深海仿生機器人控制虛擬仿真實驗教學探索

李 祺，靳荔成，王天宇

（1. 天津大學 電氣自動化與信息工程學院，天津 300072；2. 天津大學 電氣工程與自動化國家級虛擬仿真實驗教學中心，天津 300072；3. 天津大學 智能與計算學部，天津 300350）

機器人技術涉及運動控制、計算機視覺、人工智能、傳感器技術等研究領域[1]。在應用機器人實驗平臺培養行業人才方面，實驗教學研究者已進行了許多探索與實踐，并提出了許多富有啟發性的建議[2-5]。仿生機器人系統屬于非線性的復雜自動控制系統[6]，是多學科交叉的產物，構建仿生機器人實驗平臺有助于培養相關專業學生對學科知識的綜合應用能力。受到深海極端環境難以搭建、實驗成本高、海上實驗危險性大等條件的限制[7]，深海仿生機器人控制技術實驗沒有實際開展的可能性。因此，利用互聯網和信息化技術開展深海仿生機器人控制虛擬仿真實驗的意義和必要性更加突出。

本文結合“機器人學導論”和“移動機器人技術基礎”兩門課程的理論知識點，首先對深海仿生機器人控制虛擬仿真實驗的建設背景及總體設計方案進行了闡述，然后詳細介紹了該項目的實驗教學內容及教學管理方案，最后進行了總結。

1 實驗教學項目總體設計

深海仿生機器人控制虛擬仿真實驗依托天津大學電氣工程與自動化國家級虛擬仿真實驗教學中心和“國家重點研發計劃——深海關鍵技術與裝備”項目組建設，借助信息化虛擬仿真技術，將深海仿生機器人控制技術的相關知識以虛擬仿真實驗的形式對外開放共享，實現將科研成果轉化為教學應用。

通過該實驗，學生可了解深海環境的特點，掌握深海仿生機器人結構設計、姿態控制、路徑規劃、軌跡跟蹤等機器人學知識，探索新的深海機器人控制算法及仿生機構。虛擬仿真實驗的內容完全基于真實實驗過程及數據而設計，再現了深海復雜作業環境，還原了深海仿生機器人結構設計、運動學/動力學分析、姿態控制、路徑規劃及軌跡跟蹤等實驗的全過程。

深海仿生機器人以水蛇為原型（如圖1所示），通過模仿水蛇的特性實現水中的運動。虛擬仿真實驗按照機器人水下的實際工作狀態，構建深海環境的虛擬仿真場景及仿生機器人虛擬模型（結構模型、物理屬性、運動學/動力學模型等）。

圖1 深海仿生機器人

依據本科教學大綱，面向機器人技術教學中的結構設計、姿態控制、路徑規劃、軌跡跟蹤、創新設計5個方面的內容[8]，實驗項目共設計了七個實驗模塊（即深海仿生機器人結構設計、單關節姿態控制、多關節姿態控制、深海仿生機器人路徑規劃、單關節仿生機器人軌跡跟蹤、多關節仿生機器人軌跡跟蹤、新型深海機器人設計及控制探索創新實驗），并依據知識水平和能力要求，劃分為三個層次（基礎訓練、綜合設計、探索創新），形成“三層次、七模塊、一體化”的實驗教學體系（如圖2所示），使實驗教學內容由理論驗證向綜合應用、研究設計和創新開發逐步延伸，保證不同階段的學生都能在虛擬仿真實驗中根據知識需求來進行自主學習。

圖2 三層次、七模塊、一體化的教學體系

2 虛擬仿真實驗教學內容

2.1 深海環境與仿生機器人結構設計

深海環境的特點為水壓高、底層水流速緩慢、無光、水溫低、鹽度高、密度大、氧含量較豐富[9]。深海區域水溫平均在 1～3 ℃，鹽度約為 3.5%，隨著海洋深度的增加，每增加10 m深度，水壓增加1倍的標準大氣壓，海水的密度會隨著深度和鹽度的增加而略有增大[10]。學生可通過實驗交互界面觀測機器人工作位置的深海環境參數（如圖3所示），進而了解這些參數對深海仿生機器人結構設計的影響。

圖3 深海虛擬仿真實驗環境

仿生機器人具備若干個關節，每個關節具有水平和垂直兩個方向的自由度，以實現其在不同方向上的運動。關節數量越多，仿生機器人運動越柔順、靈活，控制越復雜。以一個完整的深海仿生機器人為例，該機器人分為導流段、傳感器段、電源端、控制段、導航段和推進段，這6部分通過5個關節連接，如圖4所示。

