基于半实物仿真平台的工科类专业实验教学改革探讨
李波 田威 王长瑞
摘 要：针对当前高等学校工科类专业人才培养面临的创新能力缺乏、实际工程能力不足等问题，结合航空航天制造领域对教学实验的更高要求，提出了机器人飞机装配装备半实物仿真实验平台的实践教学方案。指出了当前工科类专业人才培养实验教学中的问题，提出了基于机器人半实物仿真实验平台的飞机装配教学改革内容，有利于培养学生以实际工程需求为牵引的实践和创新能力。
关键词：航空航天;实验教学;工业机器人;半实物仿真;飞机装配
1 绪论
飞机装配是保证飞机产品质量、装配准确度的决定性环节[1]，为满足新型飞机对装配精度和服役寿命的更高要求，必须研制新的工艺装备[2]。随着工业机器人在智能制造中日益普及，使用机器人在飞行器制造过程中进行辅助装配任务已经成为主流趋势。然而，当前工科类专业的人才培养，尤其是航空宇航制造工程专业机器人飞机装配方向的人才培养，面临着创新能力缺乏、实际工程能力不足等问题。现阶段机器人飞机装配只能开展基础性演示实验，与实际工程应用脱节，造成了学生毕业后实际工程应用能力不能迅速达到企业的岗位技能要求。为达到工科类高端人才的培养目标，对教学中非常重要的一个环节——实验教学提出了更高的要求。
在实验教学中加入半实物仿真实验平台，可进行工科类专业人才的创新培养，国内学者结合仿真实验对课程教学改革做出了诸多尝试。华侨大学的聂卓赟等针对自动化专业的实验教学，开发了一款面向MATLAB实时控制的半实物仿真实验系统Sukung[3];中南大学的谢斌等指出，MATLAB Robotics Toolbox可以对机器人进行图形仿真，并能分析真实机器人控制时的实验数据结果，非常适宜于机器人专业的仿真实验教学[4];河北农业大学的袁永伟等针对“工业机器人”传统实践教学环节中学生多设备少、教学质量不高的问题，依托RobotArt工业机器人离线编程仿真软件提出了“低碳化”模拟仿真教学方法[5];南昌航空大学的朱永国等针对飞机装配工艺教学设备台套数不足的问题，提出了CDIO教育理念和虚拟仿真相融合的“飞机装配工艺”课程教学新方法[6]。
将机器人装配装备半实物仿真实验平台应用于飞机装配课程的教学，可进行机器视觉算法在飞机装配中的应用验证、机器人运动控制算法与离线编程等多方面的创新实验，非常适合飞机装配课程的实验教学。以上众多学者关于仿真实验，尤其是半实物仿真实验教学的有益探索，为机器人飞机装配虚拟仿真实验教学与实践提供了有效思路。然而，如何将机器人半实物仿真实验平台与飞机装配实验有机结合，培养能够在航空航天制造等相关领域從事工程设计、技术开发、工程应用等方面的高素质复合型人才，仍需相关学者一如既往的改革与实践。
2 存在的问题
目前大多数高校工科类专业的人才培养，主要存在如下问题：（1）基础性实验偏多，主要侧重学生基础知识掌握情况的检验;（2）综合应用类及开放性实验较少，学生的真实能力情况难以评估，创新能力培养手段欠缺;（3）由于实验场地大、设备大、工艺流程复杂等因素，学校难以复制大型装备的作业现场;（4）制造类实验需要不断升级大型专业设备和工装，消耗大量昂贵的实验材料，物理成本极高。上述问题以机器人飞机装配课程教学实验尤为突出，究其原因主要是因为飞机装配用工业机器人存在装备质量大、控制系统封闭的缺点，为教学和人才培养带来了实验安全隐患和基础研究难以从底层开发入手、逐步向工程应用过渡的弊端。因此，目前该专业教学仍以演示性和验证性实验为主，缺乏设计性和创新型实验。亟须将一套系统完全开放、安全有保障的机器人半实物仿真实验平台融入飞机制造与装配专业的实验教学中，增加设计性、综合性、创新性实验。
3 改革内容
3.1 机器人半实物实验平台简介
由加拿大QUANSER公司推出的Robotics Package平台主要包括六自由度工业机器人、视觉检测系统、实时仿真与控制系统等，可以完成机器人单机运动控制和机器视觉检测等控制算法的研究，也可实现机器人飞机自动装配的快速原型设计、仿真、验证一体化虚拟开发。其中，工业机器人是基于Kinova六自由度机器人深度开发的机器人实验平台，总重量不足20kg，安全空间仅需要1m3，并可灵活拆卸组装，可以保证实验安全。该实验套件配合QUARC开源架构，操作方便，教学门槛低。配合MATLAB/SIMULINK仿真模块，可以对机器人六个关节的位移、速度和力矩进行参数调节，并编写底层控制算法。该实验套件可为学生介绍机器人D-H参数、运动学正逆解、运动控制、力位耦合控制等基础内容提供操作性更安全、更方便的实验平台。
3.2 机器人虚拟装配半实物实验平台搭建
通过在飞机装配课程中引入加拿大QUANSER机器人半实物仿真实验平台，可进行飞机自动钻铆法向找正、孔位检测、离线制孔路径工艺规划等技术研究，并对飞机装配中经常用到的机器人轨迹规划、空间插补与精度补偿算法等进行研究，为机器人飞机装配提供快速原型验证与设计平台。
