系統(tǒng)模型下的機器人創(chuàng)新實驗設計

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摘要：針對《機器人學》課程的實驗項目，文章提出基于系統(tǒng)模型的創(chuàng)新設計方法，它采用可視化建模技術，結合嵌入式控制器對機器人進行實時控制、數(shù)據(jù)采集和分析，設計過程中采用了虛實結合的方式，利用數(shù)字孿生技術的優(yōu)點，實現(xiàn)虛擬仿真與物理實體運動無縫結合。采用此方法對六軸協(xié)作機械臂運動學、動力學控制進行了設計，整個實驗設計過程及控制結果表明，此方法簡單有效，可以有效提高學生面向工程實踐的創(chuàng)新設計能力。

關鍵詞：系統(tǒng)模型；創(chuàng)新設計；數(shù)字孿生；六軸機械臂

機器人是集機、電、控制、人工智能等技術相互交叉融合的產品，是目前新工科建設中最具代表性的前沿交叉學科之一。當前我國生產制造智能化改造升級的需求日益凸顯，機器人的應用領域逐漸由搬運、焊接、裝配等操作型任務向加工型任務拓展。同時，隨著近年來國家對環(huán)保和民生問題的高度重視，特別在化工以及與民生相關的環(huán)保、食品、飲料和制藥等行業(yè)中機器人的應用范圍越來越廣。面對日益增長的機器人人才需求狀況，近兩年我國高校特別是很多地方應用型高校都開設了機器人工程專業(yè)。面對復雜的機器人系統(tǒng)進行有效的設計還很缺乏，導致在學生的學習過程中，創(chuàng)新能力和實踐能力怎樣得到充分鍛煉，努力縮小“學與用”之間的差距是提高高等教育質量，更是改善專業(yè)技術人才嚴重緊缺的關鍵。但是目前的機器人專業(yè)大多數(shù)課程偏重于課堂講授，動手實踐課程或實踐項目，特別是針對工廠生產實際應用的實驗項目設計非常欠缺。因此，增強機器人實驗教學的設置和探索，實驗項目創(chuàng)新設計的改革十分必要[1-3]。當前，地方應用型高校較多的實驗教學都是驗證型教學實驗，傳統(tǒng)的實驗教學存在推廣性差、驗證性實驗多、跨學科綜合創(chuàng)新實驗少的不足，導致機器人專業(yè)人才培養(yǎng)短板開始突現(xiàn)。由學生自己動手進行的創(chuàng)新型的實驗項目嚴重缺乏，存在很多制約創(chuàng)新人才培養(yǎng)的問題。因此創(chuàng)新性實踐教學是各高校進行實驗教學、培養(yǎng)學生多學科綜合能力的重要方面[4]。本文以銅陵學院機器人工程專業(yè)課程實驗為例，作者根據(jù)工程教育專業(yè)認證標準要求，結合機器人專業(yè)實驗教學現(xiàn)狀，對《機器人學》課程中應用到的機器人創(chuàng)新設計實驗項目進行了探索與實踐，以工業(yè)和科研中常用的六軸協(xié)作機械臂設計為例進行創(chuàng)新設計方法探討。學生要進行創(chuàng)新實驗設計，需要有對實際問題了解、分析并運用知識進行解決的能力。為此需要構建基于模型的創(chuàng)新實驗教學項目體系，開發(fā)具有工程實踐背景的創(chuàng)新型實驗項目，以此來激發(fā)學生自主創(chuàng)新探索的能力[5-6]，以解決復雜工程問題。

