基于虚拟仿真技术的工业机器人教学平台设计及应用探索
时间：2023-04-10 11:25:04 来源：千叶帆 本文已影响人
杨 景，王丙旭，赵德明，高兴文
（浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018）
人才资源是世界各国经济发展最重要的战略资源，人才在综合国力竞争中具有决定性作用。高等院校作为培养人才的重要基地，应当以培养具有创新精神和创新能力的人才为己任，积极投身于知识创新与科技创新活动中，为国家的经济建设和科技发展做出应有的贡献。
在当前产业革命与科技革命引发新的工科发展和传统工科的升级换代大环境下，我国高等工程教育的知识形态、学科内容、领域结构、应用模式等都在进行全新的改革与重组实践。2016年10月，在第一届中国高等教育峰会上首次提出“新工科”的概念，建设和发展新工科是当前社会产业升级与发展的必然要求，是深化高校工程教育范式改革、满足国家产业经济发展的现实需求，是提高国家未来竞争力、赢得全球市场竞争的重要途径。
智能制造作为新工科建设的重要内容，也是《中国制造2025》的主攻方向，而智能制造人才的培养是其中重要的一步[1-2]。在当前产业革命与科技革命引发新的工科发展和传统工科的升级换代大环境下，我国高等工程教育的知识形态、学科内容、领域结构、应用模式等都在进行全新的改革与重组实践。目前，我国大学生培养的适应变化与工程创新能力普遍不足，因此，针对这一现象迫切需要从课程授课内容、教育方式等方面着手进行改善，以提升大学生的创新素养。结合智能制造专业的发展趋势，有针对性地制定课程教学内容是智能制造专业课程建设的核心问题，也是新工科建设的重点内容[3]。
《工业机器人》是智能制造专业课程体系中的基础课程之一，是一门多学科的综合性技术，它涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多学科的内容。本课程讲述机器人的工作原理，以机器人系统构成、运动学和动力学为基础，阐述机器人运动控制和力学控制的数学模型建立方法以及驱动力的确定方法，进行项目应用实践，是机器人设计和应用的基础。虚拟仿真技术的应用可以弥补理论教学中存在的“开环”问题，即理论与实践的相互验证[4-5]。
本文在分析工业机器人课程目标的基础上，旨在将零散的课程教学内容融合多课程的相关内容，形成具体、综合、自闭环的实践课程内容教学体系，利用编程软件为学生搭建不少于三种机器人构型的理论模型仿真平台，实现课堂理论知识与实践过程的有机衔接，并结合仿真平台制定详细的综合实训项目以及考核评价方案。
结合目前从事的《工业机器人》课程教学，目前课程内容主要存在以下问题：（1）缺乏有效的理论应用验证平台。课程授课理论内容未闭环，学生在学习理论建模内容后，在应用解决实际问题时并没有途径证明结果的正确性。导致学生的学习兴趣和自主性未能充分调动。（2）在课程的实践操作环节，不能结合目前先进的机器人，不能很好地和理论部分结合，设备的运行和理论的模型之间不能很好地给学生直观体验。（3）传统工业机器人课程教学中，由于实操危险系数大、学生数量多而机器人数量少，导致学生参与度不够高、实践操作经验缺失、教学效果甚微。（4）综合训练环节缺乏自我校验的手段，无法对解决工程问题的系统性有清晰的认知。课程教学内容是建立在面向社会需求的专业建设的基础上，其目标是应用于解决实际工程问题。多维关联的课程内容设计能够将学生所学其他相关课程进行综合，并加以应用到实际问题中，提升学生综合运用所学知识进行实际工程问题的设计和分析应用能力。多维关联的课程内容设计既要求不同课程知识点之间的有机关联，同时也要求课程内容与实际工程问题之间的有机关联，充分重视学生当前的已学内容与整体学习目标的关联。
结合《工业机器人》课程的具体学情，课程授课对象为智能制造专业大三学生，这一阶段已完成机械原理、机械系统仿真技术等相关课程的学习，对机构的原理解析、表达和仿真有一定的了解，但对其中的仿真动作原理的理论认知相对较少，这也正是本课程要解决的问题。机器人学的内容作为本课程的重点内容，理论难度较大，而且缺乏验证的手段，较为抽象不利于学习的效果。比如在机器人的运动学教学内容授课过程中发现，学生对理论模型普遍存在模糊的认知，无法验证模型的正确性。
