郭龙川[1] 陈升[1]
杭州电子科技大学 机械工程学院，杭州 310032
摘要：在智能机器人相关的课堂教学实践中，理论和技术较为抽象，这种抽象主要表现在两个方面，一是机器人应用环境距离学生较远，学生对于工业机器人的相关系统概念是模糊的，仅仅依靠图片和视频是难以形成完整的机器人学科的知识体系。二是机器人系统涉及面广，涉及机械、控制、材料多种学科的融合。基于此，单一的理论传授式的教学是难以达到课堂教学目的，且教学效果较差。通过一些仿真实验环节，特别是搭建具体的半实物仿真平台，可以对课堂教学进行有效的补充和支撑，这将会对学生较好的掌握机器人的相关知识体系具有非常大的帮助，并产生良好的课堂教学效果[1-3]。
关键词： 仿真模型 智能机器人教学
1 前言
国家近些年大力发展智能工业机器人计划，包括研制高端机器人装备等。在此大环境下，国内相关行业对机器人工程相关专业人才需求极大，国内各个高校都开设了与智能机器人相关的专业。机器人技术课堂教学面临诸多问题，首要问题即是理论与实际的脱节，这在国内各个高校中都是普遍现象。本课题申请人多次走访相关高校，通过实地调研并旁听部分高校的课堂教学内容，发现通过具体实物的仿真可以让学生更为直观的接受知识，学生可以利用实物仿真平台进行观察，对比和操作。但是本人在调研过程中也发现一些教学中的问题：实物仿真平台设备较大，对场地需求较高，转移性不够，学生只能通过相关课程中的仅有的少量实验学时才能接触这些仿真设备，走马观花的成分较为普遍。基于此，本文考虑通过一些先进的工程建模软件，将软件和实际机器人工程中的复杂装备进行接合，使其模型化和模块化，并且让学生完成这些模型化和模块化的内容，此举可以让学生不仅在课堂少量的时间中接触专业的智能机器人设备，也能在充足的课余时间中随时拿出仿真模型，随时进行分析和研究，而不至于产生在课上蜻蜓点水式的理解，下课之后即完全忘却的情形[4-7]。
2、智能机器人仿真案例
本文拟以“机器人系统”课程中的主要内容为基础，尝试在课堂教学实践中，引入Simulation X软件，对“机器人机械手臂执行机构，水下机器人，运动控制系统等教学中所涉及的装备进行机理建模和动态仿真分析。基于Simulation X软件搭建的智能机器人仿真平台将训练学生在多模态机器人各个方面的综合设计能力。
通过对运行机理进行分析并建立数学模型，再结合Simulation X软件中最新的机器人库组件模块，学生可以自主设计并搭建若干智能机器人的仿真系统，根据要求设定诸如机器人机械手臂执行机构的动作时间及运行方式等内容，可充分将理论与实践衔接起来，一方面使学生能够系统地学习理论知识，掌握典型机器人的基本原理与技术；另一方面有助于提高学生解决实际智能机器人工程问题的能力，从而提升教学质量与效果。具体涉及的教学实践如下：
1.多学科领域系统动力学仿真软件 SimulatioX 概述，包括建模方式，软件模块，开发理念，分析功能。
2.初步使用 SimulationX，包括运行 SimulationX 模型实例，打开模型文件，修改参数，运行仿真，创建模型，选择连接元件，输入参数，时域的瞬态仿真，频域的稳态仿真，SimulationX 对不同种类系统的建模与分析。
3.系统建模的基本原理，包括三种建模方式，创建模型，参数和结果，特殊主题。
4.计算分析，包括时域内的瞬态仿真，结果的动画显示，周期性稳态仿真，平衡 (静态/稳态)，线性系统分析，变量分析，阶次分析，常见问题及其处理
5.典型海洋工程领域的仿真应用案例；案例 1：水下传动系统；案例 2：变速箱的噪声分析；案例 3：水下液压伺服驱动器；案例 4：水下机器人系统；案例 5：多体动力学动态仿真；案例 6：电液换向阀；案例 7：电子电路系统；案例 8：水下生成系统；案例 9：水下电子模块；案例 10：水下液压执行机构。
3 结语
学生通过模块化的学习智能机器人系统的相关组件。一方面学生能够系统地学习理论知识，掌握机器人装备的基本原理与技术；另一方面有助于提高学生解决实际机器人应用工程问题的能力，从而提升创新实践能力。学生利用Simulation X进行教学方式上的探索改进可以使学生在更为直观的掌握工业应用的知识，而不是枯燥的概念灌输，以本课程中的两个知识点为例：水下机器人与无人机相比，需要考虑海水腐蚀、高静水压、深水操作等因素，并且要求具有高可靠性和较长的使用寿命，因此其结构也更加复杂。针对水下机器人的特有的结构和工况特点，对水下机器人的驱动执行机构进行电液控制时的动态仿真和分析，对研究水下机器人执行机构的响应速度和动态特性具有重要意义，也能为执行机构的优化设计提供参考依据。
参考文献：
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作者简介：郭龙川，博士，男，杭州人，现任教于杭州电子科技大学
基金项目：本文受国家自然科学基金(61807010)和浙江省自然科学基金(LQ18F030007)资助