機器人專業(yè)課程中的仿真教學探討

1、    機器人專業(yè)課程中的仿真教學探討    黃龍尹來容周振華李旭宇摘 要：機器人專業(yè)人才的培養(yǎng)需要良好的實驗教學條件作為支撐。目前機器人專業(yè)實驗課程大多采用成熟的工業(yè)機器人為對象，供學生仿真和編程，其接口封閉，教學效果有限。本文對采用機器人仿真軟件進行機器人專業(yè)課程教學進行了探討，重點介紹了三種仿真教學軟件以及應用案例，這些軟件都可以移植到實際硬件上，實現(xiàn)機器人的運動控制等功能。關鍵詞：機器人專業(yè);仿真教學;軟件教學一、機器人專業(yè)課程的教學現(xiàn)狀隨著國內(nèi)外新一輪科技革命的深入發(fā)展，機器人產(chǎn)業(yè)逐漸成為國家戰(zhàn)略性新型技術產(chǎn)業(yè)之一。機器人產(chǎn)業(yè)離不開機器人專業(yè)技

2、術人才的培養(yǎng)。目前有資料顯示，到2020年，我國機器人行業(yè)的人才需求將接近800萬，按照目前的人才培養(yǎng)結構和規(guī)模，屆時機器人專業(yè)技術人才的缺口將達到300萬。正是在這樣的背景，國家提出了新工科建設，把機器人專業(yè)建設作為重要的關注點之一。目前已經(jīng)有逾百所高校獲得教育部批準建設機器人工程的本科專業(yè)，其中不僅包括重點本科高校，也包括很多的地方高校。機器人作為復雜的機電產(chǎn)品，是一種極佳的工程人才教學工具，能夠體現(xiàn)機械、控制、信息等多學科的交叉融合，理論與實踐、硬件與軟件的完美結合，同時，也能在教學項目中，培養(yǎng)學生的非技術特質，例如交流協(xié)作能力、創(chuàng)新精神等。然而，建設一個新專業(yè)需要一批具有相關知識背景的

3、專任教師、實驗師，以及相關的實踐條件。如何培養(yǎng)知識全面的機器人專業(yè)技術人才，如何在現(xiàn)有條件下提升學生的機器人實踐能力，是擺在所有高校面前的實際問題。尤其是地方高校，師資水平和教學條件受限于地方與學校的資金投入，這些問題尤為顯著。機器人專業(yè)課程一般包含工程基礎類課程、專業(yè)類課程和實踐類課程。其中，工程基礎類課程要求學生掌握機械、電路、傳感器、視覺、控制、程序設計等眾多方面的基礎知識和實踐能力。而機器人專業(yè)課程要求學生掌握機器人技術的全面知識，如機器人系統(tǒng)設計、運動學、動力學、控制理論等，這些課程通常也可作為其他相近專業(yè)的高年級本科生的選修課。機器人專業(yè)的實踐類課程通常以一類或幾類具體的機器人為對

4、象，供學生進行機器人創(chuàng)新設計、制作、控制等。通常，這些機器人可以參考各類機器人比賽中的本體結構，例如robocup、robocon、robomaster等比賽，有的高校甚至成功舉辦了校級的機器人競賽。這些競賽都是鞏固理論知識，提升實踐能力的重要載體。顯然，無論是實踐條件的建設，還是機器人競賽的舉辦，都需要大量的資金投入。二、機器人專業(yè)課程的軟件教學方法目前市面上的機器人教材，通常都偏重于對機器人的理論知識的介紹，涉及矩陣和控制理論。這些抽象知識，會消減學生的學習熱情。而以編程仿真技術為主的軟件教學，作為理論教學的補充，不僅可以有效提升學生的學習積極性，也能夠很好培養(yǎng)學生的工程實踐能力1。不同于

5、其他學科，機器人學科的教學、科研與實際應用中，編程仿真技術起到了無可替代的作用。目前，包括基于simulink的機器人工具箱、機器人操作系統(tǒng)（ros）、v-rep、openrave在內(nèi)的眾多編程仿真環(huán)境受到了國內(nèi)外高校的關注，以作業(yè)或項目的方式引入到其課程教學中。下面主要對基于matlab/simulink的機器人工具箱、ros、v-rep三個編程仿真軟件進行介紹。（一）基于matlab/simulink的機器人工具箱matlab是邁斯沃克公司開發(fā)的大型計算和分析軟件。目前matlab已在大學控制類課程教學、各行業(yè)科學研究中得到廣泛應用2-3。基于matlab，澳大利亞的機器人學者peter

6、corke開發(fā)了完備的機器人工具箱。機器人工具箱可以對構型各異的機器人進行分析與仿真，支持傳統(tǒng)的多關節(jié)型機器人、并聯(lián)機器人、移動機器人等，其程序庫包含了常見的機器人基本算法，包括空間坐標變換、各種表示之間的切換、運動學與動力學建模以及軌跡規(guī)劃仿真。通常，機器人教材會選擇四關節(jié)或五關節(jié)串聯(lián)機器人作為例子來介紹運動學建模，選擇兩關節(jié)或三關節(jié)串聯(lián)機器人作為例子來介紹動力學建模，其主要考慮是縮小篇幅，盡可能讓學生快速熟悉建模的過程。對于實際應用最多的六關節(jié)機器人，甚至目前廣受關注的七關節(jié)協(xié)作型機器人，教材中鮮有涉及，其主要原因是這種類型的機器人的運動學和動力學計算非常復雜。而這些構型復雜的機器人，對于

