基于自制“機器人學”實驗設備的虛實融合實驗教學實踐

胡秋實，李 恒，李 磊

（江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212000）

0 引言

2018，教育部發布了《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0 的意見》（下稱卓越工程師培養計劃2.0）[1]，該計劃對于深入開展新工科研究與實踐，構建產學合作協同育人，持續打造產教融合、產學研用的新生態。為適應經濟社會發展需求，依據“工程教育認證”和“卓越工程師培養計劃2.0”的相關要求，國內各工科院校積極開展相關教育教學改革和實踐，為了提高學生的實踐能力和創新能力[2]。作為國內首批300 所“卓越工程師培養計劃2.0”建設高校之一，江蘇科技大學積極開展課程改革，以機械工程學院為例，學院在新一輪的理論和實驗教學大綱修訂工作中加強了實踐環節的培養力度，特別是新增設了智能制造工程專業，對機器人和機電傳動等相關課程的教學和實驗提出了更高的要求。自制“機器人學”實驗設備（下稱自制實驗設備），不僅可以獲得比直接外購更好的教學和實驗效果，又可以減少資金投入，同時鍛煉了教師隊伍，增加了學生的參與機會，為后期的本科創新計劃和研究生培養奠定基礎，具有明顯的技術和經濟效益。

1 自制實驗設備開發

1.1 開發背景

當前，隨著協作機器人和人形機器人的技術發展，機器人的關節已由過去的驅動和控制獨立式發展為驅控一體化的關節模組[3]。然而，市場上沒有針對教學演示和創新設計用的機器人關節一體化傳動實驗模組。機器人關節減速器生產商的主要客戶均為機器人本體制造商，無法用于學生的實驗教學[4]。進口品牌雖然有部分關節模組，但控制系統不開放，并且不提供接口的定制化，不能直接面向實驗和相關教學實踐活動。因此，需要自主開發“機器人學”自制實驗設備，滿足學生的培養需求。

1.2 軟硬件開發

“機器人學”自制實驗設備為機器人關節一體化傳動實驗模組，其結構主要包括精密傳動和驅動控制兩部分，核心零部件主要有諧波減速器、無框力矩電機、制動器、驅控器和角度編碼器等。

為了能滿足學生對“機器人學”自制實驗設備的拆裝需求，機械部分均采用模塊化接口，并對關鍵傳動部件諧波減速器的輸入軸進行結構改進，方便學生實驗過程中的拆裝。關節模組的機械部分均由項目組自行設計，輸出工程圖后委外加工，無框力矩電機、制動器、角度編碼器和伺服驅控器等電氣元件均選型自市場上的成熟產品。

軟件層面，“機器人學”自制實驗設備基于閉環伺服控制技術，驅控系統以STM32 單片機為基礎，采用CAN 通信進行電信號與上位機的信息交互。上位機軟件可實現如下功能：（1）運動模式控制，可實現絕對位置控制、速度控制、加速度控制、減速度控制等功能。（2）PID 調節，可進行速度環和位置環的比例、積分、微分控制，調整各參數值，通過示波器進行波形的采集和顯示。學生可以根據課程要求，進行包括結構拆裝、調速、位置控制、PID 參數調節等實驗內容。

1.3 課程契合度分析

學院過去采用的是傳統六軸工業機器人進行實驗，由于工業機器人系統和機械部分不開放，僅能進行機器人結構、機器人建模及控制等教學內容。本方案開發的“機器人學”自制實驗設備，不僅可以作為單個模組為學生提供齒輪傳動教學、PID 轉速控制和伺服控制，還可以通過多模組的快速組裝實現可變軸機器人的搭建，為學生提供機器人認知、運動規劃、軌跡規劃以及正逆解等課程實驗。自制實驗設備無論在實驗數量和課程的契合度上，均優于傳統的實驗方案，具有良好的教學應用價值。

2 自制實驗設備虛實融合實驗模式改革實踐

機器人學實驗課主要分為兩個實驗，實驗一為“數字化建模仿真及裝配”，實驗二為“關節運動控制與仿真”。本課程以自制實驗設備為對象，采用設計—建模—裝配—運動仿真的實驗流程，學生自主進行機器人關節結構的分析與研究，強化學生對機器人學核心知識點的理解。兩個實驗模式的論述如下：

2.1 實驗一：“數字化建模仿真及裝配”

該實驗通過自制實驗設備，使學生認識和了解工業機器人、協作機器人的基本結構和組成，了解主要的電氣元件。（1）首先引導學生思考當前關節型機器人的結構特征，例如“六軸機器人”的軸數由什么決定？機器人實現運動關鍵是什么？如果將模塊化思想引入機器人中，是否就可以像搭積木一樣“DIY”出一臺機器人出來？通過上述問題，引入我們的一體化關節模組設計理念，加深學生對關節模組結構的思考。（2）在關節模組結構的基礎上，從尺寸、精度、負載和剛度四個維度，選取適合關節模組的減速器類型，學生在選擇過程中加深對傳動原理和適用場景的認識。（3）給定關節模組的工況，讓學生進行減速器的尺寸設計和建模，并計算傳動比、負載力矩、傳動效率等技術參數。（4）進行關節模組的實物裝配，將減速器、電機、編碼器、驅控器和制動器按照模塊化的接口組合成關節實驗模組。（5）進行虛實融合的運動控制實驗，首先基于Solidworks 三維模型，進行運動仿真，區別轉動副與固定副，然后進行模組實物運動控制實驗，通過不同速度、運動模式的控制，強化對模組功能的理解，以及其在機器人本體中的重要作用。實驗流程如圖1 所示。

