宮 佳,楊 健

(1.淮南職業(yè)技術(shù)學院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學,安徽 淮南 232001)

0 引言

工科是應用科學與技術(shù)原理解決實際工程問題的學科,在推動工業(yè)發(fā)展過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。工科專業(yè)教學中實驗教學占據(jù)著至關(guān)重要的地位,實驗教學過程中學生動手操作不僅能夠鍛煉工科學生的實操技能,同時也在某種程度上激發(fā)學生探索新知識的興趣,強化學生對所學理論知識的理解[1]。傳統(tǒng)實驗設施存在設備價格昂貴、容易老化、維護維修成本高、占用空間大等問題,設計開發(fā)虛實結(jié)合實驗平臺能夠有效解決傳統(tǒng)實驗室存在的諸多問題,對推動工科實驗教學具有重要意義。王新等構(gòu)建了基于MATLAB和ROS的機械臂虛實結(jié)合實驗平臺,并通過UR3機械臂的遠程控制驗證了實驗平臺的可行性,對促進機器人學課程改革起到了促進作用[2]。紀藝娟等基于LabVIEW和USRP設計了通信原理課程虛實結(jié)合實驗平臺,實現(xiàn)了實驗平臺的在線實驗、文件共享、數(shù)據(jù)傳輸、遠程查看功能,并通過幅度調(diào)制虛擬仿真實驗和FM音樂收發(fā)硬件實驗測試了實驗平臺的功能[3]。胡燕等設計了自動控制原理課程虛實結(jié)合實驗平臺,該實驗平臺集模型仿真、電路仿真、硬件電路系統(tǒng)調(diào)試于一體,能夠有效完成教學中的硬件實驗、軟件仿真實驗,使學生對自動控制的基本原理與綜合系統(tǒng)分析方法有更加深入的了解[4]。郭楚文等對本科實踐教學虛實結(jié)合實驗平臺的構(gòu)建進行研究,指出應該充分發(fā)揮實物實驗和虛擬實驗的優(yōu)勢,通過組建實物實驗平臺、3D虛擬實驗室等以實現(xiàn)良好的實驗教學效果,提升工科實驗教學的質(zhì)量[5]。伴隨著信息技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,在實驗教學中融入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),設計開發(fā)遠程虛實結(jié)合實驗平臺,為工科實驗教學改革提供新思路。

1 云服務的虛實結(jié)合實驗平臺設計

1.1 虛實結(jié)合實驗平臺設計原則

計算機、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟使大量硬件設備和虛擬軟件接入互聯(lián)網(wǎng)成為可能,實現(xiàn)網(wǎng)絡平臺管理?；谠品盏奶搶嵔Y(jié)合實驗平臺將工科各種實驗資源信息集于一體,提高了實驗室工作的效率,節(jié)約了成本,實驗室工作實現(xiàn)簡單化、高效化、流程化。為確?；谠品盏奶搶嵔Y(jié)合實驗平臺達到預期的目的,平臺設計應該遵循圖1的設計原則。

圖1 虛實結(jié)合實驗平臺設計原則

1.2 虛實結(jié)合實驗平臺結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡體系有B/S(瀏覽器/服務器)、C/S(客戶機/服務器)、混合網(wǎng)絡架構(gòu)3種,不同的網(wǎng)絡體系架構(gòu)有自身的優(yōu)缺點[6]。C/S網(wǎng)絡體系架構(gòu)需要專用的服務器,機密安全性比較強,在程序分散后期的升級維護難度比較大,用戶位置相對固定,交互數(shù)據(jù)量較大。B/S網(wǎng)絡體系架構(gòu)不需要特定的硬件網(wǎng)絡設備,機密安全性較差,在程序集中后期升級維護較容易,用戶位置較分散,交互數(shù)據(jù)量較小?？紤]到實驗教學不涉及高度機密信息,學生用戶位置分散,交互數(shù)據(jù)量也較小,因此基于云服務的虛實結(jié)合實驗平臺結(jié)構(gòu)選擇B/S架構(gòu),具體如圖2所示。

圖2 B/S網(wǎng)絡體系架構(gòu)

由圖2可知,數(shù)據(jù)庫服務器主要是按照網(wǎng)絡服務器的命令指示來操作實驗平臺上的實物儀器以及開展虛擬仿真實驗。各種任務的處理在網(wǎng)絡服務器中進行,主要用于用戶各種操作的計算與分析。計算與分析結(jié)果在瀏覽器中顯示,使用者通過網(wǎng)絡服務器獲取數(shù)據(jù)信息,同時在瀏覽器中顯示出來[7]。

虛實結(jié)合實驗平臺管理系統(tǒng)建立在云服務器的虛擬服務器之上,底層平臺基于相應的硬件和軟件平臺,具體如圖3所示。

圖3 云服務虛實結(jié)合實驗平臺架構(gòu)

由圖3可知,云服務虛實結(jié)合實驗平臺由用戶客戶端、互聯(lián)網(wǎng)絡、虛擬仿真部分和實物實驗部分所組成。用戶客戶端采用B/S網(wǎng)絡架構(gòu),通過瀏覽器在線訪問云服務虛實結(jié)合實驗平臺,支持遠程完成虛擬仿真實驗和實物實驗。

