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摘要：為滿足自動化、電氣工程等專業學生對先進技術的實踐需求，文章提出利用Matlab-Robotic-Toolbox對工業機器人課程設計虛擬仿真實驗，結合信息化管理手段，科學規劃課程內容，線上微課理論講解與線下實驗指導相結合，促進學生理論聯系實際，實踐驗證理論，推進專業教學高質量發展。
關鍵詞：工業機器人；虛擬仿真；教學；管理
工業機器人是大多本科專業院校的一門重要的專業選修課，課程內容涉及自動化、電氣工程、電子信息類等專業的前沿技術，其實驗實踐環節則是授課的重點和難點。以一個50人的教學行政班為例，即使兩人為一組，也需要25組實物機器人實驗設備。由于機器人單價昂貴，占地面積大，且對實驗場地和操作人員都有很高的要求，大大增加教學成本。因此，實體機器人不適合作為本科生的工業機器人課程的實驗設備。本人結合多年的教學經驗，通過多種機器人仿真軟件的對比，選擇Matlab-Robotic-Toolbox軟件工具箱實現該課程的虛擬仿真實驗。虛擬實驗兼顧理論講解和程序實踐，利用信息化手段實施教學，務求從理論和實操兩方面同時提高教學質量，實現全周期的教學管理。
1教學設計
1.1建立模型和參數計算
在工業機器人課程中，一般會以矩陣的方式對運動學和動力學進行數學描述。齊次變換是以四階方陣變換為三維空間點的其次坐標。利用Matlab-Robotic-Toolbox工具箱中的transl、rotx、roty和rotz函數，可以實現齊次變換矩陣的平移變換和旋轉變換[1]。機器人運動學包括正向運動學和逆向運動學，正向運動學即給定機器人各關節變量，計算機器人末端的位置姿態；逆向運動學則是在得到末端位置姿態的基礎上計算出對應位置的全部關節變量[2]。機器人運動學涉及坐標轉換D-H變換矩陣、機器人正解及逆解等問題，可以使用Link函數求取機器人的運動學參數、動力學參數、剛體慣性矩參數、電機和傳動參數，再使用SerialLink函數實現機器人各關機的按順序連接。
1.2機器人控制與驅動系統
機器人的驅動系統以電機為準，包含步進電機、伺服電機、舵機和減速電機，而單片機或嵌入式芯片皆可控制電機的運作。機器人的控制與驅動實驗可采用51單片機或ARM單片機，經過Proteus的PWMservo完成舵機模型仿真，再采用專用芯片控制輸入I2C輸出PWM，調整不同的脈寬使對應舵機轉動不同的角度，實現電機的控制。
1.3傳感器的運用
工業機器人的主要傳感器分成內部和外部兩大模塊，其中內部傳感器包含位置傳感器、速度傳感器、加速度傳感器和力矩傳感器；外部傳感器則包含接近覺傳感器、觸覺傳感器、力覺傳感器、視覺傳感器等。內部傳感器用于測量每個關節位置，求出正解；設計者也可以通過軌跡規劃求取逆解，用以測量速度、加速度及力的大小。Matlab-Robotic-Tool⁃box工具箱提供了正逆解、軌跡規劃函數，其中fkine正解函數可根據給定的關節角參數，求解出末端位姿數據；ikine逆解函數可根據給定的末端位姿數據，求解出關節角數據[3]；jtraj五次多項式軌跡規劃函數則能一次性獲取關節角度、角速度、角加速度和多次的采樣點數。外部傳感器結合目前主流的Python軟件，主要用于實現人臉識別功能，以視覺傳感器為例，教視覺傳感器接收到多張人臉圖像轉化成矩陣數據的形式，通過Python的開源人臉識別庫與要識別的圖片進行特征數據提取、對比、匹配，最后輸出的匹配結果就是人臉識別的結果。
2教學管理
2.1網絡微課實現線上+線下雙驅動教學
本課程的線上教學，是把理論講解與實驗演示過程制作成微課視頻，“搬到”手機上，打破線下實驗教學環境的局限，利用線上課程“帶節奏”，讓學生清晰觀察從理論到實操的每個步驟。學生可根據自己接受程度調整視頻的播放速度，按照時間節點高效完成虛擬實驗的全部環節。線下教學則是對線上課程的補充、實驗異常的指導、實驗作品的驗收，以及對反饋問題的總結與處理。利用這種創新的教學模式，充分利用課堂時間，調動學生的學習積極性，提升學生對教師和教學資源的認可度。
2.2系統規劃教學內容，實現分層次教學
工業機器人課程教學主要分為數理分析和程序編譯兩部分，每次的教學內容應按照種類、難度、復合度劃分成基礎、綜合和拓展三大模塊，教學時注意層層遞進、化繁為簡，才能突出重點和教學目標，讓內容豐富、有層次且不超時，確保學生在掌握基礎與綜合兩部分內容的基礎上，按需、按能力進行拓展訓練。
2.3信息化管理實現多維教學評價
利用線上教學平臺的考勤功能，快速定位和完成學生簽到；利用平臺的資源播放功能分享教學視頻與學習資料；通過設置平臺的評價項目，自動對學生的視頻觀看進度和作業進行打分和排名，減輕教師“一對多”實踐教學的壓力，使教師有更多的精力關注教學成效。教師根據課堂練習、作品驗收、線上作業等環節了解每個學生的薄弱點，及時給予針對性的指導；利用平臺的討論區，帶動學生進行問題研討、技能延伸和經驗分享，形成“教”“學”聯動、相互帶動的教學氛圍，實現因材施教。
3實施效果
以第一章機器人學的數學基礎講解為例，對理論講解、程序分析、仿真實驗等方面進行效果描述。
3.1理論講解具體化
通過線上微課的動畫與講解，讓學生對機械臂的位置與姿態描述、坐標變換能有一個清晰的認識。微課能模擬現場教學的多媒體環境，通過矩陣反映坐標與位置，實現理論教學的具體化。線上微課可以反復觀看，溫故知新。學生遇到問題時可以線上聯系教師，線下答疑。
3.2程序編寫教學更直觀
理論要通過程序來實現，程序也要根據理論來調整，因此，教師可通過線上+線下雙驅動教學模式，實現數學基礎與程序編寫的“搭橋”。以前文的理論講解為基礎，利用具體的例子，對程序的語法、用法、參數設置進行講解，讓學生理解該如何使用程序實現功能，懂得根據需求來修改命令的參數。
3.3實驗操作形象化
利用Matlab-Robotic-Toolbox，可以通過三維圖、矩陣數據等形式實現坐標圖的生成、坐標系的描述、機械臂的創建，利用Link函數求取機器人的運動學參數、動力學參數、剛體慣性矩參數、電機和傳動參數，再使用SerialLink函數實現機器人各關機按順序連接。六軸機器人的D-H建模如圖1所示，實現矩陣變換的效果具體化。
4結語
本文介紹了Matlab-Robotic-Toolbox軟件在工業機器人虛擬實驗教學的應用，課程通過虛擬實驗的靈活性設置，能滿足課程實驗教學的要求，降低了教學成本，信息化的教學手段高效完成編程細節指導，讓實驗更有代入感，學生不僅體驗到編程的樂趣，還提高了技術應用的自信，更強化了對如Python編程、神經網絡模型、機器視覺等拓展課程的興趣。
作者：鄧塏鏞 趙慧元 張小鳳 田剛 單位：北京理工大學珠海學院