圖1 實驗一的實驗流程

數字化建模仿真及裝配實驗開展過程融合了虛擬仿真（Solidworks 建模與仿真）與實物操作（模組裝配與控制），實驗過程以學生為主體，貫穿基礎原理、結構參數設計與工程應用能力的培養，學生在動手和思考的過程中，為機器人學課程的理論知識學習奠定了良好的實踐基礎。

2.2 實驗二：“關節運動控制與仿真”

該實驗的主要目的是了解PID 控制進行機器人關節調控基本原理，掌握比例環節、積分環節和微分環節的作用和調整方法。（1）運用Matlab 軟件的Simulink 模塊，基于PID 控制的基本原理和關節模組的傳遞函數，構建給定關節模型參數的Simulink 仿真流。改變比例環節、積分環節和微分環節的取值，觀察該閉環系統對單位階躍信號的響應。記錄不同比例環節、積分環節和微分環節取值下，系統響應曲線的“超調量”及“響應時間”。所記錄的數值不少于10 組，并取一組作為最優值。（2）關節模組PID 速度環調節實驗。在關節模組的上位機的模塊中進行參數調節，然后在上位機的“示波器”模塊中，調整“速度環增益”、“速度環積分”等PID 參數值，調整到波形在剛好超調一點，但是未出現過大的震蕩。調整結束后，記錄最優值。完成實驗后，需要學生思考理論虛擬模型與實物實驗中PID 參數的差異，引導學生意識到虛擬模型是實物模型的“理想化”簡化，培養解決工程問題的數學思維，實驗流程如圖2 所示。

圖2 試驗二的實驗流程

目前，已經開展的2 個實驗主要面向《機器人學》實驗課程，實驗教學采用軟件虛擬教學和實物硬件教學相結合的形式，直觀、可視化、信息量大，學生接受知識的渠道多，興趣更濃厚。經過2 個學年的實驗教學，學生收獲較大，教師授課輕松，教學效果較好，改革成效顯著。

3 自制實驗設備虛實融合實驗模式拓展與展望

3.1 從自制實驗設備到教材修訂，課程改革

為了使學生更好地理解機器人的結構，機器人學教研組以自制實驗設備的技術資料為藍本，在原有《機器人學》教材的基礎上，強化機器人本體結構及其設計要求，經過2 個學期的實驗教學，反復修改完善原有教材，修訂后的教材《機器人技術基礎及應用》于2022 年10 月交由出版社出版，新教材中專門增加了章節：“機器人的本體結構設計”。該章節加強了對機器人機械系統的剖析，從本體構型、運動形式、傳動方式、驅動力計算、執行器設計等環節，圖文并茂從關節模組到多軸機器人結構進行了講解，該教材不僅反映了自制實驗設備的工程應用價值，也可以更好的指導學生的實踐教學。

3.2 從自制實驗設備到本科畢設，產教融合

本科生的畢業設計是對大學階段專業課程的一次綜合實訓，是將書本知識與工程需求相結合的研究過程。將自制實驗設備的開發過程融合到本科畢設中，從選題的確定、任務書的下達、研究進展的跟蹤、完成情況的評價以及應用效果的提升，學生在分析問題、研讀文獻、設計開發、綜合調試以及綜合匯報等畢業設計環節中，掌握機器人關節的結構、原理與應用。通過本科畢設的培養，將機器人產業復雜的工程問題轉變為畢業設計教學過程中的案例層次分析，產教融合達到設計要求。

3.3 從自制實驗設備到本創競賽，以賽促學

創新創業比賽是為本科生提供學術和產業成果展示的競賽平臺，而自制實驗設備正是從機器人產業源頭挖掘的產業核心需求，將之進行拓展便可作為本創競賽課題，比賽的思想風暴、樣機制造、材料撰寫、匯報答辯等環節，促進本科生各學科的綜合發展，提升學生的學習能力和綜合素質。課程小組以自制實驗設備的開發為契機，先后指導多位本科生參加《機械創新設計大賽》《互聯網+大學生創新創業大賽》，獲得省級獎3 項，國家級獎1 項。在參賽過程中，教師和學生共同提升，教師對于自制實驗設備成果應用開發更有心得，學生的學習興趣和獨立學習和創新思維得到充分鍛煉，效果顯著。

3.4 從自制實驗設備到成果轉化，產學研用

在自制實驗設備開發初期便聚焦機器人技術的前沿，課程小組關注到關節模組同樣可應用于機床的“第四軸”，實現低成本的設備改造。在與需方企業進行技術對接確認技術細節后，完成了橫向課題的立項，為企業開發生產裝備，很好地解決了企業的工程問題。通過自制實驗設備的成果轉化，不僅可以教師的理論知識水平，而且可以在與企業的交流中獲取產業發展動態的第一手資料，使開發出的產品具備前瞻性、實用性、經濟性等特點，成為產學研用的技術孵化器，促進以自制實驗設備促進成果轉化的新模式，更好地扮演在產學研用中的中堅角色，促進產學研用各方的深入融合。

4 結語

通過踐行“工程教育認證”和“卓越工程師培養計劃2.0”，推進了課程改革和實踐創新。完成了自制“機器人學”實驗設備的開發、軟硬件開發并進行了課程契合度分析。凸現了自制實驗設備進行“機器人學”相關實驗的重要性。運用機器人學的兩個典型虛實融合實驗，以“數字化建模仿真及裝配”與“關節運動控制與仿真”兩個實驗教學開展的詳細過程為例，探索自制實驗設備在虛實融合實驗中的作用。也探索自制實驗設備對課程改革、產教融合、以賽促學和產學研用的正向激勵作用。自制實驗設備不僅推進了實驗教學虛實融合教學模式的改革，也為創新能力的培養奠定基礎，具有明顯的技術和經濟效益。