一、基于Matlab的系統(tǒng)模型設計方法介紹

學生在進行創(chuàng)新實驗項目設計時，首先要求充分理解項目設計的要求，然后充分利用各種手段（例如同學間討論，網(wǎng)上搜索、請教老師等）去嘗試完成這些實驗項目設計，要把所學知識順利應用到實驗設計中去。讓學生經(jīng)歷一個機器人如何動、怎么動、動的效果怎樣？機器人與視聽觸等感知模塊和外圍自動設備之間如何協(xié)作的認知過程。同時在這個實驗項目設計過程中，還需要安排一定數(shù)量的機器人控制器的基礎性實驗，讓學生設計一些如各類電機的控制、外部傳感器信號采集等關鍵模塊的應用。要求學生學會如何使用Matlab,Simulink和MBD等先進的軟件工具進行創(chuàng)新實驗項目設計[7-8]。機器人產業(yè)發(fā)展對工程科技人員需求，將產業(yè)和技術的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的需求引入教學過程，積極探索綜合性、問題導向、交叉專業(yè)，把握新工科人才的核心素質，培養(yǎng)創(chuàng)新思維、工程思維?；谙到y(tǒng)模型的工程設計要在系統(tǒng)開發(fā)的不同階段建立相應的系統(tǒng)模型，利用高層次的編程語言進行設計、仿真和系統(tǒng)實現(xiàn)。近十年來，許多國防、航空航天、汽車、和數(shù)字通信等行業(yè)的著名高科技公司，如寶馬、豐田、波音、愛立信等，紛紛接受“基于系統(tǒng)模型的工程設計（MBD）”思想，采用MATLAB和Simulink作為全公司進行系統(tǒng)仿真、設計、測試和驗證的軟件平臺。如圖1所示，基于系統(tǒng)模型的工程設計要在系統(tǒng)開發(fā)的不同階段建立相應的系統(tǒng)模型，利用高層次的編程語言進行設計、仿真和系統(tǒng)實現(xiàn)。Mathwork公司在Simulink平臺基礎上，開發(fā)并推出的一系列系統(tǒng)設計工具，為實際系統(tǒng)的性能測試、設計實驗提供高效的開發(fā)環(huán)境。在此基礎上，工程技術人員可以大幅提高工作效率、縮短設計時間和產品開發(fā)周期。

二、六軸協(xié)作機械臂運動學控制設計

協(xié)作機器人能夠滿足任務多樣性和環(huán)境復雜性的要求，用于執(zhí)行與未知環(huán)境和人發(fā)生交互作用的操作任務，是下一代機器人的重要發(fā)展方向。本文選用的六軸協(xié)作機器臂開發(fā)系統(tǒng)為負載3kg的輕型協(xié)作機器人，結構小巧，擁有一體化的驅動器和六軸運動控制器，六軸協(xié)作機械臂系統(tǒng)是由六軸機械臂本體、控制系統(tǒng)、上位機和穩(wěn)壓電源組成。每個機械臂關節(jié)由諧波減速機、力矩電機、高精度絕對值編碼器、高精度增量式光電編碼器和伺服驅動器組成。驅動控制系統(tǒng)是基于TMS320F28335DSP控制器和MATLAB/Simulink環(huán)境開發(fā)，為教學和科研提供優(yōu)越的開放性支撐。機器人運動學控制系統(tǒng)選用合動智能公司的cSPACE控制器，擁有AD、DA、IO、Encoder、PWM、CAN、SPI等豐富的硬件外設接口，以及一套功能強大的監(jiān)控軟件。結合計算機模擬和嵌入式實時控制技術，能實現(xiàn)快速控制原型（RCP）設計的功能，也是基于模型設計（MBD：Model-BasedDesign）典型的產品。系統(tǒng)以圖形化的建模工具如MATLAB/Simulink對復雜邏輯進行設計、分析、仿真，可視化程度高、思路清晰、目標明確、簡單易懂，便于查找錯誤、維護方便（如圖2所示）?？赏ㄟ^對MATLAB/Simulink對控制算法進行仿真，將輸入、輸出接口替換為公司的cSPACE模塊，編譯并自動生成DSP代碼，在cSPACE上運行后就能方便地實現(xiàn)對被控對象的控制。同時系統(tǒng)還可運行Simulink搭建的被控對象的模型，模擬被控對象，通過輸入接口接收控制量的輸入，輸出接口輸出被控對象的狀態(tài)，測試實際的控制器，實現(xiàn)硬件在回路仿真功能。在硬件設計的同時，軟件設計即可全面展開，大大縮短了開發(fā)周期。從軟件開發(fā)的第一步開始，工程師就可以通過自動代碼生成，觀察結果，調試邏輯，大大加快調試進度。學生采用成熟工具，可以實現(xiàn)代碼自動生成，完全避免了手工編碼的低級錯誤。并且在設計修改后，極短時間內即可重建系統(tǒng)軟件，而無須進行多次反復測試采用建模工具及輔助設備，可以在模型建立后，立即實現(xiàn)快速原型仿真，用戶馬上可以看到設計運行的結果，工具可以協(xié)助用戶及時修改需求，在最短的時間內完善需求設計。

