張 俞 夏寶平

(貴州開放大學 貴陽 550004)

2020年9月,教育部印發(fā)的《國家開放大學綜合改革方案》提出,“使國家開放大學成為我國終身教育的主要平臺、在線教育的主要平臺和靈活教育的平臺、對外合作的平臺,成為服務全民終身學習的重要力量和技能社會的有力支撐”[1],這標志著國家開放大學進入改革發(fā)展的新階段?，F(xiàn)階段,培養(yǎng)具備工程實踐能力、創(chuàng)新能力以及國際競爭力的人才是對當前高等工程教育改革提出的迫切要求。在“互聯(lián)網(wǎng)+”教育背景下,將數(shù)字孿生技術與課程教學深度融合,加大虛擬仿真實訓平臺建設,能有效將課程講授與智能制造實操相結(jié)合,既能滿足國內(nèi)當下對智能制造技術人才的培養(yǎng)需求,切實推動傳統(tǒng)教學育人方式變革,又能契合開放教育的教學需求,同時為本科教育、高職教育的相關專業(yè)學生提供優(yōu)質(zhì)的線上和線下教學服務。

在教學方面,基于Smart智能機械臂的數(shù)字孿生虛擬仿真實訓平臺,搭建起虛擬仿真與實物實驗的橋梁,突破了時間、地域的限制,可以在最大程度上克服開放教育的學生無法到實驗室完成傳統(tǒng)實驗的各種限制,極大地提高了學生參與實訓的積極性。學生只需要登錄賬號進入Smart數(shù)字孿生虛擬仿真平臺,便能通過電腦觀察演示實驗,不僅可以遠程操作機械臂做實物實驗,還可以操作Smart數(shù)字孿生體做虛實結(jié)合的實驗,同時在數(shù)字孿生環(huán)境中進行訓練可以避免因操作不熟練給學生帶來的傷害和對設備產(chǎn)生的損壞,能夠增加學生參與工程綜合和創(chuàng)新項目的機會,全面提高學生的工程綜合與創(chuàng)新能力[2]。

為有效解決開放教育遠程實訓的困境,進一步促進實驗教學的信息化、網(wǎng)絡化和智能化,筆者以所在學院人工智能專業(yè)的工業(yè)機器人Smart智能機械臂為物理模型,構(gòu)建數(shù)字孿生仿真實訓平臺模型,創(chuàng)設真實的工業(yè)機器人工作場景,并基于數(shù)字孿生體的工業(yè)仿真技術,融合大數(shù)據(jù)技術、人工智能技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和5G通信技術,通過虛擬仿真平臺,采用虛實結(jié)合的手段實現(xiàn)對機械臂的控制。這樣,學生不僅能做純虛擬仿真實驗,也能做純實物實驗,還能做虛實結(jié)合的實驗,他們可以通過在線學習的方式理解并掌握機械臂從三維建模、測試優(yōu)化到數(shù)據(jù)采集、故障檢測的全過程。

一、開放教育實訓教學現(xiàn)狀

開放教育是一種基于靈活性、開放性、交互性的教育模式,已成為我國實現(xiàn)高等教育大眾化、構(gòu)建終身教育體系和學習型社會的重要途徑之一[3]。實訓教學作為開放教育中重要的教育教學環(huán)節(jié),是實現(xiàn)現(xiàn)代開放教育人才培養(yǎng)目標的重要手段,其目的是通過培養(yǎng)學生動手實操能力增強他們解決實際問題的能力,進而提高開放教育教學質(zhì)量。

由于受時間、地域的限制,以理論講授為主的傳統(tǒng)實訓模式構(gòu)成了當前開放教育實訓環(huán)節(jié)的主要形式。教師通過虛擬仿真技術創(chuàng)建逼真的實訓模擬場景,向?qū)W生發(fā)放實訓任務,要求學生盡可能在模擬的實訓場景中完成實訓任務,雖然這種實訓方式在一定程度上也能促使學生完成任務訓練,但是受實體設備不足、教學評價不完善、監(jiān)控力度不夠、信息化應用技能欠缺等綜合因素影響,很難評價學生是否能按照教學目標完成實訓任務,不僅影響了學生的在線學習體驗,也難以有效提升學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力[4]。