（1）多维关联下的课程内容系统框架设计：将工业机器人课程内容划分为机械系统结构、机器人学、机器人控制、机器人应用四个模块内容，机械系统结构部分关联机械原理和机械设计课程中涉及运动简图和传动设计部分内容，机器人学关联机械系统仿真技术中关于结构的运动和动力学仿真，机器人控制及应用模块关联Matlab软件中关于机构仿真及编程的内容，并将关联的内容作为课程的作业练习，训练的同时建立学生理论验证的基本思路。在课程的顶层设计阶段进行解决，以六轴工业机械臂为教学实践平台，以工程设备原理→机构工程问题→机构简图→关键信息提取→三维建模→仿真分析→平台实践流程这一完整过程为切入点，针对其中涉及的关键内容进行整体介绍，建立学生对工业机器人设计分析的目的和功能的清晰认识。
在课程内容上串联机械原理、机械设计基础等专业课程内容，围绕连杆机构建模、机器人学建模、三维建模、运动仿真、实践操作几个项目，通过由浅到深的方式建立学生的基础认知，建立学生对课程在实际工程中的应用价值观。学生能够明晰学习目标并且感知到当前学习目标与已学知识的联系、当前学习内容的现实价值与未来价值、当前学习效果与自身参与的相关性，使得学生更容易感受到当前学习与自己的相关性，从而更容易激发并维持内在的学习动机。
在执行阶段，首先，关注知识点之间的关联。在授课过程中，将教学内容分为多个依次递进的内容。充分重视学生前期学习水平与当前学习目标之间的关联度，由浅入深注重引导学生的思考；
注重项目内容与教材内容的关联，同时提醒学生回顾、关联相关课程的学习内容。重视课前学习内容与课上学习内容之间的关联，在课前学习环节除了要求学生学习所有的视频教程内容之外，还要求每一个小组负责一个知识点的总结梳理并在课上发表，而课上的研讨又涉及对每一个知识点的充分应用，这样可以较好地保障课前学习、课上学习与课后巩固一体化，这样有助于促进学生主动进行知识关联。
其次，本次教学实践参照目标分类法，为学生设计了分层学习目标，在课前学习环节主要解决中低阶学习目标的达成问题并进行相应的测评，同时提醒学生联系教材内容完成课前学习。在课上环节，通过提供学习任务卡，不但让学生反思确认自己的课前学习效果，安排专门的小组发表环节——发表课前学习成果，在此基础上教师进行精炼的点评与总结梳理，并要求学生利用课前学习成果支持课上的研讨与反思，同时提醒学生要充分反思拓展以将课前课上所学知识用于后续的实地考察学习环节，这样可让学生始终不忘学习目标，同时能够比较充分地感知到课前课上学习环节的关联，实现学习目标的统合与升华，促进高阶学习目标的达成。
（2）基于仿真平台的课程项目构建及评价方案：在课程的前期阶段主要以案例式教学为主，采用典型案例教学和实验相结合的方法。在课程进展到一定程度，布置一些相关课题，进行研讨教学活动。例如，布置内容以机器人为主的自动化装备（整机）为例，深入总结分析控制技术相关要点，包括装备应用背景、机构运动分析、动力学分析和控制策略制定等。教师需要针对学生的相关内容进行详细评价，对于存在的问题提供相应的解决方案，使学生更加牢固地掌握相关知识。
在课前学习和课上学习阶段都设计多个学习评价环节。在课前视频学习结束后，会让学生进行在线自测，并让学生以小组为单位形成小组学习成果，在课上学习环节进行展示，展示后将接受同伴评价与自主评价（全班同学参与，包括发言小组成员）。在课上讨论环节后，也有小组互评，最终每一位学生会对学习效果进行自评，这样有利于让学生时刻总结、及时反思自己的学习成果，并进行自主评价。教师的点评也有助于学生反思自己的学习成果，这样有助于提升学生的学习满意度。在研究小组中，建立起竞争及奖励机制，使学生能够最大化地发挥其自身的科研积极性。课程老师定期对小组成员进行任务督促和检查，对其中遇到的问题进行重点指导。小组成员定期进行工作汇报，同时组织成员经常交流，从而达到集中资源，共同提高的教育优化。定期组织实验室内部具有某方面突出特长的课程老师和本科生进行专题讲座，为学生对于不同领域内容的学习提供切实的指导机会。
