李憲華 石雪松 盛蕊 于清波 張軍

摘要：針對(duì)機(jī)器人課程教學(xué)中理論與實(shí)踐脫節(jié)的問題，采用基于三維建模軟件和工程數(shù)學(xué)軟件建立虛擬仿真平臺(tái)的方法，架起理論知識(shí)與機(jī)器人實(shí)體的橋梁，幫助學(xué)生能夠快速地進(jìn)入機(jī)器人課程的學(xué)習(xí).首先介紹了機(jī)器人本門課程的相關(guān)特點(diǎn)與國(guó)內(nèi)外關(guān)于機(jī)器人教學(xué)的現(xiàn)狀，然后分析了目前在機(jī)器人教學(xué)中存在的一些問題，最后以典型的工業(yè)機(jī)器人為例，說(shuō)明了采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建機(jī)器人本體的方法.希望該方法能夠更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人課程的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高教師傳授機(jī)器人知識(shí)的效率.

關(guān)鍵詞：機(jī)器人學(xué);虛擬仿真;教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）01-0151-04

機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、教育等，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，它的高速發(fā)展提高了社會(huì)生產(chǎn)水平和人類生活質(zhì)量[1].對(duì)于機(jī)器人課程的建設(shè)，國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)建立了大量的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和實(shí)驗(yàn)室，相關(guān)高校陸續(xù)開設(shè)了機(jī)器人學(xué)或機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用等相關(guān)課程.但是，機(jī)器人教育目前還處于綜合實(shí)踐活動(dòng)的層面，遇到了諸多制約，各種不成熟的表現(xiàn)越發(fā)明顯.實(shí)踐教學(xué)在機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)中占有極其重要的位置，但是機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)非常昂貴的機(jī)器人課程教學(xué)方式，導(dǎo)致學(xué)生缺乏接觸實(shí)際試驗(yàn)的機(jī)會(huì)，理論知識(shí)不能與工程實(shí)踐有效結(jié)合.基于虛擬仿真技術(shù)建立機(jī)器人可視化仿真平臺(tái)可以為學(xué)生提供交互式實(shí)時(shí)仿真基礎(chǔ)，以最低的成本幫助學(xué)生完成涉及機(jī)器人的課程和項(xiàng)目.同時(shí)，該平臺(tái)能夠更好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.

本文借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)械工程類本科生機(jī)器人課程體系建設(shè)，結(jié)合我國(guó)機(jī)械工程專業(yè)建設(shè)方向的具體實(shí)踐，優(yōu)化并完善機(jī)器人課程教學(xué)以適應(yīng)學(xué)校機(jī)械工程專業(yè)辦學(xué)方向.文中以典型工業(yè)機(jī)器人為例，結(jié)合三維繪圖軟件，并運(yùn)用Matlab語(yǔ)言編制運(yùn)算程序，建立機(jī)器人可視化運(yùn)行仿真平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效果，以滿足機(jī)器人課堂教學(xué)的需要.采用機(jī)器人理論知識(shí)與仿真再現(xiàn)本體運(yùn)動(dòng)的方法，使學(xué)生更能夠理解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，為學(xué)校機(jī)械工程類本科生培養(yǎng)質(zhì)量的提高打下良好基礎(chǔ).

1 機(jī)器人學(xué)課程特點(diǎn)

對(duì)于本科生而言，機(jī)器人課程是一門理論性非常強(qiáng)的課程.如果在課堂教學(xué)當(dāng)中不傳授機(jī)器人理論知識(shí)，而以講授機(jī)器人應(yīng)用為主，則必然導(dǎo)致學(xué)生失去獲得機(jī)器人精華與本質(zhì)知識(shí)的機(jī)會(huì).因此，在機(jī)器人教學(xué)當(dāng)中，不僅要重視機(jī)器人的應(yīng)用，更應(yīng)該重視機(jī)器人理論知識(shí)的傳授.所以，傳授機(jī)器人知識(shí)的過程中，不但要培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)以致用的能力，更要培養(yǎng)學(xué)生從事物的本質(zhì)出發(fā)，去分析問題和解決問題的能力.學(xué)習(xí)機(jī)器人這門課程之前，必須要進(jìn)行機(jī)械原理與設(shè)計(jì)、力學(xué)、數(shù)值分析、電工電子、自動(dòng)控制理論及傳感技術(shù)等相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)要求較高，特別是課程學(xué)習(xí)中復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，要求學(xué)生具有較深的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ).對(duì)于機(jī)器人的高超本領(lǐng)和高科技含量，學(xué)生是極有興趣的，然而，要理解機(jī)器人根本原理，面對(duì)復(fù)雜而冗長(zhǎng)的數(shù)學(xué)公式，無(wú)疑又是枯燥和乏味的.

