基于RoboDK 的機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

彭建盛，付 奎，徐 詠，葉和敏

（河池學(xué)院人工智能與制造學(xué)院，廣西 河池 546300）

0 引言

機(jī)器人課程是一門高度交叉的前沿學(xué)科，同時是人工智能及機(jī)器人工程專業(yè)的一門專業(yè)課[1]。在機(jī)器人相關(guān)課程的教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生動手能力是理論應(yīng)用于實(shí)際的主要途徑[2，3]。目前，在機(jī)器人學(xué)科中存在偏理論、弱實(shí)驗(yàn)的教學(xué)現(xiàn)象。多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)操作形象地理解和掌握所學(xué)的理論知識。但是，機(jī)器人場地和設(shè)備制約著教學(xué)需求，并極大影響著實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。此外，由于機(jī)器人設(shè)備體積大，不熟練的操作極可能對環(huán)境和操作人員造成一定傷害，因此實(shí)物實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中一直是個難點(diǎn)。為了解決上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，可以通過仿真軟件模擬真實(shí)機(jī)器人進(jìn)行操作。采用RoboDK 仿真軟件搭建機(jī)器人課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過創(chuàng)建品牌機(jī)器人或自行創(chuàng)建機(jī)器人模型，并編寫控制程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動控制?；赗oboDK 的仿真實(shí)驗(yàn)平臺可以方便學(xué)生復(fù)刻真實(shí)機(jī)器人進(jìn)行模擬，節(jié)省了教學(xué)中教師所需的大量時間，通過調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極并提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造的能力。

1 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足

隨著現(xiàn)代科技和社會的進(jìn)步，傳統(tǒng)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)不能滿足教學(xué)要求，存在著以下幾方面的問題：

1.1 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高

傳統(tǒng)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備購買費(fèi)用高，讓很多高校無法建立完善的機(jī)器人課程教學(xué)體系。由于學(xué)校自身?xiàng)l件的限制，導(dǎo)致實(shí)際的課程教學(xué)無法滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的需要，這也促使部分教師偏向于理論講解?？菰锏睦碚搶W(xué)習(xí)及理論和實(shí)踐的脫節(jié)影響學(xué)生在機(jī)器人課程上的積極性。由于設(shè)備普遍偏少，多數(shù)情況下學(xué)生需要以小組形式進(jìn)行實(shí)際的機(jī)器人操作，這嚴(yán)重限制了學(xué)生學(xué)習(xí)的效率和完整性。此外，在機(jī)器人操作過程中對環(huán)境和操作人員可能產(chǎn)生的危害也限制著實(shí)際機(jī)器人操作的可能性。

1.2 師資力量不足

在多數(shù)普通高校中，師資力量不足呈現(xiàn)常態(tài)化。多數(shù)高校的理論教學(xué)的老師都擔(dān)任著實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，并需要完成教學(xué)之外的科研工作。教學(xué)和科研的雙重壓力一直以來都是高校教師的所面臨的難題。此外，多門的教學(xué)任務(wù)也使得教師在教學(xué)中疲于奔命。師資力量的不足使得多數(shù)教師無法在日常教學(xué)中給予學(xué)生精準(zhǔn)輔導(dǎo)[4]。由于機(jī)器人教學(xué)設(shè)備的缺乏，學(xué)生學(xué)習(xí)之余需要長時間自學(xué)進(jìn)而解決理論和實(shí)踐上的疑惑。這些導(dǎo)致了教師在機(jī)器人相關(guān)課程的教學(xué)中難以開展。

1.3 傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容單一

傳統(tǒng)的機(jī)器人課程教學(xué)中，教師會將機(jī)器人所涉及的運(yùn)動控制相關(guān)知識進(jìn)行逐一講解，例如機(jī)器人D-H 參數(shù)、變換矩陣、運(yùn)動學(xué)等[5]。機(jī)器人課程教學(xué)的內(nèi)容繁雜，傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生被動接受“灌輸式”學(xué)習(xí)，缺乏創(chuàng)新設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)踐兩大能力。長期處于這種教學(xué)方式下將減少學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，易使學(xué)生陷入迷茫并產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

