

一、基于Matlab的系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)方法介紹

學(xué)生在進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)時，首先要求充分理解項(xiàng)目設(shè)計(jì)的要求，然后充分利用各種手段（例如同學(xué)間討論，網(wǎng)上搜索、請教老師等）去嘗試完成這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，要把所學(xué)知識順利應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中去。讓學(xué)生經(jīng)歷一個機(jī)器人如何動、怎么動、動的效果怎樣？機(jī)器人與視聽觸等感知模塊和外圍自動設(shè)備之間如何協(xié)作的認(rèn)知過程。同時在這個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，還需要安排一定數(shù)量的機(jī)器人控制器的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生設(shè)計(jì)一些如各類電機(jī)的控制、外部傳感器信號采集等關(guān)鍵模塊的應(yīng)用。要求學(xué)生學(xué)會如何使用Matlab,Simulink和MBD等先進(jìn)的軟件工具進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)[7-8]。

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展對工程科技人員需求，將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的需求引入教學(xué)過程，積極探索綜合性、問題導(dǎo)向、交叉專業(yè)，把握新工科人才的核心素質(zhì)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維、工程思維?；谙到y(tǒng)模型的工程設(shè)計(jì)要在系統(tǒng)開發(fā)的不同階段建立相應(yīng)的系統(tǒng)模型，利用高層次的編程語言進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

近十年來，許多國防、航空航天、汽車、和數(shù)字通信等行業(yè)的著名高科技公司，如寶馬、豐田、波音、愛立信等，紛紛接受 “基于系統(tǒng)模型的工程設(shè)計(jì)（MBD）”思想，采用MATLAB和Simulink作為全公司進(jìn)行系統(tǒng)仿真、設(shè)計(jì)、測試和驗(yàn)證的軟件平臺。

如圖1所示，基于系統(tǒng)模型的工程設(shè)計(jì)要在系統(tǒng)開發(fā)的不同階段建立相應(yīng)的系統(tǒng)模型，利用高層次的編程語言進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。Mathwork公司在Simulink平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)并推出的一系列系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，為實(shí)際系統(tǒng)的性能測試、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)提供高效的開發(fā)環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，工程技術(shù)人員可以大幅提高工作效率、縮短設(shè)計(jì)時間和產(chǎn)品開發(fā)周期。

圖1基于系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)流程

二、六軸協(xié)作機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)控制設(shè)計(jì)

協(xié)作機(jī)器人能夠滿足任務(wù)多樣性和環(huán)境復(fù)雜性的要求，用于執(zhí)行與未知環(huán)境和人發(fā)生交互作用的操作任務(wù)，是下一代機(jī)器人的重要發(fā)展方向。本文選用的六軸協(xié)作機(jī)器臂開發(fā)系統(tǒng)為負(fù)載3kg的輕型協(xié)作機(jī)器人，結(jié)構(gòu)小巧，擁有一體化的驅(qū)動器和六軸運(yùn)動控制器，六軸協(xié)作機(jī)械臂系統(tǒng)是由六軸機(jī)械臂本體、控制系統(tǒng)、上位機(jī)和穩(wěn)壓電源組成。每個機(jī)械臂關(guān)節(jié)由諧波減速機(jī)、力矩電機(jī)、高精度絕對值編碼器、高精度增量式光電編碼器和伺服驅(qū)動器組成。驅(qū)動控制系統(tǒng)是基于TMS320F28335 DSP控制器和MATLAB/Simulink環(huán)境開發(fā)，為教學(xué)和科研提供優(yōu)越的開放性支撐。

機(jī)器人運(yùn)動學(xué)控制系統(tǒng)選用合動智能公司的cSPACE控 制 器，擁 有AD、DA、IO、Encoder、PWM、CAN、SPI等豐富的硬件外設(shè)接口，以及一套功能強(qiáng)大的監(jiān)控軟件。結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬和嵌入式實(shí)時控制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)快速控制原型（RCP）設(shè)計(jì)的功能，也是基于模型設(shè)計(jì)（MBD：Model-Based Design）典型的產(chǎn)品。