（1）六自由度工业机器人实验平台建设。该实验平台由轻型六自由度机械臂、末端执行器、电源和信号电缆组成，可实现单关节动作、多关节联动、空间直线、空间圆弧、抓取物体并搬运等。为飞机自动虚拟装配算法的仿真验证研究提供了安全的载体，避免直接在重载机器人上研究带来的安全隐患和操作不灵活的问题。
（2）机器人视觉测量平台建设。实验平台包括工业相机、视觉信息处理装置，可为机器人自动装配提供实时测量平台。将被摄取的目标信息转换成图像信号，图像系统对这些信号进行各种运算来提取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的机器人自动化装配装备动作。
（3）实时仿真与控制系统平台建设。该平台主要包括快速原型实时仿真机、实时仿真与控制软件、开发主机等，为实现机器人自动装配算法的在线设计、实时仿真、快速验证提供一站式服务平台。采用“上-下位机”架构，上位机用户通过MATLAB/SIMULINK平台完成机器人控制模型与定位算法的设计，经自动编译后生成嵌入式代码，然后通过以太网部署到实时仿真机（下位机）中运行，作为机器人的控制器原型使用，控制机器人各关节的运动，并采集相关视觉传感器数据，形成闭环控制回路。
3.3 机器人飞机装配半实物仿真实验流程
使用MATLAB/SIMULINK建模环境结合实时仿真软件包，可按照以下步骤实现机器人飞机装配从建模到半实物仿真的全过程。
（1）飞机装配实验设计。根据飞行器制造工程专业培养方案和飞机装配技术特点，根据知识结构，由毛坯→蒙皮成形实验→钣金零件→部件装配实验→装配部件→翼身对接实验→飞机大部件，构成一个飞机大部件装配的实验体系。梳理出飞机蒙皮成形工艺设计实验、飞机壁板自动钻铆工艺设计实验和飞机翼身对接实验三个典型的设计探究性实验模块。
（2）模型搭建及仿真验证。建立机器人飞机装配过程的数学模型，通过SIMULINK环境下的数值仿真初步验证模型及算法。
（3）半实物仿真模型建立。在SIMULINK数学模型中，根据实际需要从模块库中添加I/O模块，如机器人通常用的Ethernet网口等，即用硬件接口代替原来的逻辑连接关系，建立半实物仿真模型。
（4）目标代码生成及配置管理。在完成半实物仿真模型的参数设置后，调用自动代码生成工具，将SIMULINK模型转换为C代码，并编译为可执行程序;在主控软件中，根据软件向导，建立仿真工程，设置仿真目标机属性。
（5）半实物实时仿真及数据后处理。在主控软件中开始仿真，半实物模型编译生成的代码自动下载到目标机，并启动实时运行，与实物设备通过I/O硬件进行交互;仿真结束后，进行实时数据上传、格式转换、数据分析等处理。
（6）实验结果评估与再设计。学生分析机器人飞机装配环节中的实验数据，根据质量检测结果，判断是否为最优结果;如果是，则结束实验，撰写实验报告;如果否，则重新设计机器人飞机装配模型和参数，重复步骤（1）～（5）进行反复迭代优化，直至获得最优实验结果为止。
4 结语
针对当前机器人飞机自动装配专业方向教学缺乏设计性、综合性、创新性实验，严重影响飞行器制造工程专业人才的工程实践和创新能力培养的现状，本文分析了目前大多数高校工科类专业人才培养存在的主要问题，给出了基于机器人半实物仿真实验平台的飞机装配课程改革实践教学的形式与内容，对建设以飞行器制造实际工程需求为核心的虚拟仿真实践教学平台，建成从机器人飞机装配建模、可行性验证到半实物仿真及再设计的一体化实验教学体系具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]朱永国，周结华，霍正书，等.基于虚拟仿真和综合案例的飞机装配工艺课程教学改革[J].西部素质教育，2018，4（16）：167+169.
[2]常正平，夏松，杨根军，等.飞机部件数字化对接装配实验平台及教学项目设计[J].实验技术与管理，2020，37（12）：52-56.
[3]聂卓赟，李兆洋，罗继亮，等.面向MatLab实时控制的Sukung半實物仿真系统及实验案例建设[J].中国现代教育装备，2020，（343）：11-12+19.
[4]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.
[5]袁永伟，李珊珊，孔德刚，等.虚拟仿真在“工业机器人”实践教学中的应用研究[J].教育现代化，2017，4（34）：190-191.
[6]朱永国，周结华，马国祥.CDIO和虚拟仿真相融合的飞机装配工艺教学新方法[J].南昌航空大学学报（自然科学版），2020，34（01）：110-115.
作者简介：李波（1988— ），男，汉族，江苏人，博士，讲师，研究方向：机器人动力学与控制。
