基于虚拟仿真技术的机器人课程教学研究
时间：2022-10-28 来源：博通范文网 本文已影响 人 
摘要：针对机器人课程教学中理论与实践脱节的问题，采用基于三维建模软件和工程数学软件建立虚拟仿真平台的方法，架起理论知识与机器人实体的桥梁，帮助学生能够快速地进入机器人课程的学习.首先介绍了机器人本门课程的相关特点与国内外关于机器人教学的现状，然后分析了目前在机器人教学中存在的一些问题，最后以典型的工业机器人为例，说明了采用虚拟仿真技术构建机器人本体的方法.希望该方法能够更好地激发学生学习机器人课程的兴趣，调动学生的积极性，提高教师传授机器人知识的效率.
关键词：机器人学;虚拟仿真;教学实践
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2019）01-0151-04
机器人是自动执行工作的机器装置，广泛应用于工业、军事、教育等，是社会经济发展的必然趋势，它的高速发展提高了社会生产水平和人类生活质量[1].对于机器人课程的建设，国内外机构建立了大量的研发团队和实验室，相关高校陆续开设了机器人学或机器人技术与应用等相关课程.但是，机器人教育目前还处于综合实践活动的层面，遇到了诸多制约，各种不成熟的表现越发明显.实践教学在机械工程专业学生的培养中占有极其重要的位置，但是机器人实验室是一个非常昂贵的机器人课程教学方式，导致学生缺乏接触实际试验的机会，理论知识不能与工程实践有效结合.基于虚拟仿真技术建立机器人可视化仿真平台可以为学生提供交互式实时仿真基础，以最低的成本帮助学生完成涉及机器人的课程和项目.同时，该平台能够更好地激发学生的创造力，调动学生学习的积极性.
本文借鉴国内外相关机械工程类本科生机器人课程体系建设，结合我国机械工程专业建设方向的具体实践，优化并完善机器人课程教学以适应学校机械工程专业办学方向.文中以典型工业机器人为例，结合三维绘图软件，并运用Matlab语言编制运算程序，建立机器人可视化运行仿真平台，可以实时显示机器人运动效果，以满足机器人课堂教学的需要.采用机器人理论知识与仿真再现本体运动的方法，使学生更能够理解和应用所学知识，为学校机械工程类本科生培养质量的提高打下良好基础.
1 机器人学课程特点
对于本科生而言，机器人课程是一门理论性非常强的课程.如果在课堂教学当中不传授机器人理论知识，而以讲授机器人应用为主，则必然导致学生失去获得机器人精华与本质知识的机会.因此，在机器人教学当中，不仅要重视机器人的应用，更应该重视机器人理论知识的传授.所以，传授机器人知识的过程中，不但要培养学生的学以致用的能力，更要培养学生从事物的本质出发，去分析问题和解决问题的能力.学习机器人这门课程之前，必须要进行机械原理与设计、力学、数值分析、电工电子、自动控制理论及传感技术等相关课程的学习，对学生的基础知识要求较高，特别是课程学习中复杂的数学推导，要求学生具有较深的高等数学基础.对于机器人的高超本领和高科技含量，学生是极有兴趣的，然而，要理解机器人根本原理，面对复杂而冗长的数学公式，无疑又是枯燥和乏味的.
2 教学情况
由于机器人应用的优越性，在社会生活生产的各个领域得到了广泛的应用.机器人课程承担着培养学生相关能力与提高其综合素质的任务，目前国内外工科高校相继建立了机器人学或机器人技术及应用课程.部分高校则开展了机器人相关的实践活动和竞赛，搭建以机器人为对象的教学平台建设，充分发挥机器人教育的优势.
2.1 国外教学现状
美国的机器人教学以团队项目为主，主要为了提高学生的项目管理、协作和交流能力.俄勒冈州立大学将TekBots机器人作为学习平台，在电工电子基础、计算机原理、机械设计、信号与系统、机械原理等课程中应用TekBots平台实现理论知识的仿真.学生可使用TekBots平台调试程序，观察程序在设备中运行的过程.日本的大学有高水平的教学机器人，主要参与机器人设计和制作大赛，培养较多机器人技术研究应用型人才，日本的机器人教育水平较高，机器人技术位于世界前列.与此同时，韩国增加机器人教学方面研究的投入，在机器人的教育方面取得了长足的发展.在新加坡国立教育学院举办的亚太地区ROBOLAB国际教育会议，采用多种方式讨论其对科技的影响及其机器人教育方面应用的交流，提高高校开展机器人教育平台的能力及教师开展机器人科研的水平能力.
