李憲華 石雪松 盛蕊 于清波 張軍

摘要：針對機(jī)器人課程教學(xué)中理論與實踐脫節(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的方法，架起理論知識與機(jī)器人實體的橋梁，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)特點與國內(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)動學(xué)生的積極性，提高教師傳授機(jī)器人知識的效率.

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

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

機(jī)器人是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、教育等，是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢，它的高速發(fā)展提高了社會生產(chǎn)水平和人類生活質(zhì)量[1].對于機(jī)器人課程的建設(shè)，國內(nèi)外機(jī)構(gòu)建立了大量的研發(fā)團(tuán)隊和實驗室，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踐活動的層面，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)器人實驗室是一個非常昂貴的機(jī)器人課程教學(xué)方式，導(dǎo)致學(xué)生缺乏接觸實際試驗的機(jī)會，理論知識不能與工程實踐有效結(jié)合.基于虛擬仿真技術(shù)建立機(jī)器人可視化仿真平臺可以為學(xué)生提供交互式實時仿真基礎(chǔ)，以最低的成本幫助學(xué)生完成涉及機(jī)器人的課程和項目.同時，該平臺能夠更好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.

本文借鑒國內(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)合我國機(jī)械工程專業(yè)建設(shè)方向的具體實踐，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，并運用Matlab語言編制運算程序，建立機(jī)器人可視化運行仿真平臺，可以實時顯示機(jī)器人運動效果，以滿足機(jī)器人課堂教學(xué)的需要.采用機(jī)器人理論知識與仿真再現(xiàn)本體運動的方法，使學(xué)生更能夠理解和應(yīng)用所學(xué)知識，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

對于本科生而言，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，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)知識的機(jī)會.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)器人理論知識的傳授.所以，傳授機(jī)器人知識的過程中，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、力學(xué)、數(shù)值分析、電工電子、自動控制理論及傳感技術(shù)等相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，對學(xué)生的基礎(chǔ)知識要求較高，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，面對復(fù)雜而冗長的數(shù)學(xué)公式，無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，在社會生活生產(chǎn)的各個領(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)的實踐活動和競賽，搭建以機(jī)器人為對象的教學(xué)平臺建設(shè)，充分發(fā)揮機(jī)器人教育的優(yōu)勢.

2.1 國外教學(xué)現(xiàn)狀

美國的機(jī)器人教學(xué)以團(tuán)隊項目為主，主要為了提高學(xué)生的項目管理、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，在電工電子基礎(chǔ)、計算機(jī)原理、機(jī)械設(shè)計、信號與系統(tǒng)、機(jī)械原理等課程中應(yīng)用TekBots平臺實現(xiàn)理論知識的仿真.學(xué)生可使用TekBots平臺調(diào)試程序，觀察程序在設(shè)備中運行的過程.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，韓國增加機(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足的發(fā)展.在新加坡國立教育學(xué)院舉辦的亞太地區(qū)ROBOLAB國際教育會議，采用多種方式討論其對科技的影響及其機(jī)器人教育方面應(yīng)用的交流，提高高校開展機(jī)器人教育平臺的能力及教師開展機(jī)器人科研的水平能力.

2.2 國內(nèi)教學(xué)現(xiàn)狀

在我國，清華大學(xué)、國防科技大學(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)活動相對獨立.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)綜合性試驗實驗課[2];國防科技大學(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，針對專業(yè)的特點加設(shè)了機(jī)器人設(shè)計研討課，并組織學(xué)生參加相關(guān)機(jī)器人競賽[3].東北大學(xué)趙姝穎提出用DIY思想推動機(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)器人競賽活動[6].各高校參加機(jī)器人比賽的數(shù)量逐年增加，但是相對于國外起步較晚，機(jī)器人課程教學(xué)中實驗課時較少，少數(shù)大學(xué)設(shè)立有機(jī)器人實驗室，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)校自身的情況對機(jī)器人課程進(jìn)行以培養(yǎng)興趣為導(dǎo)向，以實踐和創(chuàng)新為驅(qū)動的課程體系與教學(xué)改革迫在眉睫.

3 實踐教學(xué)

機(jī)器人課程教學(xué)面向的對象為全體學(xué)生，因此在向?qū)W生普及相關(guān)知識的同時，也應(yīng)作為一項技術(shù)課程傳授給學(xué)生，以培養(yǎng)其創(chuàng)新意識、動手能力與運用知識去解決現(xiàn)實生產(chǎn)生活中遇到的問題的能力.機(jī)器人作為學(xué)習(xí)平臺，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)活動的方法來實現(xiàn).