2 教學(xué)情況

由于機(jī)器人應(yīng)用的優(yōu)越性，在社會(huì)生活生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.機(jī)器人課程承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)能力與提高其綜合素質(zhì)的任務(wù)，目前國(guó)內(nèi)外工科高校相繼建立了機(jī)器人學(xué)或機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用課程.部分高校則開展了機(jī)器人相關(guān)的實(shí)踐活動(dòng)和競(jìng)賽，搭建以機(jī)器人為對(duì)象的教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，充分發(fā)揮機(jī)器人教育的優(yōu)勢(shì).

2.1 國(guó)外教學(xué)現(xiàn)狀

美國(guó)的機(jī)器人教學(xué)以團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目為主，主要為了提高學(xué)生的項(xiàng)目管理、協(xié)作和交流能力.俄勒岡州立大學(xué)將TekBots機(jī)器人作為學(xué)習(xí)平臺(tái)，在電工電子基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、信號(hào)與系統(tǒng)、機(jī)械原理等課程中應(yīng)用TekBots平臺(tái)實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)的仿真.學(xué)生可使用TekBots平臺(tái)調(diào)試程序，觀察程序在設(shè)備中運(yùn)行的過程.日本的大學(xué)有高水平的教學(xué)機(jī)器人，主要參與機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作大賽，培養(yǎng)較多機(jī)器人技術(shù)研究應(yīng)用型人才，日本的機(jī)器人教育水平較高，機(jī)器人技術(shù)位于世界前列.與此同時(shí)，韓國(guó)增加機(jī)器人教學(xué)方面研究的投入，在機(jī)器人的教育方面取得了長(zhǎng)足的發(fā)展.在新加坡國(guó)立教育學(xué)院舉辦的亞太地區(qū)ROBOLAB國(guó)際教育會(huì)議，采用多種方式討論其對(duì)科技的影響及其機(jī)器人教育方面應(yīng)用的交流，提高高校開展機(jī)器人教育平臺(tái)的能力及教師開展機(jī)器人科研的水平能力.

2.2 國(guó)內(nèi)教學(xué)現(xiàn)狀

在我國(guó)，清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、上海大學(xué)、東北大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等學(xué)校陸續(xù)建立了機(jī)器人課程的教學(xué)，主要以授課為主，學(xué)校的機(jī)器人教學(xué)和各種相關(guān)活動(dòng)相對(duì)獨(dú)立.北京郵電大學(xué)為本科生開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程和機(jī)器人系統(tǒng)綜合性試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)課[2];國(guó)防科技大學(xué)開設(shè)了機(jī)器人控制課程，為機(jī)械工程、自動(dòng)化與仿真專業(yè)本科生設(shè)立了軍用機(jī)器人技術(shù)這門課程，針對(duì)專業(yè)的特點(diǎn)加設(shè)了機(jī)器人設(shè)計(jì)研討課，并組織學(xué)生參加相關(guān)機(jī)器人競(jìng)賽[3].東北大學(xué)趙姝穎提出用DIY思想推動(dòng)機(jī)器人教育的研發(fā)和應(yīng)用，將機(jī)器人教育內(nèi)容化整為零[4].佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院提出校企合作、項(xiàng)目引領(lǐng)、課崗相融的人才培養(yǎng)模式，從事工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)及應(yīng)用，培養(yǎng)從事工業(yè)機(jī)器人安裝、編程、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)等復(fù)合型高端技能人才[5].重慶文理學(xué)院面向汽車及裝備制造等支柱產(chǎn)業(yè)和機(jī)器人、數(shù)控車床等高端智能裝備戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，組織了多種形式的機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)[6].各高校參加機(jī)器人比賽的數(shù)量逐年增加，但是相對(duì)于國(guó)外起步較晚，機(jī)器人課程教學(xué)中實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少，少數(shù)大學(xué)設(shè)立有機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，教學(xué)策略和考核方式有待改進(jìn).因此為進(jìn)一步提高教學(xué)效果與教學(xué)質(zhì)量，結(jié)合學(xué)校自身的情況對(duì)機(jī)器人課程進(jìn)行以培養(yǎng)興趣為導(dǎo)向，以實(shí)踐和創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)的課程體系與教學(xué)改革迫在眉睫.

3 實(shí)踐教學(xué)

機(jī)器人課程教學(xué)面向的對(duì)象為全體學(xué)生，因此在向?qū)W生普及相關(guān)知識(shí)的同時(shí)，也應(yīng)作為一項(xiàng)技術(shù)課程傳授給學(xué)生，以培養(yǎng)其創(chuàng)新意識(shí)、動(dòng)手能力與運(yùn)用知識(shí)去解決現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中遇到的問題的能力.機(jī)器人作為學(xué)習(xí)平臺(tái)，已經(jīng)慢慢應(yīng)用于大學(xué)的課程中，在機(jī)器人課程教學(xué)過程當(dāng)中，為了達(dá)到良好的教學(xué)效果，可以采用組織各式教學(xué)活動(dòng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn).