2.2 国内教学现状
在我国，清华大学、国防科技大学、上海大学、东北大学、北京邮电大学、北京航空航天大学等学校陆续建立了机器人课程的教学，主要以授课为主，学校的机器人教学和各种相关活动相对独立.北京邮电大学为本科生开设了工业机器人技术课程和机器人系统综合性试验实验课[2];国防科技大学开设了机器人控制课程，为机械工程、自动化与仿真专业本科生设立了军用机器人技术这门课程，针对专业的特点加设了机器人设计研讨课，并组织学生参加相关机器人竞赛[3].东北大学赵姝颖提出用DIY思想推动机器人教育的研发和应用，将机器人教育内容化整为零[4].佛山职业技术学院提出校企合作、项目引领、课岗相融的人才培养模式，从事工业机器人生产及应用，培养从事工业机器人安装、编程、调试、运行维护等复合型高端技能人才[5].重庆文理学院面向汽车及装备制造等支柱产业和机器人、数控车床等高端智能装备战略新兴产业，组织了多种形式的机器人竞赛活动[6].各高校参加机器人比赛的数量逐年增加，但是相對于国外起步较晚，机器人课程教学中实验课时较少，少数大学设立有机器人实验室，教学策略和考核方式有待改进.因此为进一步提高教学效果与教学质量，结合学校自身的情况对机器人课程进行以培养兴趣为导向，以实践和创新为驱动的课程体系与教学改革迫在眉睫.
3 实践教学
机器人课程教学面向的对象为全体学生，因此在向学生普及相关知识的同时，也应作为一项技术课程传授给学生，以培养其创新意识、动手能力与运用知识去解决现实生产生活中遇到的问题的能力.机器人作为学习平台，已经慢慢应用于大学的课程中，在机器人课程教学过程当中，为了达到良好的教学效果，可以采用组织各式教学活动的方法来实现.
3.1 理论教学
机器人教学是一项系统的工程，应从课堂教学、生产实践、实验教学、专业课程设计、毕业实践、毕业设计等方面采用“分阶递进”的模式进行.我校在机械工程一级学科下面的机械设计专业和测控专业开设了机器人技术及应用课程.本门课程主要讲述机器人的基本概念、组成和应用，机器人的运动学，包括正运动学与逆运动学，机器人的轨迹规划，机器人控制，以及相关机器人的语言等，使本科生对工业机器人具有初步的认识.然而受条件的制约，机器人课程的实践教学课时相对较少.而机器人教学应是理论与实践相结合的一门课程，因此应该加大实践课时的量，使学生可以通过实践提高运用知识的能力.应逐步建立理论知识和实验实践的数据库，使学生可以得到完整的培训和训练.
3.2 教学存在的问题
3.2.1 课程内容枯燥、烦冗问题
当前偏重于机器人运动学和动力学，理论讲解多，内容较为抽象.缺乏机器人相关的知识内容，学生的兴趣不高，无法建立相关知识体系.对数学功底要求高，传统课程没有引进诸如MATLAB之类软件，给同学带来了很多的计算负担，产生逆反情绪，很多同学反映跟预想中的机器人课程大相径庭，教学效果不好.
3.2.2 采用传统教学方法老套问题
在机器人课程教学上普遍采用灌输式教学方法，过于偏重老师的讲授，教学效果不好，不利于学生综合能力的培养.教学形式单一，目前机器人教学活动面向的对象极为有限，范围比较窄，并且缺乏持续性.
3.2.3 实践与教学脱节问题
现在机器人器材的高投入，让很多学校望而却步.由于学校自身条件的限制，无法向学生提供相关实验室，缺少必要的实践环节，难以满足众多学生对实验的需要.导致所学理论與实践环节脱节，有些技术问题只是停留在纸面上.对于没有接触过机器人特别是工业机械臂的学生而言，最初有可能比较惧怕，担心操作时损坏机器人或人身受到危险.这些导致了学生学习兴趣的降低，不利于学生独立思考、实践和创新能力的培养.
基于以上问题，笔者认为教师应该改变传统的教学方式，避免纯理论的空洞化教学，将理论与实践相结合，同时降低教学用机器人成本.把机器人仿真平台引入机器人教学课堂，使教师的课堂教学将更具有针对性和实效性，该方案投资较少，实施方便，能够满足科研与教学对机器人仿真程序的需求.