目前,高校實驗室作為培養(yǎng)學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的重要場所,在遠程教育教學實踐過程中并沒有發(fā)揮出應有的作用,并且還存在一些問題。例如,部分儀器占地面積大且危險性高,不允許缺乏實際經(jīng)驗的學生進行建設、安裝、調(diào)試和測試等操作;有的實驗室只有虛擬仿真實驗平臺,無真實的設備與之對照,學生不能體驗真實的交互過程;部分學校實驗場地資源緊缺,無法滿足多名學生同時進行實驗的要求。在這樣的背景條件下,學生的實操能力無法得到充分的鍛煉,理論學習與實際操作嚴重脫節(jié)[5]。

二、數(shù)字孿生平臺模型構(gòu)建

(一)基本概念

1.數(shù)字孿生

數(shù)字孿生(Digital Twin)最初由美國密歇根大學Michael Grieves教授提出,是指以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體虛擬模型,通過空間變換映射、虛實反饋交互、數(shù)據(jù)融合分析、檢測判斷評價、決策迭代優(yōu)化等手段,全面、精準、高效、智能地展示物理實體在現(xiàn)實環(huán)境、全生命周期的過程行為。作為具有巨大顛覆性和快速突破性的技術,數(shù)字孿生已從新興狀態(tài)逐漸向更有廣度、更有深度的方向發(fā)展,被Gartner公司列為戰(zhàn)略性技術[4]27。

數(shù)字孿生技術在教學過程中多種場景的應用和數(shù)據(jù)閉環(huán)的整合,破解了虛擬空間的大數(shù)據(jù)障礙;多場域的知識空間復現(xiàn),有效解決了現(xiàn)實環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)困境;多維可視、親和力強的具象節(jié)點特征,順應了人工智能的新時代挑戰(zhàn)[4]28。

2.數(shù)字孿生體

2009年,美國國防部的高級研究計劃局(DARPA)正式提出數(shù)字孿生體這個概念,他們認為,這是一套能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界和數(shù)字空間交互的新技術范式。2012年,美國國家航空航天局與美國空軍聯(lián)合發(fā)表了關于數(shù)字孿生體的論文,把它列為驅(qū)動未來發(fā)展的關鍵技術之一。最早的時候,數(shù)字孿生體主要應用于航空航天領域,后來拓展到了工業(yè)、醫(yī)療、城市管理等多個領域。

數(shù)字孿生是指充分運用物理模型、傳感器、運作歷史等數(shù)據(jù),集成多學科、多尺度、多物理量、多概率的模擬仿真全過程,在虛擬空間中完成映射,進而反映相對應實體設備生命周期全過程,可以有效解決傳統(tǒng)實驗分析下成本較高、流程復雜、耗時較長等方面的問題。簡而言之,可將數(shù)字孿生體看作關聯(lián)密切、互相依賴的裝備的數(shù)字化映射系統(tǒng)。相較于以往的可視化等系統(tǒng),數(shù)字孿生體并不是單純的數(shù)字化展示,而是將數(shù)字虛體與物理實體進行有機結(jié)合,通過數(shù)據(jù)信息,模擬實體在現(xiàn)實環(huán)境中的實際情況,實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實交互,而且還能夠進一步展開數(shù)據(jù)融合分析,實現(xiàn)相應設計、生產(chǎn)流程以及產(chǎn)品的優(yōu)化管理,在保障管理效率、質(zhì)量的同時,也能夠減少資源成本消耗[6]。

