机器人实验教学论文

摘要在机器人理论教学中，运动学、轨迹规划、动力学和控制等内容比较抽象和复杂，存在大量的公式推导和微分方程。为了提高教学质量，在机器人实验教学探索和实践中，以两自由度机器人为研究对象，采用MATLAB/Simulink软件进行机器人的仿真和控制实验。实践结果表明，教学效果良好，能激发学生的学习热情，有助于培养学生的编程能力和创新能力。今天小编为大家推荐《机器人实验教学论文(精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！

机器人实验教学论文 篇1：

基于半实物仿真平台的工业机器人实验教学方法

摘 要：探讨半实物仿真技术在工业机器人教学实验中的应用方案。基于某型伺服电机和EtherCAT总线技术开发实验平台，并基于matlab/Simulink开发环境搭建实时控制软件，实现了数字机器人、半实物机器人、实物机器人和动画机器人的同步控制和仿真。这种结合在暨南大学信息学院机器人相关专业的研究型实验课程中应用。该方案简化了机器人系统的开发过程，降低了教学实践难度，避免了单纯虚拟化实验而造成的与实际脱节，同时丰富了实验内容，提供了实验效率，创新了实验形式。

关键词：半实物仿真平台; 工业机器人; 实验教学

1.引言

工业机器人指的是工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能，是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。工业机器人是“中国制造2025”的重点发展领域，也是顺应国家建设需求的典型新工科专业。

工业机器人涉及得到机械学、电子工程、自动控制和人工智能等多种先进技术。国内外诸多高校和研究人员都开始了对机器人课程建设的探究。在本科阶段的机器人教学中面临着多方面的挑战和需求，包括：

（1）教学平台的安全性。教学中的机器人将与教师和学生在同一空间工作，执行机械任务。然而实验课程的控制程序不可避免的存在安全隐患，甚至造成伤害事件。

（20教学平台的灵活配置。教学中的工业机器人的构型和功能多样。从构型上看，包括单轴、平面两轴，SCARA，6关节，Delta机器人等多种形式。从控制功能上看，有传统工业机器人和协作机器人等。

（3）教学平台的开放性。除本體外，机器人构件还包括电机、伺服器、减速器、编码器和各种传感器;从软件功能上看，包括实时通信、路径规划和插补、运动学和动力学控制等。教学实验平台应该使得学生学习到软硬件的工作机理和开发方案。

（4）教学平台的生动性。为了激发学生的主观能动性，必须多维度的显现机器人的运动轨迹、参数变化趋势和性能指标。

结合国内外机器人教学平台的需求，本文提出了基于半实物仿真平台的构成和教学方案。

2.实验平台的构成和功能

本研发团队结合上述需求，基于工控机和simulink实时仿真环境开发了工业机器人教学实验平台。

从系统构成来说，该平台包括：（1）工业机器人，实验平台中的机器人包括多种存在形式，包括：运行在计算机上的仿真机器人、由电机和传感器组合成的半实物机器人、实物机器人，以及用于分析和显示的动画机器人;（2）运行在工控机上的机器人控制器，在simulink环境中编写，并运行在simulink-Realtime系统上;（3）示教器，用于教学和实验的示教器，可为实物示教器，也可由计算机代替。

所有设备通过EtherCAT总线连接并同步工作，教学单位根据需求进行设备，四种形式的机器人可根据教学单位的实际需求进行选配。从仿真对象来说，实现可配置的机器人仿真，包括单轴、平面两轴、SCARA、6关节和Delta机器人，在数字机器人中，通过设置DH参数即可实现配置。DH表和其它参数可通过配置软件进行配置。