2 RoboDK 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

針對目前傳統(tǒng)機(jī)器人課程教學(xué)存在的上述問題，采用RoboDK 軟件設(shè)計(jì)機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。RoboDK 是一款強(qiáng)大的仿真軟件，其具有的強(qiáng)大功能使得它被廣泛應(yīng)用于教學(xué)和工業(yè)。RoboDK 支持各種機(jī)器人，包括日本的發(fā)那科（FANUC）機(jī)器人、德國的庫卡（KUKA）機(jī)器人、瑞典的ABB 機(jī)器人、日本的安川（YASKAWA）機(jī)器人等20 多個品牌。采用RoboDK 進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)能夠復(fù)刻真實(shí)的機(jī)器人進(jìn)行機(jī)器人操作，解決目前高校機(jī)器人課程所面臨的硬件資源不足等問題。采用RoboDK 虛擬仿真軟件，避免了實(shí)際機(jī)器人操作所面臨的安全性問題。

采用RoboDK 仿真軟件，其支持運(yùn)動學(xué)建模、軌跡規(guī)劃、機(jī)器人標(biāo)定和基于Python 的二次開發(fā)，學(xué)生在進(jìn)行機(jī)器人理論數(shù)據(jù)計(jì)算后可以通過快速搭建仿真機(jī)器人進(jìn)行驗(yàn)證。RoboDK 支持PC 電腦，學(xué)生可以共享相關(guān)工程給教師進(jìn)而快速解決自身所遇到的問題。

在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)中，不同難度的實(shí)驗(yàn)按階梯式設(shè)計(jì)，在完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)的同時掌握課程理論知識。RoboDK 還具有靈活的設(shè)計(jì)，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際需求自行創(chuàng)建機(jī)器人模型，可以進(jìn)一步制作實(shí)際的機(jī)器人與RoboDK 進(jìn)行實(shí)時操作。這可以激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣，將自己所學(xué)的知識運(yùn)用到實(shí)際，進(jìn)而提高對整個機(jī)器人課程的理解，并將其用于創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.1 機(jī)器人仿真內(nèi)容設(shè)計(jì)

機(jī)器人運(yùn)動控制是工業(yè)自動化和智能化中的重點(diǎn)研究問題之一，其場景可以是抓取、焊接、切割和噴涂等。在實(shí)際仿真中，機(jī)器人運(yùn)動控制仿真實(shí)例涉及新建工作站、創(chuàng)建程序、程序后處理和生成仿真視頻等步驟，具體仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)流程如圖1 所示。

圖1 機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)流程

仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)首先建立一個仿真的工作站，即相當(dāng)于建立一個工程。在工作站中可以添加各種機(jī)器人和添加各種工件。在此過程中，需要按設(shè)計(jì)對工件布局，并設(shè)置機(jī)器人初始狀態(tài)和添加機(jī)器人末端執(zhí)行器。在特殊場景下，可以使用自定義機(jī)器人結(jié)構(gòu)和工件。

RoboDK 支持Program 和Python 程序。Program 程序按步驟進(jìn)行添加已有的指令操作控制機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動，該方式適用于工作場景簡單機(jī)器人應(yīng)用。同樣地，Python 編程也需要設(shè)置一些參數(shù)，定義工作站中的對象，設(shè)置工具和工件坐標(biāo)系、速度和加速度、工件的初始位置。然后編寫機(jī)器人沿軌跡運(yùn)動目標(biāo)點(diǎn)以及添加夾爪的動作，在完成程序編寫后運(yùn)行仿真程序。

在調(diào)試部分，需進(jìn)一步檢測路徑規(guī)劃是否具有可達(dá)性，通過可達(dá)性問題的報(bào)告進(jìn)行程序路徑規(guī)劃的修改。路徑的可達(dá)并不能保證機(jī)器人在移動過程中不發(fā)生碰撞。因此，還需要進(jìn)行最后的機(jī)器人碰撞檢測，通過碰撞檢測結(jié)果完善最終的路徑規(guī)劃。

最終，程序調(diào)試成功后可導(dǎo)出離線程序和仿真視頻。此外，有條件還可以將導(dǎo)出的離散程序應(yīng)用到真實(shí)的機(jī)器人進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)際應(yīng)用效果，根據(jù)真實(shí)機(jī)器人的運(yùn)行效果進(jìn)行程序的修正。

2.2 機(jī)器人抓取仿真實(shí)例

仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)將所有實(shí)驗(yàn)按照階梯式原則設(shè)計(jì)，通過階梯式的項(xiàng)目設(shè)計(jì)逐漸增加難度，利用項(xiàng)目式仿真實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識，提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。學(xué)生首先從簡單的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)再逐漸完成復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，以圖2 所示的機(jī)器人定點(diǎn)抓取工件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為例，通過該實(shí)驗(yàn)學(xué)生了解如何在RoboDK 復(fù)刻實(shí)際的機(jī)器人模型，掌握機(jī)器人課程中所講述的坐標(biāo)系及相關(guān)變換知識、掌握相關(guān)的機(jī)器人編程語言。

