机器人专业课程中的仿真教学探讨

黄龙　尹来容　周振华　李旭宇

摘 要：机器人专业人才的培养需要良好的实验教学条件作为支撑。目前机器人专业实验课程大多采用成熟的工业机器人为对象，供学生仿真和编程，其接口封闭，教学效果有限。本文对采用机器人仿真软件进行机器人专业课程教学进行了探讨，重点介绍了三种仿真教学软件以及应用案例，这些软件都可以移植到实际硬件上，实现机器人的运动控制等功能。

关键词：机器人专业;仿真教学;软件教学

一、机器人专业课程的教学现状

随着国内外新一轮科技革命的深入发展，机器人产业逐渐成为国家战略性新型技术产业之一。机器人产业离不开机器人专业技术人才的培养。目前有资料显示，到2020年，我国机器人行业的人才需求将接近800万，按照目前的人才培养结构和规模，届时机器人专业技术人才的缺口将达到300万。正是在这样的背景，国家提出了新工科建设，把机器人专业建设作为重要的关注点之一。目前已经有逾百所高校获得教育部批准建设机器人工程的本科专业，其中不仅包括重点本科高校，也包括很多的地方高校。机器人作为复杂的机电产品，是一种极佳的工程人才教学工具，能够体现机械、控制、信息等多学科的交叉融合，理论与实践、硬件与软件的完美结合，同时，也能在教学项目中，培养学生的非技术特质，例如交流协作能力、创新精神等。

然而，建设一个新专业需要一批具有相关知识背景的专任教师、实验师，以及相关的实践条件。如何培养知识全面的机器人专业技术人才，如何在现有条件下提升学生的机器人实践能力，是摆在所有高校面前的实际问题。尤其是地方高校，师资水平和教学条件受限于地方与学校的资金投入，这些问题尤为显著。

机器人专业课程一般包含工程基础类课程、专业类课程和实践类课程。其中，工程基础类课程要求学生掌握机械、电路、传感器、视觉、控制、程序设计等众多方面的基础知识和实践能力。而机器人专业课程要求学生掌握机器人技术的全面知识，如机器人系统设计、运动学、动力学、控制理论等，这些课程通常也可作为其他相近专业的高年级本科生的选修课。机器人专业的实践类课程通常以一类或几类具体的机器人为对象，供学生进行机器人创新设计、制作、控制等。通常，这些机器人可以参考各类机器人比赛中的本体结构，例如Robocup、Robocon、Robomaster等比赛，有的高校甚至成功举办了校级的机器人竞赛。这些竞赛都是巩固理论知识，提升实践能力的重要载体。显然，无论是实践条件的建设，还是机器人竞赛的举办，都需要大量的资金投入。

二、机器人专业课程的软件教学方法

目前市面上的机器人教材，通常都偏重于对机器人的理论知识的介绍，涉及矩阵和控制理论。这些抽象知识，会消减学生的学习热情。而以编程仿真技术为主的软件教学，作为理论教学的补充，不仅可以有效提升学生的学习积极性，也能够很好培养学生的工程实践能力[1]。

不同于其他学科，机器人学科的教学、科研与实际应用中，编程仿真技术起到了无可替代的作用。目前，包括基于Simulink的机器人工具箱、机器人操作系统（ROS）、V-REP、OPENRAVE在内的众多编程仿真环境受到了国内外高校的关注，以作业或项目的方式引入到其课程教学中。下面主要对基于MATLAB/Simulink的机器人工具箱、ROS、V-REP三个编程仿真软件进行介绍。

（一）基于MATLAB/Simulink的机器人工具箱

MATLAB是迈斯沃克公司开发的大型计算和分析软件。目前MATLAB已在大学控制类课程教学、各行业科学研究中得到广泛应用[2-3]。基于MATLAB，澳大利亚的机器人学者Peter Corke开发了完备的机器人工具箱。机器人工具箱可以对构型各异的机器人进行分析与仿真，支持传统的多关节型机器人、并联机器人、移动机器人等，其程序库包含了常见的机器人基本算法，包括空间坐标变换、各种表示之间的切换、运动学与动力学建模以及轨迹规划仿真。通常，机器人教材会选择四关节或五关节串联机器人作为例子来介绍运动学建模，选择两关节或三关节串联机器人作为例子来介绍动力学建模，其主要考虑是缩小篇幅，尽可能让学生快速熟悉建模的过程。對于实际应用最多的六关节机器人，甚至目前广受关注的七关节协作型机器人，教材中鲜有涉及，其主要原因是这种类型的机器人的运动学和动力学计算非常复杂。而这些构型复杂的机器人，对于机器人工具箱而言，完全不存在建模难点。通过自带的运动学、动力学、轨迹规划的仿真功能，可以使学生直观地认识机器人的运动特性，对坐标变换、奇异位形、工作空间等概念的掌握也更深刻。机器人工具箱中的函数都是开源的，学生可以直接阅读这些函数的源代码，并且众多注释能够帮助学生理解编程思想与机器人算法框架。