3.虛擬仿真

虛擬仿真又稱虛擬現(xiàn)實技術或模擬技術,是用一個虛擬系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術,從狹義上講,虛擬仿真是指20世紀40年代伴隨著計算機技術的發(fā)展而逐步形成的一類試驗研究的新技術。由于計算機技術的發(fā)展,仿真技術逐步自成體系,成為繼數(shù)學推理、科學實驗之后人類認識自然界客觀規(guī)律的第三類基本方法,而且正在發(fā)展成為人類認識、改造和創(chuàng)造客觀世界的一項通用性、戰(zhàn)略性技術[7]。

4.Smart智能機械臂

如圖1所示,Smart智能機械臂是一款串聯(lián)型、多關節(jié)、桌面級機械臂,全金屬結(jié)構(gòu)件配合良好的工業(yè)設計造型,具備3個以上自由度,主體結(jié)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)底座、大臂、小臂、末端夾具和獨立的控制器組成。Smart機械臂結(jié)合BrobotStudio軟件使用,可以實現(xiàn)寫字畫畫、激光雕刻、示教再現(xiàn)、視覺分揀等功能;所提供的多種控制機械臂的運動形式,便于學生快速實現(xiàn)各種演示功能。與Smart機械臂配套的二次開發(fā)工具包支持C/C++、Java、Python等多種主流編程語言。作為機器人領域中的一個重要分支,與機械臂相關的結(jié)構(gòu)、運動、控制等知識均可以利用多關節(jié)機械臂作為教學載體來講授。

圖1 Smart智能機械臂

(二)基于Smart智能機械臂實訓仿真平臺模型的構(gòu)建流程

以工業(yè)機器人Smart智能機械臂為物理模型的數(shù)字孿生虛擬仿真實訓平臺,采用3DMAX+BIMface對現(xiàn)有的Smart智能機械臂進行1:1建模,主要由物理實體、數(shù)據(jù)建模、數(shù)字孿生體模型三部分構(gòu)成,如圖2所示。平臺模型構(gòu)建主要包括物理實體的配置與連接,機器人狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)模型的建立與迭代更新以及基于數(shù)字孿生體的工業(yè)仿真與數(shù)據(jù)分析管理[8],其中,基于數(shù)字孿生體的工業(yè)仿真與數(shù)據(jù)分析管理是模型構(gòu)建的核心內(nèi)容。

圖2 數(shù)字孿生體設計流程圖

基于Smart智能機械臂實訓仿真平臺利用機理建模方法建立初步模型,然后通過機器人現(xiàn)場反饋的實時數(shù)據(jù)對該模型進行修正和迭代,進而建立完備的數(shù)字孿生體[8]2。在數(shù)字孿生體的基礎上,采用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)傳感技術,結(jié)合實時測量數(shù)據(jù)和伺服控制技術實現(xiàn)系統(tǒng)全面態(tài)勢感知,基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法進行數(shù)據(jù)分析,對智能機器人進行多維度、全方位的工業(yè)仿真。同時,基于數(shù)字孿生體模型制定并預演各項控制策略,以獲得最優(yōu)控制策略,提升智能機器人系統(tǒng)的智能化運行水平[8]2?；赟mart智能機械臂實訓仿真平臺的架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 基于Smart智能機械臂實訓仿真平臺的架構(gòu)圖

(三)數(shù)字孿生虛擬仿真控制功能的實現(xiàn)

數(shù)字孿生實訓平臺采用BIMFACE三維引擎作為數(shù)字孿生體核心控制組件,通過后臺代碼的開發(fā),能很好地實現(xiàn)對數(shù)字孿生體機械臂各運動關節(jié)的實時在線控制。其實現(xiàn)步驟如下:首先,需確定機械臂控制關節(jié)的運動基點坐標值,并將平臺坐標值轉(zhuǎn)換為世界坐標系的標準坐標值;然后,需依據(jù)機械臂的運動軌跡設定相應的運動相對坐標值;最終,通過實訓平臺相應的控制功能完成機械臂的實際運動控制功能,從而實現(xiàn)數(shù)字孿生虛擬仿真控制功能,以及代碼基于C#和javascript語言編寫。