圖2 機(jī)器人抓取仿真實(shí)例

圖2 展示了機(jī)器人簡單抓取仿真實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)需要完成對三種不同顏色的工件抓取后放置到盒子中。在對三維空間物體進(jìn)行抓取實(shí)驗(yàn)中，首先建立工作站并構(gòu)造抓取場景。在此基礎(chǔ)上，通過添加參考坐標(biāo)系設(shè)置機(jī)器人、紙盒以及各個顏色工件的相對位置。隨后創(chuàng)建Program 或Python 程序，通過不斷的調(diào)試逐一對藍(lán)色、綠色和紅色工件進(jìn)行抓取，最終將抓取到的工件放入所需要放置的盒子中。

更詳細(xì)來說，在抓取過程中首先逐一設(shè)置各個工件預(yù)抓取位置、抓取點(diǎn)位置、預(yù)放置位置和放置位置。一般地，通過鼠標(biāo)雙擊物體或者機(jī)器人獲取位置和姿態(tài)，并輸入相關(guān)數(shù)值改變物體的空間狀態(tài)。機(jī)器人的操作可以通過RoboDK 可視化操作界面進(jìn)行調(diào)節(jié)。機(jī)器人抓取點(diǎn)設(shè)置完成后，利用機(jī)器移動將軌跡連接起來即可。在此過程中，添加夾爪抓取/分離指令即可實(shí)現(xiàn)物體的抓取和放置。以圖3 抓取藍(lán)色工件為例，其部分不同位置的Program 程序如圖2 所示。為防止機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動過程中出現(xiàn)與其他物體碰撞，需要開啟碰撞檢測功能，如圖2 所示。類似地，可實(shí)現(xiàn)其他工件的抓取。在抓取的實(shí)際過程中，引導(dǎo)學(xué)生思考后續(xù)軌跡規(guī)劃及結(jié)合視覺的后續(xù)應(yīng)用等。通過由簡入繁的項(xiàng)目式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，并在此過程鞏固所學(xué)的理論知識。

圖3 藍(lán)色工件的抓取過程示意圖

3 RoboDK 仿真教學(xué)效果優(yōu)點(diǎn)

采用RoboDK 虛擬仿真平臺具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

（1）RoboDK 仿真軟件支持大多數(shù)機(jī)器人品牌，并支持導(dǎo)出多個品牌機(jī)器人程序，滿足日常教學(xué)需求。當(dāng)學(xué)生無法接觸到真實(shí)機(jī)器人時，該仿真軟件能夠提供較為真實(shí)的場景進(jìn)行模擬，這極大改善了高校機(jī)器人設(shè)備不足的缺點(diǎn)。

（2）基于RoboDK 搭建的仿真平臺提供了靈活的操作，通過提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，在課余時間學(xué)生可以通過仿真軟件自行研究，將所學(xué)的知識運(yùn)用到復(fù)刻的機(jī)器人上，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，推動和促進(jìn)機(jī)器人相關(guān)的課程的改革。

（3）RoboDK 仿真軟件支持自行創(chuàng)建機(jī)器人模型，學(xué)生可通過三維建模軟件自行設(shè)計(jì)機(jī)器人或場景搭建仿真平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此外，RoboDK 軟件支持Python二次開發(fā)，能夠快速提供應(yīng)用場景的解決方案，充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

4 結(jié)語

基于RoboDK 的機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)涉及機(jī)器人學(xué)理論知識、計(jì)算機(jī)編程和工程應(yīng)用。該仿真軟件克服了傳統(tǒng)機(jī)器人仿真軟件的缺點(diǎn)，并增加了開發(fā)設(shè)計(jì)的靈活度。該仿真軟件提供了多種品牌型號的機(jī)器人，能夠真實(shí)模擬機(jī)器人運(yùn)動，并且支持手動創(chuàng)建機(jī)器人?；赗oboDK 的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠使得學(xué)生享受學(xué)習(xí)機(jī)器人的樂趣并深刻地理解以及掌握機(jī)器人理論知識的仿真實(shí)際應(yīng)用。此外，RoboDK 強(qiáng)大的仿真功能使得教師在教學(xué)中達(dá)到事半功倍。