Simulink是MATLAB中最重要的仿真模块，其中包含了数量十分庞大的各行业工具箱。很多科研院所和企业都利用Simulink平台搭建了教育机器人的控制系统，其控制系统采用了基于模型的设计方法，学生只需要在simulink中建立和物理模型和控制算法模型，通过独特的编译器来驱动电机。Simulink中自带的控制算法，如PID、模型预测控制等，也自带了一系列运动学和动力学工具，便于学生快速上手。这种设备可以培养学生模型思维和创新意识，非常适合作为机器人专业课程的实践设备。

（二）ROS

ROS是由美国Willow Garage公司开发的开源机器人操作系统[4-5]。该系统提供了丰富的库函数和开发工具来辅助机器人研究者开发完整的机器人系统。经过了若干年的发展进化，ROS已经成为了国际上广受认可和关注的机器人开发平台，包含了硬件驱动、实时底层、各种机器人类、消息传递、可视化仿真工具等功能。一方面，系统内置的程序库可以很方便地调用，避免了重复开发的繁杂工作;另一方面，系统将消息机制、底层驱动等功能打包，开发者无须深入理解底层驱动和协议，就可以开发自己的控制系统，非常方便快捷。

目前，已有很多研究平台和教学平台采用了ROS系统，取得了很好的效果。例如，一些大学足球机器人研究组把ROS应用到Robotcup足球机器人、救援机器人等移动机器人，在此基础上开发软件系统，提高程序的模块化和扩展性，大幅提升了开发效率。其主要的硬件包括工控机、总线耦合器与I/O模块、电机驱动器与机器人本体。工控机安装了实时操作系统和ROS系统软件，可以在机器人实际运动过程，在工控机上显示仿真环境。对于机器人的仿真教学，ROS包含了功能强大的仿真工具gazebo。该工具支持多种物理引擎，支持自定义插件，内置了多个机器人模型，也支持导入机器人模型。其局限性主要在于保真度有限，对流体、变形体和热动力学都难以处理。

（三）V-REP

V-REP[6]，是一款开源的机器人仿真软件，有免费的教育版本可供使用。其中包含的物理引擎，能够依据对象的物理性质来分析实际运动和碰撞。平台内置了丰富的常见物理模型与场景模型，使用起来直观易懂。V-REP支持的控制方式包括同步控制、异步控制与远程控制，并且内置了六种计算模块，即碰撞检测模块、运动学逆解模块、动力学模块、几何约束模块、路径规划模块以及最小距离计算模块。而其编程方式与前面的平台有一定区别，主要支持嵌入式脚本、插件等，编程语言Lua也与学生熟悉的C/C++有一定差异，但是有了C/C++的编程基础之后，再学习Lua语言较快。V-REP平台与ROS系统兼容，具有较好的扩展性。

目前，已有科研院所利用V-REP仿真平台开发了工业机器人教学系统，其主要硬件包括工控机、总线耦合器与I/O模块、电机驱动器与机器人本体。工控机的操作系统为Linux实时操作系统，系统也安装了V-REP仿真平台，可以实现仿真环境与真实环境中机器人的同步运动，给学生以沉浸式体验。此外，这类教学机器人提供底层的机器人学核心源代码，例如坐标变换、运动学、动力学符号计算等，学生可以直接在此框架下编写相关程序，然后通过仿真运行和实际运行进行验证。在进阶环节，学生还可以对机器人进行拖动示教和碰撞检测的编程。

三、结论

机器人专业的建设是一个系统工程，合格的机器人专业技术人才应当同时具备扎实的理论知识与实践能力。本文对采用机器人仿真软件进行机器人专业课程教学进行了探讨，介绍了三种仿真教学软件，结合案例说明了软件仿真教学与实际应用之间的联系，可以为机器人专业人才的培养提供参考。在实际教学中，还需要根据学生的实际水平因材施教，合理选择授课内容，结合软件工具，给学生提供最合适的教学方式。

参考文献：

[1]劉相权.MATLAB在机器人虚拟仿真实验教学中的应用[J].教育教学论坛，2018（15）：261-262.

[2]http：//www.mathworks.com/products/robotics.html.

[3]P.Corke.A Robotics Toolbox for MATLAB[J].IEEE Robotics and Automation Magazine，1996，3（1）：24-32.

[4]张建伟.开源机器人操作系统——ROS[M].北京：科学出版社，2012.

[5]http：//gazebosim.org.

[6]http：//www.coppeliarobotic.com/helpfile.

作者简介：黄龙（1988— ），男，汉族，湖南长沙人，博士，讲师，研究方向：机构学与机器人。

*通讯作者：尹来容（1984— ），男，汉族，湖南长沙人，博士，副教授，研究方向：机构学与机器人。