3.1 理論教學(xué)

機(jī)器人教學(xué)是一項系統(tǒng)的工程，應(yīng)從課堂教學(xué)、生產(chǎn)實踐、實驗教學(xué)、專業(yè)課程設(shè)計、畢業(yè)實踐、畢業(yè)設(shè)計等方面采用“分階遞進(jìn)”的模式進(jìn)行.我校在機(jī)械工程一級學(xué)科下面的機(jī)械設(shè)計專業(yè)和測控專業(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)器人的運動學(xué)，包括正運動學(xué)與逆運動學(xué)，機(jī)器人的軌跡規(guī)劃，機(jī)器人控制，以及相關(guān)機(jī)器人的語言等，使本科生對工業(yè)機(jī)器人具有初步的認(rèn)識.然而受條件的制約，機(jī)器人課程的實踐教學(xué)課時相對較少.而機(jī)器人教學(xué)應(yīng)是理論與實踐相結(jié)合的一門課程，因此應(yīng)該加大實踐課時的量，使學(xué)生可以通過實踐提高運用知識的能力.應(yīng)逐步建立理論知識和實驗實踐的數(shù)據(jù)庫，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)器人運動學(xué)和動力學(xué)，理論講解多，內(nèi)容較為抽象.缺乏機(jī)器人相關(guān)的知識內(nèi)容，學(xué)生的興趣不高，無法建立相關(guān)知識體系.對數(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)帶來了很多的計算負(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)活動面向的對象極為有限，范圍比較窄，并且缺乏持續(xù)性.

3.2.3 實踐與教學(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)校自身條件的限制，無法向?qū)W生提供相關(guān)實驗室，缺少必要的實踐環(huán)節(jié)，難以滿足眾多學(xué)生對實驗的需要.導(dǎo)致所學(xué)理論與實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)，有些技術(shù)問題只是停留在紙面上.對于沒有接觸過機(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)心操作時損壞機(jī)器人或人身受到危險.這些導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的降低，不利于學(xué)生獨立思考、實踐和創(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)，將理論與實踐相結(jié)合，同時降低教學(xué)用機(jī)器人成本.把機(jī)器人仿真平臺引入機(jī)器人教學(xué)課堂，使教師的課堂教學(xué)將更具有針對性和實效性，該方案投資較少，實施方便，能夠滿足科研與教學(xué)對機(jī)器人仿真程序的需求.

3.3 機(jī)器人可視化平臺的構(gòu)建

構(gòu)建教學(xué)和科研共享虛擬仿真實驗平臺，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)械臂本體的各個部件，而后進(jìn)行裝配，以得到裝配體，可以簡單地觀察到各桿件的運動情況，然而卻無法知道其桿件隨運坐標(biāo)系的運動情況.因此再將各部件按運動方式進(jìn)行拆分，采用三維軟件中坐標(biāo)系工具，運用DH法對各個拆分后的桿件進(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)系隨桿件運動的情況，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，為了實現(xiàn)對機(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.因為MATLAB軟件無法直接識別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可以識別的STL文件，通過編制相關(guān)程序便可以實現(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)器人本體及其運動情況，如下圖4所示.

該虛擬仿真平臺可完美再現(xiàn)機(jī)械臂的運動特性，通過平臺的文本框，可以實現(xiàn)對機(jī)械臂的運動控制，可以使學(xué)生更加深刻地了解到機(jī)械臂的動作情況，進(jìn)一步編寫相關(guān)程序，可以實現(xiàn)對機(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)運動學(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，更能提高學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識和相關(guān)軟件的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性.

3.4 機(jī)器人虛擬仿真平臺教學(xué)的優(yōu)點

建立機(jī)器人虛擬仿真平臺有以下幾個優(yōu)點：

（1）本文采用的三維虛擬仿真平臺構(gòu)建機(jī)械臂的新方法，基于MATLAB的GUI交互設(shè)計和數(shù)值計算能力，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)器人工具箱可以實現(xiàn)對底層程序的操作，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)器人基本運算過程，學(xué)生有更多的時間學(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交互可視化平臺提供一個工程實踐的模擬環(huán)境，當(dāng)學(xué)生不能接觸到實際的機(jī)器人時，使用這種方法可以進(jìn)行接近真實的運動模擬和動畫，使概念變得具體，為學(xué)生提供動手操作的空間.

（4）經(jīng)過仿真驗證的實踐，在教學(xué)過程中加入了計算機(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性，提高學(xué)生分析解決問題的能力，加強(qiáng)團(tuán)隊協(xié)作意識以及人與人的溝通能力，推動和促進(jìn)機(jī)器人創(chuàng)新實踐課程的改革.

4 結(jié)論

在分析機(jī)器人課程特點及國內(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性.然而，機(jī)器人教育在我國尚處于起始階段，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)教師隊伍的建設(shè)，加強(qiáng)本科用機(jī)器人實驗室建設(shè)，使更多的教師、學(xué)生從事機(jī)器人科學(xué)研究、學(xué)科競賽，開展項目研究，以使學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)到機(jī)器人知識.

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