基于半實物仿真平臺的工科類專業實驗教學改革探討

李波 田威 王長瑞

摘 要：針對當前高等學校工科類專業人才培養面臨的創新能力缺乏、實際工程能力不足等問題，結合航空航天制造領域對教學實驗的更高要求，提出了機器人飛機裝配裝備半實物仿真實驗平臺的實踐教學方案。指出了當前工科類專業人才培養實驗教學中的問題，提出了基于機器人半實物仿真實驗平臺的飛機裝配教學改革內容，有利于培養學生以實際工程需求為牽引的實踐和創新能力。

關鍵詞：航空航天;實驗教學;工業機器人;半實物仿真;飛機裝配

1 緒論

飛機裝配是保證飛機產品質量、裝配準確度的決定性環節[1]，為滿足新型飛機對裝配精度和服役壽命的更高要求，必須研制新的工藝裝備[2]。隨著工業機器人在智能制造中日益普及，使用機器人在飛行器制造過程中進行輔助裝配任務已經成為主流趨勢。然而，當前工科類專業的人才培養，尤其是航空宇航制造工程專業機器人飛機裝配方向的人才培養，面臨著創新能力缺乏、實際工程能力不足等問題。現階段機器人飛機裝配只能開展基礎性演示實驗，與實際工程應用脫節，造成了學生畢業后實際工程應用能力不能迅速達到企業的崗位技能要求。為達到工科類高端人才的培養目標，對教學中非常重要的一個環節——實驗教學提出了更高的要求。

在實驗教學中加入半實物仿真實驗平臺，可進行工科類專業人才的創新培養，國內學者結合仿真實驗對課程教學改革做出了諸多嘗試。華僑大學的聶卓赟等針對自動化專業的實驗教學，開發了一款面向MATLAB實時控制的半實物仿真實驗系統Sukung[3];中南大學的謝斌等指出，MATLAB Robotics Toolbox可以對機器人進行圖形仿真，并能分析真實機器人控制時的實驗數據結果，非常適宜于機器人專業的仿真實驗教學[4];河北農業大學的袁永偉等針對“工業機器人”傳統實踐教學環節中學生多設備少、教學質量不高的問題，依托RobotArt工業機器人離線編程仿真軟件提出了“低碳化”模擬仿真教學方法[5];南昌航空大學的朱永國等針對飛機裝配工藝教學設備臺套數不足的問題，提出了CDIO教育理念和虛擬仿真相融合的“飛機裝配工藝”課程教學新方法[6]。

將機器人裝配裝備半實物仿真實驗平臺應用于飛機裝配課程的教學，可進行機器視覺算法在飛機裝配中的應用驗證、機器人運動控制算法與離線編程等多方面的創新實驗，非常適合飛機裝配課程的實驗教學。以上眾多學者關于仿真實驗，尤其是半實物仿真實驗教學的有益探索，為機器人飛機裝配虛擬仿真實驗教學與實踐提供了有效思路。然而，如何將機器人半實物仿真實驗平臺與飛機裝配實驗有機結合，培養能夠在航空航天制造等相關領域從事工程設計、技術開發、工程應用等方面的高素質復合型人才，仍需相關學者一如既往的改革與實踐。

2 存在的問題

目前大多數高校工科類專業的人才培養，主要存在如下問題：（1）基礎性實驗偏多，主要側重學生基礎知識掌握情況的檢驗;（2）綜合應用類及開放性實驗較少，學生的真實能力情況難以評估，創新能力培養手段欠缺;（3）由于實驗場地大、設備大、工藝流程復雜等因素，學校難以復制大型裝備的作業現場;（4）制造類實驗需要不斷升級大型專業設備和工裝，消耗大量昂貴的實驗材料，物理成本極高。上述問題以機器人飛機裝配課程教學實驗尤為突出，究其原因主要是因為飛機裝配用工業機器人存在裝備質量大、控制系統封閉的缺點，為教學和人才培養帶來了實驗安全隱患和基礎研究難以從底層開發入手、逐步向工程應用過渡的弊端。因此，目前該專業教學仍以演示性和驗證性實驗為主，缺乏設計性和創新型實驗。亟須將一套系統完全開放、安全有保障的機器人半實物仿真實驗平臺融入飛機制造與裝配專業的實驗教學中，增加設計性、綜合性、創新性實驗。

3 改革內容

3.1 機器人半實物實驗平臺簡介

由加拿大QUANSER公司推出的Robotics Package平臺主要包括六自由度工業機器人、視覺檢測系統、實時仿真與控制系統等，可以完成機器人單機運動控制和機器視覺檢測等控制算法的研究，也可實現機器人飛機自動裝配的快速原型設計、仿真、驗證一體化虛擬開發。其中，工業機器人是基于Kinova六自由度機器人深度開發的機器人實驗平臺，總重量不足20kg，安全空間僅需要1m3，并可靈活拆卸組裝，可以保證實驗安全。該實驗套件配合QUARC開源架構，操作方便，教學門檻低。配合MATLAB/SIMULINK仿真模塊，可以對機器人六個關節的位移、速度和力矩進行參數調節，并編寫底層控制算法。該實驗套件可為學生介紹機器人D-H參數、運動學正逆解、運動控制、力位耦合控制等基礎內容提供操作性更安全、更方便的實驗平臺。