7、機器人工具箱而言，完全不存在建模難點。通過自帶的運動學、動力學、軌跡規(guī)劃的仿真功能，可以使學生直觀地認識機器人的運動特性，對坐標變換、奇異位形、工作空間等概念的掌握也更深刻。機器人工具箱中的函數(shù)都是開源的，學生可以直接閱讀這些函數(shù)的源代碼，并且眾多注釋能夠幫助學生理解編程思想與機器人算法框架。simulink是matlab中最重要的仿真模塊，其中包含了數(shù)量十分龐大的各行業(yè)工具箱。很多科研院所和企業(yè)都利用simulink平臺搭建了教育機器人的控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)采用了基于模型的設計方法，學生只需要在simulink中建立和物理模型和控制算法模型，通過獨特的編譯器來驅動電機。simulink中自帶

8、的控制算法，如pid、模型預測控制等，也自帶了一系列運動學和動力學工具，便于學生快速上手。這種設備可以培養(yǎng)學生模型思維和創(chuàng)新意識，非常適合作為機器人專業(yè)課程的實踐設備。（二）rosros是由美國willow garage公司開發(fā)的開源機器人操作系統(tǒng)4-5。該系統(tǒng)提供了豐富的庫函數(shù)和開發(fā)工具來輔助機器人研究者開發(fā)完整的機器人系統(tǒng)。經(jīng)過了若干年的發(fā)展進化，ros已經(jīng)成為了國際上廣受認可和關注的機器人開發(fā)平臺，包含了硬件驅動、實時底層、各種機器人類、消息傳遞、可視化仿真工具等功能。一方面，系統(tǒng)內(nèi)置的程序庫可以很方便地調(diào)用，避免了重復開發(fā)的繁雜工作;另一方面，系統(tǒng)將消息機制、底層驅動等功能打包，開發(fā)者

9、無須深入理解底層驅動和協(xié)議，就可以開發(fā)自己的控制系統(tǒng)，非常方便快捷。目前，已有很多研究平臺和教學平臺采用了ros系統(tǒng)，取得了很好的效果。例如，一些大學足球機器人研究組把ros應用到robotcup足球機器人、救援機器人等移動機器人，在此基礎上開發(fā)軟件系統(tǒng)，提高程序的模塊化和擴展性，大幅提升了開發(fā)效率。其主要的硬件包括工控機、總線耦合器與i/o模塊、電機驅動器與機器人本體。工控機安裝了實時操作系統(tǒng)和ros系統(tǒng)軟件，可以在機器人實際運動過程，在工控機上顯示仿真環(huán)境。對于機器人的仿真教學，ros包含了功能強大的仿真工具gazebo。該工具支持多種物理引擎，支持自定義插件，內(nèi)置了多個機器人模型，也支持

10、導入機器人模型。其局限性主要在于保真度有限，對流體、變形體和熱動力學都難以處理。（三）v-repv-rep6，是一款開源的機器人仿真軟件，有免費的教育版本可供使用。其中包含的物理引擎，能夠依據(jù)對象的物理性質來分析實際運動和碰撞。平臺內(nèi)置了豐富的常見物理模型與場景模型，使用起來直觀易懂。v-rep支持的控制方式包括同步控制、異步控制與遠程控制，并且內(nèi)置了六種計算模塊，即碰撞檢測模塊、運動學逆解模塊、動力學模塊、幾何約束模塊、路徑規(guī)劃模塊以及最小距離計算模塊。而其編程方式與前面的平臺有一定區(qū)別，主要支持嵌入式腳本、插件等，編程語言lua也與學生熟悉的c/c+有一定差異，但是有了c/c+的編程基礎之

11、后，再學習lua語言較快。v-rep平臺與ros系統(tǒng)兼容，具有較好的擴展性。目前，已有科研院所利用v-rep仿真平臺開發(fā)了工業(yè)機器人教學系統(tǒng)，其主要硬件包括工控機、總線耦合器與i/o模塊、電機驅動器與機器人本體。工控機的操作系統(tǒng)為linux實時操作系統(tǒng)，系統(tǒng)也安裝了v-rep仿真平臺，可以實現(xiàn)仿真環(huán)境與真實環(huán)境中機器人的同步運動，給學生以沉浸式體驗。此外，這類教學機器人提供底層的機器人學核心源代碼，例如坐標變換、運動學、動力學符號計算等，學生可以直接在此框架下編寫相關程序，然后通過仿真運行和實際運行進行驗證。在進階環(huán)節(jié)，學生還可以對機器人進行拖動示教和碰撞檢測的編程。三、結論機器人專業(yè)的建設是一個系統(tǒng)工程，合格的機器人專業(yè)技術人才應當同時具備扎實的理論知識與實踐能力。本文對采用機器人仿真軟件進行機器人專業(yè)課程教學進行了探討，介紹了三種仿真教學軟件，結合案例說明了軟件仿真教學與實際應用之間的聯(lián)系，可以為機器人專業(yè)人才的培養(yǎng)提供參考。在實際教學中，還需要根據(jù)學生的實際水平因材施教，合理選擇授課內(nèi)容，結合軟件工具，給學生提供最合適的教學方式。參考文獻：1劉相權.matlab在機器人虛擬仿真實驗教學中的應用j.教育教學論壇，2018（1