1.3 虛實結(jié)合實驗平臺工作流程

科學、合理的虛實結(jié)合實驗平臺工作流程能夠為學生創(chuàng)造良好的使用體驗,提升工科實驗課程的教學質(zhì)量。學生通過瀏覽器進入實驗管理系統(tǒng),在完成學生的身份認證后登錄到系統(tǒng)中,下載相關(guān)的插件、學習資料、完成實驗預約,進而開展虛擬仿真實驗或?qū)嵨镌囼?。云服務的虛實結(jié)合實驗平臺工作流程如圖4所示。

圖4 云服務的虛實結(jié)合實驗平臺工作流程

2 云服務的虛擬結(jié)合實驗平臺實現(xiàn)

機器人在工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,絕大多數(shù)工科院校機械類專業(yè)均開設了機器人課程。機器人課程是一門實踐性非常強的課程,單純的理論學習對學生學習機器人課程是不夠的,要通過實驗課程加深學生對機器人相關(guān)知識的了解[8]?；谠品諏崿F(xiàn)機器人虛實結(jié)合實驗平臺,滿足學生都有機會進行機器人實驗方面的操作學習。

2.1 實驗平臺虛擬仿真實現(xiàn)

機器人虛擬仿真實驗平臺由虛擬場景和控制面板兩部分組成,在虛擬場景中有機器人三維模型,通過三維模型增強學生的現(xiàn)場實操感;控制面板是學生操作機器人模型的平臺,也承擔相關(guān)實驗數(shù)據(jù)的處理任務。學生在虛擬場景和控制面板上交互操作,加深對機器人理論知識的理解?；谠品盏臋C器人虛擬仿真實驗平臺開發(fā)流程如圖5所示[9]。

圖5 云服務的機器人虛擬仿真實驗平臺開發(fā)流程

虛擬模型是由三維軟件(如CATIA、Pro-e、UG)建立,瀏覽器不能夠直接獲取三維模型,需要將三維模型轉(zhuǎn)換為COLLDA模式,通過WEBGL標準導入到瀏覽器中。HTML5布局是否合理關(guān)系到用戶與虛擬模型之間的交互,通過合理化的布局各種按鈕,這樣用戶在操作時更加便捷。在移動設備終端輸入機器人控制指令,機器人完成相應的操作,并反饋給學生。

機器人虛擬仿真在機器人課程學習中至關(guān)重要,學生通過仿真實驗去驗證所學習的理論知識,以達到加深對理論知識消化、吸收的目的。學生通過點擊操作面板上的按鈕或者導入文本指令的方式操作機器人,后臺對學生輸入的程序指令解析進而實現(xiàn)對機器人模型的控制,虛擬交互實現(xiàn)如圖6所示。

圖6 虛擬交互實現(xiàn)

2.2 實驗平臺實物實驗實現(xiàn)

實物實驗相對于虛擬仿真實驗要復雜得多,學生通過虛擬仿真實驗操作后對機器人的實驗過程有了比較深入的了解,通過進一步的遠程實物操作能夠更好地了解機器人[10]。機器人遠程實物控制流程如圖7所示。

圖7 機器人遠程實物控制流程

視頻傳輸是將機器人實物實驗現(xiàn)場傳輸給客戶端,實現(xiàn)學生和機器人實驗設備之間的交互,通過交互,學生對實物機器人的運轉(zhuǎn)狀態(tài)及整個實驗過程有更加深入的理解。采用服務器來實現(xiàn)WebRTC視頻傳輸,視頻傳輸在兩個瀏覽器之間進行。系統(tǒng)后臺打開視頻傳輸服務器,學生通過本地瀏覽器獲取機器人實驗過程視頻文件。平臺遠程使用者在建立網(wǎng)絡連接之后也可以打通視頻通道,觀看機器人現(xiàn)場操作視頻。機器人操作現(xiàn)場視頻傳輸流程如圖8所示。

圖8 實物機器人操作現(xiàn)場視頻傳輸流程

實現(xiàn)機器人遠程實物控制的關(guān)鍵是在客戶端與機器人設備之間建立網(wǎng)絡通信,由客戶端發(fā)送網(wǎng)絡通信協(xié)議,網(wǎng)絡服務器提取秘鑰碼,將秘鑰碼解碼之后進行替換,同時向客戶端發(fā)送協(xié)議,由此就建立了客戶端與服務器之間的連接。

3 結(jié)論

實驗教學在工科課程教學中具有舉足輕重的地位,在課程實驗教學中融入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù),構(gòu)建基于云服務的虛實結(jié)合實驗平臺,實現(xiàn)了遠程實驗教學,使得實驗資源利用率大大提升。通過對機器人虛實結(jié)合實驗平臺結(jié)構(gòu)以及工作流程的分析,搭建了機器人虛實結(jié)合實驗平臺,該平臺集機器人結(jié)構(gòu)種類認識、綜合實驗等功能于一體,使得機器人課程實驗教學質(zhì)量大大提升,這對促進機器人課程改革具有一定的現(xiàn)實意義。