从教学和实验内容上来说，包括：电机的认识和建模、关节空间运动和规划、直角空间运动和规划、正向运动学和反向运动学、机器人动力学控制等内容。

为了实现上述功能，在matlab平台上开发4方面的功能，包括：（1）用于机器人控制和仿真的simulink程序，在上位机上开发，并被编译成目标文件，下载至目标实时机上运行; 该程序通过EhterCAT总线实现对半实物机器人和实物机器人的同步控制;（2）机器人配置软件，运行在上位机上的matlab GUI程序，可实现对仿真电机参数、机器人参数和动力学参数的设置，实现不同构型机器人的仿真;（3）算法软件，基于matlab开发的控制和数据分析软件。主要用于模型辨识、控制器设计等算法工具，目标是为实时仿真提供模型、控制参数等计算工作;（4）动画机器人，采用多媒体形式显示机器人的运动过程和性能指标;通过EtherCAT从站接收实时运行数据，将结果以动画的形式显示，运行在windows/matlab上。

实验平台的实现方案如图1所示。

3.系统软件方案

本科教学中的机器人实验平台将支持机器人实验和开发功能。为了便于教学工作的开展，该平台的控制通信软件基于matlab平台开发。Simulink仿真环境是本平台的核心，其支持实时模式下的控制和仿真，并可基于成熟的机器人工具箱进行二次开发。Simulink软件包括平台界面与配置程序、应用案例库模型库、EatherCAT组件库，数据分析和演示库，如图2所示。

平台界面与配置程序实现对软件组件的组织和协调，实现对工程的管理和关键信息的提取显示，支持工程创建，案例库管理、模型库管理、EatherCAT组件管理、数据分析和演示库管理功能。应用案例库实现电机和各型工业机器人的建模、运动学控制和动力学控制。用户通过设置相关参数，即可实现不同参数的机器人的数字仿真和半实物仿真。模型库用于实现机器人的关键组件和控制技术，包括先进模型辨识算法、先进机器人控制算法等。模型库中的相关模块可用于替换特定案例中的相关组件，从而支持机器人控制技术的探索和研究工作。

EatherCAT组件库用于实现EatherCAT网络的监视与控制，实现对电机拖动平台的直接控制。相关组件被集成到数字仿真案例中，即可实现半实物仿真。

数据分析和演示库实现对仿真数据的动化显示、记录、解析、回放和分析功能。

4.教学方案设计

在实验教学中，教师根据教学计划筛选出合适的仿真应用场景，设计实验大纲。学生从模型库中选择合适的软件组件，搭建仿真系统，实现半实物仿真，从而加深对机器人技术的理解，丰富教学内容。

如表1列举了针对机器人运动学课程设计的T型速度规划实验的软件组成，在此基础上可开展实验教学。

半实物仿真技术的应用，将有效解决本科机器人相关专业学生实验教学的部分难题，将理论教学、仿真和实验结合起来，增强学生对机器人、控制理论和电子技术的理解和应用能力。

参考文献：

[1]Peter Corke， Robotics， Vision and Control， Fundamental Algorithms in MATLAB， Springer

[2]刘冬等.基于EtherCAT的机器人控制总线方案研究，计算机工程与设计，2013（4）

作者：闵飞炎

机器人实验教学论文 篇2：

MATLAB/Simulink软件在机器人实验教学中的应用

摘 要 在机器人理论教学中，运动学、轨迹规划、动力学和控制等内容比较抽象和复杂，存在大量的公式推导和微分方程。为了提高教学质量，在机器人实验教学探索和实践中，以两自由度机器人为研究对象，采用MATLAB/Simulink软件进行机器人的仿真和控制实验。实践结果表明，教学效果良好，能激发学生的学习热情，有助于培养学生的编程能力和创新能力。

关键词 机器人；仿真实验；MATLAB/Simulink；实验教学

1 引言

机器人学一门多学科交叉的前沿学科，包括机械工程、电气与电子工程、计算机科学、认知科学、生物学、控制论与控制工程学及许多其他学科[1]，无论是在基础理论方面，还是在实践应用方面，发展速度都非常快。越来越多的高等学校机械工程学科面向高年级本科生和低年级研究生开设机器人相关课程。机器人课程的教学包括理论教学和实验教学，其中在理论教学中存在大量的公式推导和微分方程，需要学生具有扎实的数学基础，特别是矩阵分析和微分方程等知识[2-4]。而机械工程学科的学生这方面比较薄弱。

