前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的虚拟实验的工业机器人教学设计和管理，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要：为满足自动化、电气工程等专业学生对先进技术的实践需求，文章提出利用Matlab-Robotic-Toolbox对工业机器人课程设计虚拟仿真实验，结合信息化管理手段，科学规划课程内容，线上微课理论讲解与线下实验指导相结合，促进学生理论联系实际，实践验证理论，推进专业教学高质量发展。
关键词：工业机器人；虚拟仿真；教学；管理
工业机器人是大多本科专业院校的一门重要的专业选修课，课程内容涉及自动化、电气工程、电子信息类等专业的前沿技术，其实验实践环节则是授课的重点和难点。以一个50人的教学行政班为例，即使两人为一组，也需要25组实物机器人实验设备。由于机器人单价昂贵，占地面积大，且对实验场地和操作人员都有很高的要求，大大增加教学成本。因此，实体机器人不适合作为本科生的工业机器人课程的实验设备。本人结合多年的教学经验，通过多种机器人仿真软件的对比，选择Matlab-Robotic-Toolbox软件工具箱实现该课程的虚拟仿真实验。虚拟实验兼顾理论讲解和程序实践，利用信息化手段实施教学，务求从理论和实操两方面同时提高教学质量，实现全周期的教学管理。
1教学设计
1.1建立模型和参数计算
在工业机器人课程中，一般会以矩阵的方式对运动学和动力学进行数学描述。齐次变换是以四阶方阵变换为三维空间点的其次坐标。利用Matlab-Robotic-Toolbox工具箱中的transl、rotx、roty和rotz函数，可以实现齐次变换矩阵的平移变换和旋转变换[1]。机器人运动学包括正向运动学和逆向运动学，正向运动学即给定机器人各关节变量，计算机器人末端的位置姿态；逆向运动学则是在得到末端位置姿态的基础上计算出对应位置的全部关节变量[2]。机器人运动学涉及坐标转换D-H变换矩阵、机器人正解及逆解等问题，可以使用Link函数求取机器人的运动学参数、动力学参数、刚体惯性矩参数、电机和传动参数，再使用SerialLink函数实现机器人各关机的按顺序连接。
1.2机器人控制与驱动系统
机器人的驱动系统以电机为准，包含步进电机、伺服电机、舵机和减速电机，而单片机或嵌入式芯片皆可控制电机的运作。机器人的控制与驱动实验可采用51单片机或ARM单片机，经过Proteus的PWMservo完成舵机模型仿真，再采用专用芯片控制输入I2C输出PWM，调整不同的脉宽使对应舵机转动不同的角度，实现电机的控制。
1.3传感器的运用
工业机器人的主要传感器分成内部和外部两大模块，其中内部传感器包含位置传感器、速度传感器、加速度传感器和力矩传感器；外部传感器则包含接近觉传感器、触觉传感器、力觉传感器、视觉传感器等。内部传感器用于测量每个关节位置，求出正解；设计者也可以通过轨迹规划求取逆解，用以测量速度、加速度及力的大小。Matlab-Robotic-Tool⁃box工具箱提供了正逆解、轨迹规划函数，其中fkine正解函数可根据给定的关节角参数，求解出末端位姿数据；ikine逆解函数可根据给定的末端位姿数据，求解出关节角数据[3]；jtraj五次多项式轨迹规划函数则能一次性获取关节角度、角速度、角加速度和多次的采样点数。外部传感器结合目前主流的Python软件，主要用于实现人脸识别功能，以视觉传感器为例，教视觉传感器接收到多张人脸图像转化成矩阵数据的形式，通过Python的开源人脸识别库与要识别的图片进行特征数据提取、对比、匹配，最后输出的匹配结果就是人脸识别的结果。
2教学管理
2.1网络微课实现线上+线下双驱动教学
本课程的线上教学，是把理论讲解与实验演示过程制作成微课视频，“搬到”手机上，打破线下实验教学环境的局限，利用线上课程“带节奏”，让学生清晰观察从理论到实操的每个步骤。学生可根据自己接受程度调整视频的播放速度，按照时间节点高效完成虚拟实验的全部环节。线下教学则是对线上课程的补充、实验异常的指导、实验作品的验收，以及对反馈问题的总结与处理。利用这种创新的教学模式，充分利用课堂时间，调动学生的学习积极性，提升学生对教师和教学资源的认可度。
2.2系统规划教学内容，实现分层次教学
工业机器人课程教学主要分为数理分析和程序编译两部分，每次的教学内容应按照种类、难度、复合度划分成基础、综合和拓展三大模块，教学时注意层层递进、化繁为简，才能突出重点和教学目标，让内容丰富、有层次且不超时，确保学生在掌握基础与综合两部分内容的基础上，按需、按能力进行拓展训练。
2.3信息化管理实现多维教学评价
利用线上教学平台的考勤功能，快速定位和完成学生签到；利用平台的资源播放功能分享教学视频与学习资料；通过设置平台的评价项目，自动对学生的视频观看进度和作业进行打分和排名，减轻教师“一对多”实践教学的压力，使教师有更多的精力关注教学成效。教师根据课堂练习、作品验收、线上作业等环节了解每个学生的薄弱点，及时给予针对性的指导；利用平台的讨论区，带动学生进行问题研讨、技能延伸和经验分享，形成“教”“学”联动、相互带动的教学氛围，实现因材施教。
3实施效果
以第一章机器人学的数学基础讲解为例，对理论讲解、程序分析、仿真实验等方面进行效果描述。
3.1理论讲解具体化
通过线上微课的动画与讲解，让学生对机械臂的位置与姿态描述、坐标变换能有一个清晰的认识。微课能模拟现场教学的多媒体环境，通过矩阵反映坐标与位置，实现理论教学的具体化。线上微课可以反复观看，温故知新。学生遇到问题时可以线上联系教师，线下答疑。
3.2程序编写教学更直观
理论要通过程序来实现，程序也要根据理论来调整，因此，教师可通过线上+线下双驱动教学模式，实现数学基础与程序编写的“搭桥”。以前文的理论讲解为基础，利用具体的例子，对程序的语法、用法、参数设置进行讲解，让学生理解该如何使用程序实现功能，懂得根据需求来修改命令的参数。
3.3实验操作形象化
利用Matlab-Robotic-Toolbox，可以通过三维图、矩阵数据等形式实现坐标图的生成、坐标系的描述、机械臂的创建，利用Link函数求取机器人的运动学参数、动力学参数、刚体惯性矩参数、电机和传动参数，再使用SerialLink函数实现机器人各关机按顺序连接。六轴机器人的D-H建模如图1所示，实现矩阵变换的效果具体化。
4结语
本文介绍了Matlab-Robotic-Toolbox软件在工业机器人虚拟实验教学的应用，课程通过虚拟实验的灵活性设置，能满足课程实验教学的要求，降低了教学成本，信息化的教学手段高效完成编程细节指导，让实验更有代入感，学生不仅体验到编程的乐趣，还提高了技术应用的自信，更强化了对如Python编程、神经网络模型、机器视觉等拓展课程的兴趣。
作者：邓垲镛 赵慧元 张小凤 田刚 单位：北京理工大学珠海学院