3.1 理論教學(xué)

機(jī)器人教學(xué)是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程，應(yīng)從課堂教學(xué)、生產(chǎn)實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、專業(yè)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)等方面采用“分階遞進(jìn)”的模式進(jìn)行.我校在機(jī)械工程一級(jí)學(xué)科下面的機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)和測(cè)控專業(yè)開設(shè)了機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用課程.本門課程主要講述機(jī)器人的基本概念、組成和應(yīng)用，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)，包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)與逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，機(jī)器人的軌跡規(guī)劃，機(jī)器人控制，以及相關(guān)機(jī)器人的語(yǔ)言等，使本科生對(duì)工業(yè)機(jī)器人具有初步的認(rèn)識(shí).然而受條件的制約，機(jī)器人課程的實(shí)踐教學(xué)課時(shí)相對(duì)較少.而機(jī)器人教學(xué)應(yīng)是理論與實(shí)踐相結(jié)合的一門課程，因此應(yīng)該加大實(shí)踐課時(shí)的量，使學(xué)生可以通過實(shí)踐提高運(yùn)用知識(shí)的能力.應(yīng)逐步建立理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的數(shù)據(jù)庫(kù)，使學(xué)生可以得到完整的培訓(xùn)和訓(xùn)練.

3.2 教學(xué)存在的問題

3.2.1 課程內(nèi)容枯燥、煩冗問題

當(dāng)前偏重于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，理論講解多，內(nèi)容較為抽象.缺乏機(jī)器人相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容，學(xué)生的興趣不高，無(wú)法建立相關(guān)知識(shí)體系.對(duì)數(shù)學(xué)功底要求高，傳統(tǒng)課程沒有引進(jìn)諸如MATLAB之類軟件，給同學(xué)帶來(lái)了很多的計(jì)算負(fù)擔(dān)，產(chǎn)生逆反情緒，很多同學(xué)反映跟預(yù)想中的機(jī)器人課程大相徑庭，教學(xué)效果不好.

3.2.2 采用傳統(tǒng)教學(xué)方法老套問題

在機(jī)器人課程教學(xué)上普遍采用灌輸式教學(xué)方法，過于偏重老師的講授，教學(xué)效果不好，不利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng).教學(xué)形式單一，目前機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)面向的對(duì)象極為有限，范圍比較窄，并且缺乏持續(xù)性.

3.2.3 實(shí)踐與教學(xué)脫節(jié)問題

現(xiàn)在機(jī)器人器材的高投入，讓很多學(xué)校望而卻步.由于學(xué)校自身?xiàng)l件的限制，無(wú)法向?qū)W生提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，缺少必要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，難以滿足眾多學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的需要.導(dǎo)致所學(xué)理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)，有些技術(shù)問題只是停留在紙面上.對(duì)于沒有接觸過機(jī)器人特別是工業(yè)機(jī)械臂的學(xué)生而言，最初有可能比較懼怕，擔(dān)心操作時(shí)損壞機(jī)器人或人身受到危險(xiǎn).這些導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的降低，不利于學(xué)生獨(dú)立思考、實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

基于以上問題，筆者認(rèn)為教師應(yīng)該改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，避免純理論的空洞化教學(xué)，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，同時(shí)降低教學(xué)用機(jī)器人成本.把機(jī)器人仿真平臺(tái)引入機(jī)器人教學(xué)課堂，使教師的課堂教學(xué)將更具有針對(duì)性和實(shí)效性，該方案投資較少，實(shí)施方便，能夠滿足科研與教學(xué)對(duì)機(jī)器人仿真程序的需求.

3.3 機(jī)器人可視化平臺(tái)的構(gòu)建

構(gòu)建教學(xué)和科研共享虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以提高學(xué)生在機(jī)器人工程中的應(yīng)用能力.本文以典型的工業(yè)機(jī)器人（川崎FS03N機(jī)械臂）為例，如圖1所示.首先在SolidWorks或任一種三維建模軟件中繪制機(jī)械臂本體的各個(gè)部件，而后進(jìn)行裝配，以得到裝配體，可以簡(jiǎn)單地觀察到各桿件的運(yùn)動(dòng)情況，然而卻無(wú)法知道其桿件隨運(yùn)坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)情況.因此再將各部件按運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行拆分，采用三維軟件中坐標(biāo)系工具，運(yùn)用DH法對(duì)各個(gè)拆分后的桿件進(jìn)行坐標(biāo)系重建，新建的坐標(biāo)系如圖2所示，完成裝配后的本體坐標(biāo)系如圖3所示.通過在三維軟件中，拖拽各桿件，可以清楚地看到各坐標(biāo)系隨桿件運(yùn)動(dòng)的情況，使學(xué)生更加清晰地理解連桿坐標(biāo)系的原理.