MATLAB/Simulink具有强大的数学运算能力，以及方便实用的绘图功能，已经成为系统仿真和自动控制领域普遍采用的计算机辅助设计工具[5]。Simulink是一种基于MATLAB软件的框图设计环境，能够完成系统的建模、仿真和分析等工作[6]。Simulink和外界硬件的接口还可以建立半实物仿真和实时控制实验。在Simulink中采用普通的模块搭建复杂控制系统非常困难，采用User-Defined Functions库中的MATLAB Function模块，可以采用MATLAB语言非常方便灵活地建立复杂的系统[7]。

本文结合机械工程专业的机器人课程实验教学现状，为了提高教学质量，将MATLAB/Simulink软件引入实验教学中，以两自由度机器人为研究对象，建立机器人仿真和控制实验，将理论课学习的运动学、轨迹规划、动力学和控制等内容，在MATLAB/Simulink软件中仿真实现。学生可以修改系统的参数和程序，然后进行动态仿真。该仿真系统能够加深学生对理论知识的理解，能够增强学生的学习兴趣和热情，并有助于培养学生的编程能力和创新能力。

2 两自由度机器人

在机器人课程理论教学中，运动学、轨迹规划、动力学和控制等内容存在大量公式推导和微分方程，对于机械工程专业的学生而言比较抽象和复杂。在机器人实验课中，由于涉及的电机和传感器等硬件以及编程语言等都非常复杂，学生很难和理论知识相结合，因此采用MATLAB/Simu-link软件进行机器人的仿真和控制实验非常必要。教材中机器人动力学部分的公式推导均以两自由度机器人为例，因此，机器人仿真和控制实验也以两自由度机器人为研究对象。

运动学方程 机器人正运动学是根据各个关节的角度值来确定机器人各个关节的位置。对于具有两个自由度的机器人，q1和q2分别为两个关节的角度，a1和a2分别为两个关节的长度，则第一个关节末端的位置坐标（x1，y1）为：

3 MATLAB/Simulink仿真实验

由于机器人价格昂贵，以及实验场地的限制，不能每个学生一台实际的机器人。对于实际机器人的编程，由于涉及硬件驱动、传感器和编程语言等，在实验课时非常有限的情况下，学生很难进行深入理解。因此，根据理论课学到的运动学、轨迹规划、动力学和控制等内容，以两自由度机器人为研究对象，建立综合性实验。采用五阶多项式方法进行轨迹规划，然后采用带重力补偿的PD控制器对两自由度机器人进行控制，机器人的角度值通过运动学转换为工作空间中的坐标。最后，通过工作空间中的坐标，将机器人的运动通过图形动画的形式显示。

采用MATLAB/Simulink建立两自由度机器人如图1所示。系统仿真采用变步长的ode45算法，最大仿真步长为

1 ms，仿真时间为3 s。在图1中，动力学方程模块采用公式（5）得到角加速度，然后采用两个积分器，分别得到角速度和角度值。

整个机器人控制系统如图2所示。在图2中，采用五次多项式轨迹规划，得到期望的轨迹，然后采用带重力补偿的PD控制器进行机器人的控制。机器人的输出角度值通过运动学转换为操作空间中的坐标。运行仿真后，通过Scope模块查看机器人的角度、角速度和输入力矩等，通过To Workspace模块将输出值保存到MATLAB软件的工作空间中。

机器人两个关节的长度均为1，在工作空间中两个关节的运动如图3所示。初始位置两个关节的角度均为0，终点位置两个关节的角度分别为3π/4和π/3，采用带重力补偿的PD控制器进行控制，可以看到机器人两个关节的运动过程。

4 结论

本文针对机器人动力学方程非常抽象复杂和难以理解的特点，利用MATLAB/Simulink软件建立两自由度机器人仿真和控制实验。仿真模型结构清晰，容易理解，能够让学生对机器人仿真和控制有一个非常直观的了解。教学实践表明，该实验能够让学生加深对理论知识的学习，增强学习的兴趣和动力，并有助于编程能力和创新能力的提高。

参考文献

[1]蔡自兴.机器人学[M].2版.北京：清华大学出版社，2009.