三、基于Smart智能機械臂實訓仿真平臺的實訓應用

(一)課程應用案例

運用數(shù)字孿生、虛擬仿真等相關技術,結(jié)合Smart智能機械臂物理實體設備,開發(fā)一套與Smart智能機械臂課程相關的教學方法,包括實現(xiàn)對通信串口的連接控制和機械臂在x、y、z三個維度的運行控制,調(diào)節(jié)機械臂的運行速度,以加深學生對工業(yè)機器人相關知識的了解。

Smart智能機械臂課程配有BrobotStudio實訓軟件,是以實現(xiàn)控制Smart機械臂抓取功能為主要目標的實訓裝置。該軟件功能包括寫字畫畫、激光雕刻、拾取分揀、手勢控制、鼠標控制等。以小球拾取分揀實訓為例(如圖4所示),教師發(fā)布實訓課程任務后,學生首先通過登錄個人賬號進入Smart機械臂數(shù)字孿生實訓平臺,然后在各自的電腦上完成Smart機械臂的校準,并設計對機械臂x、y、z三個維度的運行控制,最后在電腦上進行虛擬仿真驗證。在仿真驗證過程中,由于實訓軟件上包含各主要環(huán)節(jié)的考核點,因此,學生只有完成所有的考核,才能利用智能服務模塊與Smart智能機械臂的實體設備進行連接,并通過在電腦端操作數(shù)字孿生模型來直接控制Smart智能機械臂物理實體設備,進而驗證學習效果。同時,在機械臂周圍安裝螢石C6攝像頭獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù),可以實現(xiàn)學生不在教室,也能直觀地觀察機械臂的運行情況。此外,Smart智能機械臂實訓仿真平臺所包含的技能綜合評價體系,還為教師了解學生對知識與技能的掌握程度提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

圖4 Smart智能機械臂拾取分揀實訓項目

(二)應用效果

學生通過控制數(shù)字孿生體來實現(xiàn)對實驗室里實體Smart智能機械臂的遠程控制,進而完成寫字畫畫、激光雕刻、拾取分揀等遠程實訓項目?；赟mart智能機械臂實訓仿真平臺的有效應用,突破了傳統(tǒng)實驗實訓教學中的各種限制,解決了實訓物理設備不足和學生無法到實驗室利用實體設備進行實驗的問題,提升了學生的實際操作能力和獨立思考能力。

Smart智能機械臂實訓仿真平臺不僅能使學生獲得更加直觀、真實的學習體驗,還能幫助教師根據(jù)不同年級、不同學習能力的學生設計不同實訓任務,實施個性化分類教學。例如,對于開放教育的低年級學生,可以讓他們通過控制機械臂進行寫字、畫畫、視覺分揀等實現(xiàn)簡單的遠程實訓操作;對于高年級學生,可以讓他們獨立設計數(shù)字孿生實訓模型;對于學習能力較強、具備獨立創(chuàng)新精神的學生,可以讓他們參與到模型優(yōu)化、遠程運維等實訓流程中,如對因數(shù)據(jù)滯后導致物理模型與虛擬孿生體協(xié)調(diào)性不足的模型進行性能測試優(yōu)化,并對設備進行調(diào)試和檢修。

四、結(jié)語

綜上所述,基于Smart智能機械臂數(shù)字孿生虛擬仿真實訓平臺在開放教育遠程實訓的應用研究,突破了傳統(tǒng)實驗實訓教學中的各種限制,可以在最大程度上解決開放教育的學生無法到教室上課的問題,能夠有效提升學生的實際操作能力和獨立思考能力。通過研究數(shù)字孿生虛擬仿真實訓平臺建設,將課程講授與智能制造實操相結(jié)合,既能滿足國內(nèi)當下對智能制造技術人才的培養(yǎng)需求,又能契合開放教育對該類課程的實訓教學需求,同時還能為本科教育、高職教育的相關專業(yè)學生提供優(yōu)質(zhì)的線上和線下教學服務,優(yōu)化在線學習體驗,為開展立體式、多元化職業(yè)技能教育培訓,創(chuàng)新開放教育遠程實訓教學提供新的思路。