三、虛實結合的機器人創(chuàng)新設計過程

機器人運動學、動力學實驗項目在設計過程中不可避免會與理想狀況產生偏差，導致性能參數(shù)難以達到設計要求，往往需要對硬件系統(tǒng)反復進行調試，不僅僅針對電控部分，還需要和機械部分進行聯(lián)合調試，修正-調試不斷反復，特別是機電聯(lián)調非常麻煩?；谀Ｐ偷脑O計可以利用數(shù)字孿生技術進行虛實結合的仿真調試，數(shù)字孿生就是通過物理硬件（如軸承、機械臂、電機等）、自身嵌入式軟件系統(tǒng)及通信模塊，構成含有“感知-分析-決策-執(zhí)行”數(shù)據(jù)自動流動的基本閉環(huán)，集成多學科、多物理量、多尺度的仿真過程，在虛擬空間中完成對物理實體的映射?？蓪⑽锢韺嶓w和系統(tǒng)的屬性、結構、狀態(tài)、性能、功能和行為映射到虛擬世界，通過將物理實體中的屬性、規(guī)律、知識等體現(xiàn)在數(shù)字虛體中，在實物機器人上安裝傳感器，在實驗過程中，將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳遞到產品的數(shù)字孿生模型，通過對數(shù)字孿生模型進行仿真和優(yōu)化，從而改進和提升最終定型產品的性能[9-12]。在數(shù)字虛體中進行計算、仿真、優(yōu)化等，并對物理實體進行驅動，形成虛實融合的數(shù)字虛體-物理實體虛體。通過物理場景與虛擬場景設備的同步、異步監(jiān)測、控制與分析,實現(xiàn)虛擬仿真與現(xiàn)實運動無縫結合，大大提高設計的效率，提升學生對系統(tǒng)控制過程的認識深度。本實驗設計流程如下：首先通過Solidworks三維建模軟件建立六軸協(xié)作機器人三維數(shù)字模型（如圖3所示），將各個關節(jié)之間配合約束設成重合和同軸，同時將裝配體的初始狀態(tài)配置成建立D-H參數(shù)的狀態(tài)；其次把Solid-works三維模型導出為Simscape模型，在CSPACE控制器中建立Simulink控制模塊，配置各關節(jié)參數(shù)屬性，搭建驅動模型，編寫機器人運動學算法，實現(xiàn)Sim-scape物理模型仿真。再將模型算法通過自動代碼生成到機械臂的控制芯片中，實現(xiàn)機械臂的運動學和動力學控制（如圖4）。

四、結論

基于系統(tǒng)模型的創(chuàng)新設計方法，具有很好的開放性，可方便地進行硬件擴展，圖形化、在線修變量，自行編寫軟件代碼，可以在模型建立后，立即實現(xiàn)快速原型仿真，用戶馬上可以看到設計運行的結果，工具可以協(xié)助用戶及時修改需求，在最短的時間內完善需求設計，加快學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過虛實聯(lián)動，可得到矯正好的系統(tǒng)模型，提高仿真準確性，在不需要建造實際系統(tǒng)的情況下，在仿真里測試了機械臂運動學、動力學控制，并通過物理實物進行驗證，減少實驗設計的時間。六軸協(xié)作機械臂的控制系統(tǒng)設計，可以讓學生了解機器人機械結構、驅動傳動、傳感器、控制器以及程序編寫的知識，讓學生更好地了解運動學、動力學建模與控制、精密軌跡控制，結合工程實踐理解環(huán)境、作業(yè)對象。

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作者：殷建 單位：銅陵學院