系統(tǒng)以圖形化的建模工具如MATLAB/Simulink對復(fù)雜邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、仿真，可視化程度高、思路清晰、目標(biāo)明確、簡單易懂，便于查找錯誤、維護(hù)方便（如圖 2所示）?？赏ㄟ^對MATLAB/Simulink對控制算法進(jìn)行仿真，將輸入、輸出接口替換為公司的cSPACE模塊，編譯并自動生成DSP代碼，在cSPACE上運(yùn)行后就能方便地實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制。同時系統(tǒng)還可運(yùn)行Simulink搭建的被控對象的模型，模擬被控對象，通過輸入接口接收控制量的輸入，輸出接口輸出被控對象的狀態(tài)，測試實(shí)際的控制器，實(shí)現(xiàn)硬件在回路仿真功能。在硬件設(shè)計(jì)的同時，軟件設(shè)計(jì)即可全面展開，大大縮短了開發(fā)周期。從軟件開發(fā)的第一步開始，工程師就可以通過自動代碼生成，觀察結(jié)果，調(diào)試邏輯，大大加快調(diào)試進(jìn)度。學(xué)生采用成熟工具，可以實(shí)現(xiàn)代碼自動生成，完全避免了手工編碼的低級錯誤。并且在設(shè)計(jì)修改后，極短時間內(nèi)即可重建系統(tǒng)軟件，而無須進(jìn)行多次反復(fù)測試采用建模工具及輔助設(shè)備，可以在模型建立后，立即實(shí)現(xiàn)快速原型仿真，用戶馬上可以看到設(shè)計(jì)運(yùn)行的結(jié)果，工具可以協(xié)助用戶及時修改需求，在最短的時間內(nèi)完善需求設(shè)計(jì)。

圖2基于MBD的六軸機(jī)械臂控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

三、虛實(shí)結(jié)合的機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程

機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中不可避免會與理想狀況產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致性能參數(shù)難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，往往需要對硬件系統(tǒng)反復(fù)進(jìn)行調(diào)試，不僅僅針對電控部分，還需要和機(jī)械部分進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，修正-調(diào)試不斷反復(fù)，特別是機(jī)電聯(lián)調(diào)非常麻煩?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)可以利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的仿真調(diào)試，數(shù)字孿生就是通過物理硬件（如軸承、機(jī)械臂、電機(jī)等）、自身嵌入式軟件系統(tǒng)及通信模塊，構(gòu)成含有“感知-分析-決策-執(zhí)行”數(shù)據(jù)自動流動的基本閉環(huán)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度的仿真過程，在虛擬空間中完成對物理實(shí)體的映射。可將物理實(shí)體和系統(tǒng)的屬性、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、性能、功能和行為映射到虛擬世界，通過將物理實(shí)體中的屬性、規(guī)律、知識等體現(xiàn)在數(shù)字虛體中，在實(shí)物機(jī)器人上安裝傳感器，在實(shí)驗(yàn)過程中，將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳遞到產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，通過對數(shù)字孿生模型進(jìn)行仿真和優(yōu)化，從而改進(jìn)和提升最終定型產(chǎn)品的性能[9-12]。在數(shù)字虛體中進(jìn)行計(jì)算、仿真、優(yōu)化等，并對物理實(shí)體進(jìn)行驅(qū)動，形成虛實(shí)融合的數(shù)字虛體-物理實(shí)體虛體。通過物理場景與虛擬場景設(shè)備的同步、異步監(jiān)測、控制與分析,實(shí)現(xiàn)虛擬仿真與現(xiàn)實(shí)運(yùn)動無縫結(jié)合，大大提高設(shè)計(jì)的效率，提升學(xué)生對系統(tǒng)控制過程的認(rèn)識深度。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程如下：首先通過Solidworks三維建模軟件建立六軸協(xié)作機(jī)器人三維數(shù)字模型（如圖3所示），將各個關(guān)節(jié)之間配合約束設(shè)成重合和同軸，同時將裝配體的初始狀態(tài)配置成建立D-H參數(shù)的狀態(tài)；其次把Solidworks三維模型導(dǎo)出為Simscape模型，在CSPACE控制器中建立Simulink控制模塊，配置各關(guān)節(jié)參數(shù)屬性，搭建驅(qū)動模型，編寫機(jī)器人運(yùn)動學(xué)算法，實(shí)現(xiàn)Simscape物理模型仿真。再將模型算法通過自動代碼生成到機(jī)械臂的控制芯片中，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)控制（如圖4）。

圖3數(shù)字虛體和物理實(shí)體間協(xié)同設(shè)計(jì)

圖4基于數(shù)字虛體的開發(fā)流程圖

四、結(jié)論

基于系統(tǒng)模型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，具有很好的開放性，可方便地進(jìn)行硬件擴(kuò)展，圖形化、在線修變量，自行編寫軟件代碼，可以在模型建立后，立即實(shí)現(xiàn)快速原型仿真，用戶馬上可以看到設(shè)計(jì)運(yùn)行的結(jié)果，工具可以協(xié)助用戶及時修改需求，在最短的時間內(nèi)完善需求設(shè)計(jì)，加快學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過虛實(shí)聯(lián)動，可得到矯正好的系統(tǒng)模型，提高仿真準(zhǔn)確性，在不需要建造實(shí)際系統(tǒng)的情況下，在仿真里測試了機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)控制，并通過物理實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證，減少實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的時間。六軸協(xié)作機(jī)械臂的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以讓學(xué)生了解機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動傳動、傳感器、控制器以及程序編寫的知識，讓學(xué)生更好地了解運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)建模與控制、精密軌跡控制，結(jié)合工程實(shí)踐理解環(huán)境、作業(yè)對象。