根據不同層次實驗教學的需求，學生選擇設計單關節或多關節仿生機器人。設計步驟包括：根據機器人的工況（水壓、密度參數等），選擇耐壓材料；在滿足防水、耐壓等基本要求的前提下，重點考慮機器人浮力配置問題；最終設計出多關節仿生機器人的結構，保證機器人在深海環境中正常工作。

圖4 多關節深海機器人的組成結構

2.2 深海仿生機器人姿態控制

機器人運動過程中其姿態由各關節執行器轉動的角度所反映[11]。高精度的機器人關節執行器控制是仿生機器人可靠運動的重要前提。該實驗環節分為單關節仿生機器人姿態控制和多關節仿生機器人姿態控制實驗。

單關節仿生機器人姿態控制實驗面向本科低年級學生，實驗內容屬于基礎訓練層。單關節仿生機器人僅包含導流和推進兩個艙段及一個關節。學生需結合設定的電機模型，設計運動控制系統，運用比例積分微分（PID）控制算法對電機進行控制，保證關節的運動響應滿足要求，如圖5所示。

圖5 單關節運動控制

多關節仿生機器人姿態控制實驗面向本科高年級學生，實驗內容屬于綜合設計層。多關節仿生機器人包含導流、控制、導航、推進等多個艙段及3個及以上關節。學生需選擇關節數量，建立仿生機器人運動學模型，解析機器人在特定運動狀態下各個關節的姿態信息，如圖6所示。在此基礎上，要求學生在單關節姿態控制的基礎上設計多關節協同控制方案，實現多關節仿生機器人的姿態控制。

圖6 深海仿生機器人運動姿態解析

2.3 深海仿生機器人路徑規劃

路徑規劃作為機器人學的一個基本問題，是基于運動學模型對機器人末端執行器進行空間路徑控制的前提[12]。該實驗環節在分析機器人工作空間的基礎上，在可達的工作空間內，隨機分布若干個海底生物標本。在已知仿生機器人起點、目標點和每個生物標本價值的前提下，規劃仿生機器人移動路徑，使得仿生機器人在規定時間內，從起點運動到目標點時獲得的生物標本價值最高，如圖7所示。

圖7 深海仿生機器人路徑規劃

2.4 深海仿生機器人軌跡跟蹤

在規劃好一條從起點到目標點最優的路徑后，需要解決如何讓機器人來尋著這條最優路徑移動的問題[13]。深海仿生機器人軌跡跟蹤，是在深海環境中設定一條理想的幾何路徑，然后要求機器人從某一位置出發，按照特定控制規律到達該路徑上，并實現其軌跡跟蹤運動。

首先要建立仿生機器人的運動學模型，即機器人位置與速度之間的數學關系[14]；然后將目標軌跡等效成一系列的參考點，并定義位姿誤差；最后設計適當的控制律控制關節處的電機，使得機器人能夠精確地跟隨目標軌跡運動，如圖8所示。

圖8 深海仿生機器人軌跡跟蹤

該實驗環節同樣分為面向本科低年級學生的單關節深海仿生機器人軌跡跟蹤基礎訓練實驗和面向本科高年級學生的多關節深海仿生機器人軌跡跟蹤綜合設計實驗。

2.5 深海機器人探索創新實驗

該實驗環節為學生提供海洋虛擬仿真環境、開放模型導入接口及控制算法設計接口。學生可充分發揮創新能力，設計其他類型仿生機器人（如魚等海洋生物）或非仿生水下機器人的結構模型，將其導入海洋虛擬仿真環境并設計控制方案，最終完成姿態控制、路徑規劃、軌跡跟蹤等任務。

3 實驗教學管理

深海仿生機器人控制虛擬仿真實驗依托國家級虛擬仿真實驗教學中心平臺實施教學管理。實驗項目充分發揮網絡與智能移動終端的優勢，幫助學生了解實驗要求、掌握實驗內容、分析實驗結果。學生可通過電腦或手機登錄虛擬實驗教學網絡平臺，進行實驗預約。在指定的預約時間，學生可登入實驗系統，加載虛擬實驗資源，并在虛擬深海環境中進行實驗。教師可通過線上服務平臺發布虛擬實驗項目，接受學生實驗預約，觀察學生實驗過程與結果，并在線答疑，同時通過實驗管理平臺管理實驗指導書、實驗報告以及學習評價。

4 結語

深海仿生機器人控制虛擬仿真實驗是從科研成果中提煉出的適用于機器人技術相關課程的實踐教學成果。教學內容由淺入深、循序漸進，包含概念性的基礎內容、專業性的控制系統設計、前沿綜合性的多關節姿態控制系統設計以及探索創新性的開放實驗。該實驗項目踐行“新工科”的教學理念[15]，既貼合實際深海控制工程技術又符合控制專業教學規律，使學生加深對專業知識的理解，提高實踐能力，拓展創新思維。