3.2 機器人虛擬裝配半實物實驗平臺搭建

通過在飛機裝配課程中引入加拿大QUANSER機器人半實物仿真實驗平臺，可進行飛機自動鉆鉚法向找正、孔位檢測、離線制孔路徑工藝規劃等技術研究，并對飛機裝配中經常用到的機器人軌跡規劃、空間插補與精度補償算法等進行研究，為機器人飛機裝配提供快速原型驗證與設計平臺。

（1）六自由度工業機器人實驗平臺建設。該實驗平臺由輕型六自由度機械臂、末端執行器、電源和信號電纜組成，可實現單關節動作、多關節聯動、空間直線、空間圓弧、抓取物體并搬運等。為飛機自動虛擬裝配算法的仿真驗證研究提供了安全的載體，避免直接在重載機器人上研究帶來的安全隱患和操作不靈活的問題。

（2）機器人視覺測量平臺建設。實驗平臺包括工業相機、視覺信息處理裝置，可為機器人自動裝配提供實時測量平臺。將被攝取的目標信息轉換成圖像信號，圖像系統對這些信號進行各種運算來提取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的機器人自動化裝配裝備動作。

（3）實時仿真與控制系統平臺建設。該平臺主要包括快速原型實時仿真機、實時仿真與控制軟件、開發主機等，為實現機器人自動裝配算法的在線設計、實時仿真、快速驗證提供一站式服務平臺。采用“上-下位機”架構，上位機用戶通過MATLAB/SIMULINK平臺完成機器人控制模型與定位算法的設計，經自動編譯后生成嵌入式代碼，然后通過以太網部署到實時仿真機（下位機）中運行，作為機器人的控制器原型使用，控制機器人各關節的運動，并采集相關視覺傳感器數據，形成閉環控制回路。

3.3 機器人飛機裝配半實物仿真實驗流程

使用MATLAB/SIMULINK建模環境結合實時仿真軟件包，可按照以下步驟實現機器人飛機裝配從建模到半實物仿真的全過程。

（1）飛機裝配實驗設計。根據飛行器制造工程專業培養方案和飛機裝配技術特點，根據知識結構，由毛坯→蒙皮成形實驗→鈑金零件→部件裝配實驗→裝配部件→翼身對接實驗→飛機大部件，構成一個飛機大部件裝配的實驗體系。梳理出飛機蒙皮成形工藝設計實驗、飛機壁板自動鉆鉚工藝設計實驗和飛機翼身對接實驗三個典型的設計探究性實驗模塊。

（2）模型搭建及仿真驗證。建立機器人飛機裝配過程的數學模型，通過SIMULINK環境下的數值仿真初步驗證模型及算法。

（3）半實物仿真模型建立。在SIMULINK數學模型中，根據實際需要從模塊庫中添加I/O模塊，如機器人通常用的Ethernet網口等，即用硬件接口代替原來的邏輯連接關系，建立半實物仿真模型。

（4）目標代碼生成及配置管理。在完成半實物仿真模型的參數設置后，調用自動代碼生成工具，將SIMULINK模型轉換為C代碼，并編譯為可執行程序;在主控軟件中，根據軟件向導，建立仿真工程，設置仿真目標機屬性。

（5）半實物實時仿真及數據后處理。在主控軟件中開始仿真，半實物模型編譯生成的代碼自動下載到目標機，并啟動實時運行，與實物設備通過I/O硬件進行交互;仿真結束后，進行實時數據上傳、格式轉換、數據分析等處理。

（6）實驗結果評估與再設計。學生分析機器人飛機裝配環節中的實驗數據，根據質量檢測結果，判斷是否為最優結果;如果是，則結束實驗，撰寫實驗報告;如果否，則重新設計機器人飛機裝配模型和參數，重復步驟（1）～（5）進行反復迭代優化，直至獲得最優實驗結果為止。

4 結語

針對當前機器人飛機自動裝配專業方向教學缺乏設計性、綜合性、創新性實驗，嚴重影響飛行器制造工程專業人才的工程實踐和創新能力培養的現狀，本文分析了目前大多數高校工科類專業人才培養存在的主要問題，給出了基于機器人半實物仿真實驗平臺的飛機裝配課程改革實踐教學的形式與內容，對建設以飛行器制造實際工程需求為核心的虛擬仿真實踐教學平臺，建成從機器人飛機裝配建模、可行性驗證到半實物仿真及再設計的一體化實驗教學體系具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]朱永國，周結華，霍正書，等.基于虛擬仿真和綜合案例的飛機裝配工藝課程教學改革[J].西部素質教育，2018，4（16）：167+169.

[2]常正平，夏松，楊根軍，等.飛機部件數字化對接裝配實驗平臺及教學項目設計[J].實驗技術與管理，2020，37（12）：52-56.

[3]聶卓赟，李兆洋，羅繼亮，等.面向MatLab實時控制的Sukung半實物仿真系統及實驗案例建設[J].中國現代教育裝備，2020，（343）：11-12+19.

[4]謝斌，蔡自興.基于MATLAB Robotics Toolbox的機器人學仿真實驗教學[J].計算機教育，2010，（19）：140-143.

[5]袁永偉，李珊珊，孔德剛，等.虛擬仿真在“工業機器人”實踐教學中的應用研究[J].教育現代化，2017，4（34）：190-191.

[6]朱永國，周結華，馬國祥.CDIO和虛擬仿真相融合的飛機裝配工藝教學新方法[J].南昌航空大學學報（自然科學版），2020，34（01）：110-115.

作者簡介：李波（1988— ），男，漢族，江蘇人，博士，講師，研究方向：機器人動力學與控制。