3.3 机器人可视化平台的构建
构建教学和科研共享虚拟仿真实验平台，以提高学生在机器人工程中的应用能力.本文以典型的工业机器人（川崎FS03N机械臂）为例，如图1所示.首先在SolidWorks或任一种三维建模软件中绘制机械臂本体的各个部件，而后进行装配，以得到装配体，可以简单地观察到各杆件的运动情况，然而却无法知道其杆件随运坐标系的运动情况.因此再将各部件按运动方式进行拆分，采用三维软件中坐标系工具，运用DH法对各个拆分后的杆件进行坐标系重建，新建的坐标系如图2所示，完成装配后的本体坐标系如图3所示.通过在三维软件中，拖拽各杆件，可以清楚地看到各坐标系随杆件运动的情况，使学生更加清晰地理解连杆坐标系的原理.
重新建立机械臂的部件坐标系后，为了实现对机械臂本体进行控制，需要将其导入MATLAB软件中进行装配组合.因为MATLAB软件无法直接识别SolidWorks的图形文件，所以需要将机器人的三维模型转换格式.本文将机械臂的模型文件保存为MATLAB可以识别的STL文件，通过编制相关程序便可以实现模型的导入，将模型导入后通过使用patch函数可以实现3D模型的显示，相关程序函数为：
function[fout，vout，cout]= stlread （ filename）
handle=patch（"Vertices"，propertyvalue ，"Faces" ，propertyvalue ……）
程序执行后，可以直观地观察到机器人本体及其运动情况，如下图4所示.
该虚拟仿真平台可完美再现机械臂的运动特性，通过平台的文本框，可以实现对机械臂的运动控制，可以使学生更加深刻地了解到机械臂的动作情况，进一步编写相关程序，可以实现对机械臂的速度和加速度的控制，这样便将学生学习的机器人技术运动学、机械数字化技术、工程数学软件等学科有机的结合并应用起来，更能提高学生学习科学知识和相关软件的兴趣，提高学生学习的积极主动性.
3.4 机器人虚拟仿真平台教学的优点
建立机器人虚拟仿真平台有以下几个优点：
（1）本文采用的三维虚拟仿真平台构建机械臂的新方法，基于MATLAB的GUI交互设计和数值计算能力，充分集成了三维建模软件SolidWorks、机器人工具箱和三维图形显示技术，有效地避免各个模块在导入世界坐标系中乱序的问题，是初学者的好工具.
（2）该方法使用机器人工具箱可以实现对底层程序的操作，通过直接加入相应函数可以避免编制不必要的程序.可以省略机器人基本运算过程，学生有更多的时间学习其他课程.开发的仿真程序具有开放式的机械臂类型，适用于所有结构机械臂三维虚拟仿真平台的构建，充分满足教学和科研应用的需要.
（3）该方法有利于机器人学的教学和学习，帮助学生理解各个学科之间的联系，加强课程连贯性.机器人3D交互可视化平台提供一个工程实践的模拟环境，当学生不能接触到实际的机器人时，使用这种方法可以进行接近真实的运动模拟和动画，使概念变得具体，为学生提供动手操作的空间.
（4）经过仿真验证的实践，在教学过程中加入了计算机仿真操作，提供学生更多寻求解决问题的办法，提高学生学习机器人课程的兴趣，拓展学生的知识面，激发机械类本科生学习机器人课程的主观能动性，提高学生分析解决问题的能力，加强团队协作意识以及人与人的沟通能力，推动和促进机器人创新实践课程的改革.
4 结论
在分析机器人课程特点及国内外机器人教学的基础上，提出了采用建立机器人虚拟仿真平台的方法，以填补机器人课程纯理论教学与机器人实践教学之间的空白，提高学生学习机器人课程的兴趣与主观能动性.然而，机器人教育在我国尚处于起始阶段，机器人课程体系并不完善，需要加强机器人教育专业教师队伍的建设，加强本科用机器人实验室建设，使更多的教师、学生从事机器人科学研究、学科竞赛，开展项目研究，以使学生系统地学到机器人知识.
参考文献：
〔1〕熊有伦，唐立辛，丁汉，等.机器人技术基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2008.
〔2〕魏世民.北京邮电大学机器人教学与竞赛实践[J].北京：机器人技术与应用，21（5）：31-33.
〔3〕王剑，马宏绪，黄茜薇，刘建平.关于本科教育机器人教学的思考[J].电气电子教学学报，2011，33（02）：19-21.
〔4〕赵姝颖，张云洲，余建德，张渡.机器人在教育领域应用的探索与实践[J].机器人技术与应用，2016（1）.
〔5〕罗庚兴，李大成.基于产业需求的高职工业机器人技术专业人才培养研究-以佛山市为例[J].职业教育研究，2016（8）.
〔6〕谷明信.机器人教育在应用型本科院校的实践与探究——以重庆文理学院为例[J].教育教学论坛，2017（31）：121-122.