在实际问题中进行运用能够有效提升学生的学习满意度。在本次教学实践中为推进学以致用，主要做了以下三方面设计。其一，在学习目标设计之初，就非常重视学生要向高阶目标看齐，不仅要知道知识是什么，更要关注知识怎么用，教师在每一环节的点评中也有意识提示学生要重视的学习成果。其二，学生的学习卡是反复利用的，学生在每一个环节都可以看到自己的学习成果，并且在下个环节还可以利用上一环节的学习成果。其三，结合实际智能生产线为学生提供课后观摩和实地考察机会，让学生在感知教学内容的实际应用，并进行评价反思。
在课程教学过程中，充分融入多课程相关知识点，为学生形成清晰的知识脉络。围绕课程的多个重要知识点建立训练项目，并以分组的形式辅助进行实践平台建设，其中课程老师在班级范围内，按照不同课程任务将所有学生编入不同的研究小组，方便实现专门性的课程任务。根据项目训练的中期及结果，适当调整分组情况。
通过小组内部的合作与互助，降低每一位学生的学习压力，让每一位学生更有学习信心。在成果发表环节，是以小组为单位，每一个小组推荐成员代表小组发言。为推进个体成员在小组中充分发挥作用，同时促进小组积极研讨，设计了学习卡对学生个体和小组学习任务做了明晰的界定。
在整个学习过程充分发挥教师的“导学-助学-促学”作用。在课前学习环节，通过学习平台的视频学习进度提示、教师在班级微信群提示等方式，提醒学生及时完成在线视频学习与教材内容学习，也要求学生进行学习自测并反馈学习疑难点，同时提供在线答疑。在课上小组学习环节，通过提供学习任务卡为学生搭建了一系列探究学习支架，可以为学生个体与小组学习提供系统的学习支持；
小组讨论环节教师在学生讨论期间巡视教室，帮助学生即时解决问题；
在小组研讨成果展示环节要求学生利用课程学习过程中强调过的思维导图梳理学习成果。
利用虚拟仿真技术实现教学平台的搭建的关键在于如何快速实现多机器人构型在虚拟系统中的建模过程。利用三维软件建立机器人三维模型，在VC++环境下编写程序提取相关数据，并结合OpenGL函数库对虚拟机械臂进行三维重建，通过添加光照、设置材料属性、抗锯齿等后期渲染，建立一个形象逼真的虚拟机器人几何模型。虚拟系统中机器人重建过程主要分为三个步骤。
步骤1：将机器人的CAD模型保存为3DS文件，然后利用3dsMax软件对3DS进行网格优化、平滑等操作。借助于View 3DS程序将3DS模型导出包含机器人顶点和面部的信息的.h文件和.gl文件，并添加到VC++程序中。
步骤2：在上一步得到的机器人的顶点和面部信息的基础上执行三维重建。在 OpenGL中调用经过初始化的信息列表以绘制机械臂的几何模型，并通过离线计算的方式确定面片法向量、顶点法向量、面片及顶点索引。完成几何建模后，将其他灯光，材质和其他属性添加到模型中。
步骤3：在该步骤中执行渲染处理，主要是添加镜面反射和抗锯齿的功能以增加显示的真实性。
经过三维重建之后，机器人可以在虚拟系统中显示。接着以运动学坐标系的转轴方向为依据，给关节转角附加离线控制变量，最终得到的机器人系统如图1所示。
图1 机器人虚拟运动模拟平台
通过搭建的机器人虚拟平台，提供机器人运动学有效的理论应用验证平台。在理论课堂授课的基础上，学生可以利用该平台证明所建立的理论模型的正确性，形成专业理论知识的闭环。同时，该平台可以快速实现多种构型的机器人的几何模型重建，可以结合目前先进的机器人进行授课的应用，体现目前行业的发展趋势和研究热点，也有利于提高学生的学习热情和能力的提升，改善理论课堂授课效果。
在课程相关的多课程知识点关联的基础上，结合课程培养目标及教学要求，设计学生切实可行的项目训练任务，根据《工业机器人》实际课程教学的需要，将同一类型或不同类型的学生组成研发小组，在教师的主导下共同解决实际工程问题。通过多种软件平台搭建用于课程教学的实践平台，并且为学生提供更为符合其自身实际情况的课程培养方案及软硬件支持，使其能够成为在完成教学内容学习的同时，提升自身的实践能力，为本科生的课程学习提供切实可行的执行方法和实践平台。
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