[2]唐艳华，张庆玲.机器人技术基础实验教学的改革与实践[J].教学研究，2015，38（2）：103-105.

[3]张奔.以实践为导向的机器人教学改革探索[J].中国教育技术装备，2017（6）：91-92.

[4]雷静桃，刘亮，张海洪.“机器人学”课程教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2013，32（5）：179-182.

[5]谢斌，蔡自兴.基于MATLAB Robotics Toolbox的机器人学仿真实验教学[J].计算机教育，2010（19）：140-143.

[6]高道祥，薛定宇.基于MATLAB/Simulink机器人鲁棒自适应控制系统仿真研究[J].系统仿真学报，2006，18（7）：2022-2025.

[7]薛定宇，陳阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].2版.北京：清华大学出版社，2011.

作者：赵海滨 刘冲 陆志国 于清文 颜世玉

机器人实验教学论文 篇3：

可升降双轴随动转台在机器人本科实验教学中的应用

（合肥工业大学机械工程学院，安徽 合肥 230009）

摘要：针对机器人课程的多学科交叉特点和现有实验教学设备功能有限的现状，自主设计了一款开放式可升降双轴随动转台。该转台具有三个自由度，可以开展底层运动控制、传感器数据采集与处理、运动物体检测与跟踪实验，具有很好的开放性，对机器人本科实验教学具有良好的促进作用。

关键词：机器人；实验教学；转台；开放性

一、机器人课程实验教学存在的主要问题

高校机器人课程是一门多学科综合交叉的边缘学科。随着中国制造的产业化升级和“中国制造2025”政策的发布，对机器人领域的专业人才需求量越来越大，机器人教学应当积极应对这一变化，顺势而为。针对高校机器人课程教学中存在的问题，已有很多相关的研究和探索，旨在改进课程教学方法，提高教学质量。然而，机器人课程实验教学仍然存在诸多问题，包括实验仪器开发、实验方法研究和实验室建设等，仅靠教学人员或实验人员均无法独立解决。笔者多年从事机器人教学和实验发现：首先，组成机器人的机械、控制和感知系统对应的知识内容相互孤立；其次，机器人教学、科研和应用开发等用途之间相互孤立。二者分别对应微观、宏观两个层面的“孤岛效应”，制约了学生对机器人课程关键知识的理解和吸收，无法形成完整的闭环。现有的机器人实验教学仪器存在功能、开放程度、与课程体系的结合程度等方面的不足，无法满足新形势下机器人实验教学要求。为此，自主研制了一款开放式可升降双轴随动转台。该转台获得了安徽省首届高等学校自制实验教学仪器设备展评活动一等奖和第四届全国高等学校自制实验教学仪器设备评选活动三等奖。

二、开放式可升降双轴随动转台的研制

该转台是一款由可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制的三自由度云台，由机械系统和控制系统组成。通过在转台上安装视觉传感器，可以进行运动物体检测与跟踪。

1.机械系统。由升降、偏航和俯仰机构组成。升降机构使用电动缸带动转台在竖直方向上直线移动。偏航、俯仰机构使用直流伺服电机经谐波减速器减速和同步带传动后，分别绕竖直、水平转轴做回转和旋转运动。在水平转轴上安装了视觉传感器，通过转台的运动，实现多视角图像采集。

2.控制系统。底层控制器为西门子S7-1214 PLC及其扩展模块，用于进行电机控制、编码器数据采集和输入输出控制等。上位机使用笔记本电脑，用于进行视觉传感器图像采集与处理、以及三自由度运动插补计算。为了跟踪运动物体的方位，使其始终处于图像中心位置，使用插补算法，计算每个自由度的关节变量。最后，通过以太网通信，将计算值传递给PLC，控制转台的运动，并返回编码器数据。为了便于调试，分别使用电子手轮、无线遥控手柄进行精确、粗略手动控制，并使用触摸屏进行控制参数设置和运动状态监测。该转台既是教学、科研实验台，同时也是一款具有实用价值的机电产品。