重新建立機(jī)械臂的部件坐標(biāo)系后，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂本體進(jìn)行控制，需要將其導(dǎo)入MATLAB軟件中進(jìn)行裝配組合.因?yàn)镸ATLAB軟件無(wú)法直接識(shí)別SolidWorks的圖形文件，所以需要將機(jī)器人的三維模型轉(zhuǎn)換格式.本文將機(jī)械臂的模型文件保存為MATLAB可以識(shí)別的STL文件，通過編制相關(guān)程序便可以實(shí)現(xiàn)模型的導(dǎo)入，將模型導(dǎo)入后通過使用patch函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)3D模型的顯示，相關(guān)程序函數(shù)為：

function[fout，vout，cout]= stlread （ filename）

handle=patch（'Vertices'，propertyvalue ，'Faces' ，propertyvalue? ……）

程序執(zhí)行后，可以直觀地觀察到機(jī)器人本體及其運(yùn)動(dòng)情況，如下圖4所示.

該虛擬仿真平臺(tái)可完美再現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)特性，通過平臺(tái)的文本框，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，可以使學(xué)生更加深刻地了解到機(jī)械臂的動(dòng)作情況，進(jìn)一步編寫相關(guān)程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的速度和加速度的控制，這樣便將學(xué)生學(xué)習(xí)的機(jī)器人技術(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)械數(shù)字化技術(shù)、工程數(shù)學(xué)軟件等學(xué)科有機(jī)的結(jié)合并應(yīng)用起來(lái)，更能提高學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)和相關(guān)軟件的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性.

3.4 機(jī)器人虛擬仿真平臺(tái)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

建立機(jī)器人虛擬仿真平臺(tái)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）本文采用的三維虛擬仿真平臺(tái)構(gòu)建機(jī)械臂的新方法，基于MATLAB的GUI交互設(shè)計(jì)和數(shù)值計(jì)算能力，充分集成了三維建模軟件SolidWorks、機(jī)器人工具箱和三維圖形顯示技術(shù)，有效地避免各個(gè)模塊在導(dǎo)入世界坐標(biāo)系中亂序的問題，是初學(xué)者的好工具.

（2）該方法使用機(jī)器人工具箱可以實(shí)現(xiàn)對(duì)底層程序的操作，通過直接加入相應(yīng)函數(shù)可以避免編制不必要的程序.可以省略機(jī)器人基本運(yùn)算過程，學(xué)生有更多的時(shí)間學(xué)習(xí)其他課程.開發(fā)的仿真程序具有開放式的機(jī)械臂類型，適用于所有結(jié)構(gòu)機(jī)械臂三維虛擬仿真平臺(tái)的構(gòu)建，充分滿足教學(xué)和科研應(yīng)用的需要.

（3）該方法有利于機(jī)器人學(xué)的教學(xué)和學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生理解各個(gè)學(xué)科之間的聯(lián)系，加強(qiáng)課程連貫性.機(jī)器人3D交互可視化平臺(tái)提供一個(gè)工程實(shí)踐的模擬環(huán)境，當(dāng)學(xué)生不能接觸到實(shí)際的機(jī)器人時(shí)，使用這種方法可以進(jìn)行接近真實(shí)的運(yùn)動(dòng)模擬和動(dòng)畫，使概念變得具體，為學(xué)生提供動(dòng)手操作的空間.

（4）經(jīng)過仿真驗(yàn)證的實(shí)踐，在教學(xué)過程中加入了計(jì)算機(jī)仿真操作，提供學(xué)生更多尋求解決問題的辦法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人課程的興趣，拓展學(xué)生的知識(shí)面，激發(fā)機(jī)械類本科生學(xué)習(xí)機(jī)器人課程的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生分析解決問題的能力，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)以及人與人的溝通能力，推動(dòng)和促進(jìn)機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐課程的改革.

4 結(jié)論

在分析機(jī)器人課程特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外機(jī)器人教學(xué)的基礎(chǔ)上，提出了采用建立機(jī)器人虛擬仿真平臺(tái)的方法，以填補(bǔ)機(jī)器人課程純理論教學(xué)與機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)之間的空白，提高學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人課程的興趣與主觀能動(dòng)性.然而，機(jī)器人教育在我國(guó)尚處于起始階段，機(jī)器人課程體系并不完善，需要加強(qiáng)機(jī)器人教育專業(yè)教師隊(duì)伍的建設(shè)，加強(qiáng)本科用機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，使更多的教師、學(xué)生從事機(jī)器人科學(xué)研究、學(xué)科競(jìng)賽，開展項(xiàng)目研究，以使學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)到機(jī)器人知識(shí).

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