三、转台在机器人实验教学中的应用

为了配合机器人本科课程教学，结合开放式可升降双轴随动转台的功能和特点，开展了以下机器人实验教学内容。

1.底层运动控制实验。使用PLC进行转台的底层控制系统设计，绘制电气控制原理图。使用顺序控制设计法，编写相应的控制程序，进行转台运动控制实验。学习用于控制步进电机、直流伺服电机的PLC程序设计及相关运动功能模块。进行电机的位置、速度控制实验和PID参数调整实验，设计相应的手动输入装置和人机交互装置。

2.传感器实验。内部传感器实验：使用光电编码器测量电机转角。利用PLC的高速脉冲输入端口和程序中的高速脉冲计数器，进行升降、偏航和俯仰电机对应的编码器脉冲数据采集和处理。另外，为了精确测量转台每个转轴的零点位置，通过增加使用增量式光電编码器，检测编码器的Z信号，设计相应的零点检测程序，进行转台自动回零点实验。外部传感器实验：使用视觉传感器进行运动物体测量。在转台的U形架上安装视觉传感器，使用笔记本电脑进行图像采集和处理，进行计算机视觉算法实验，包括物体颜色识别、边缘轮廓提取和中心位置提取等，从而检测视角范围内运动物体的位置。

3.机器人控制实验。研究机器视觉算法和多轴协调运动控制，进行运动物体检测与跟踪实验。多轴协调控制实验：在使用手动方式控制转台运动时，升降、偏航、俯仰运动各自独立进行。为了让转台上安装的传感器或末端执行器能够在三维空间中任意运动，在笔记本电脑上进行软件编程，协调控制升降、偏航和俯仰电机的运动。分别进行双轴旋转协调控制和三轴协调控制实验，实现多轴运动插补控制。运动物体检测与跟踪实验：将具有显著颜色或几何形状特征的物体放在转台前方，通过手拿该物体任意运动，使用视觉传感器检测该物体，计算该物体的位置和运动速度，然后使用插补算法计算转台每个转轴的角度。将转台每个转轴的转角、转速信号通过以太网传送给底层控制器，由PLC分别控制转台的每个转轴运动，从而使视觉传感器始终对准该运动物体的中心位置，实现自动跟踪功能。上位机控制软件设计实验：在笔记本电脑上进行Windows程序设计，进行检测、路径规划和插补计算，通过以太网通信将控制数据发送给底层控制器，并返回编码器测量值，监控转台的实际运动情况。设计图形化软件界面，模拟转台的三维动态变化过程。本科生通过参加转台实验，进行转台的控制系统和软件设计，可以从系统的角度理解如何自动控制机械部件的运动，并利用外部传感器实现完整的闭环控制。本文设计的基于视觉传感器的运动物体检测与跟踪，仅是转台的典型应用示例。学生只要获得底层运动控制器的通信接口规范，即可进行不同用途的应用开发。因此，该转台可以锻炼学生的逻辑思维、系统性思维和发散思维能力，培养学生解决复杂工程问题的能力。

四、结论

针对机器人课程教学和实验过程中系统性不强、联系不紧密等问题，设计了一款开放式可升降双轴随动转台，通过在转台上安装视觉传感器，实现运动物体检测与跟踪功能。该转台可以提供底层运动控制、传感器实验和机器人控制实验，适用于本科生机器人实验教学，具有很好的开放性和推广价值。

参考文献：

[1]雷静桃，刘亮，张海洪.“机器人学”课程教学改革与实践.实验室研究与探索，2013，32（5）.

[2]郭艳婕，桂亮，金悦.基于本科生的机器人实验教学的实践与探索.实验室科学，2015，18（1）.

[3]容爱琼.“项目式”强化训练的机器人实验教学方法.教育教学论坛，2016，（8）.

[4]薛文平，李康吉.《工业机器人》实验教学的改革与实践.2014，12（1）.

[5]赵京，卫沅.机器人实验教学系统创新实践方法及应用.实验室研究与探索，2015，34（11）.

[6]于莉.机器人实验室建设的探讨.高校实验室工作研究，2010，105（3）.

作者：钱钧 訾斌 周蓉