虚拟仿真实验
项目描述
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2-1名称 工业机器人机械系统结构原理仿真实验 |
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2-2实验目的 项目建设意义： 工业机器人是衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志，是智能制造主导产业的核心制造终端之一，是国际工业4.0战略的重要组成部分。随着“中国制造2025”等一系列国家战略的实施，我国工业机器人的使用密度已由2017年的68台/万人增加至78台/万人，预计未来五年内我国工业机器人使用密度将达到150台/万人。然而，工业机器人装备因其技术集成度高、应用环境复杂、操作维护专业性强等特点，故对从业人员有着较高的综合能力要求，因此，目前市场上此类人才较为稀缺，其中由中商情报网统计：2020年工业机器人人才缺口将达300万人。 为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》，同时在高校专业设置上主动对接产业需求，增设了机器人工程，智能制造工程等一批符合国家战略发展和产业需求的新专业。部分高等院校也在机械类和近机类专业及时开设了机器人应用技术、工业机器人应用基础、机械系统试验（工业机器人系统试验）等理论和实践课程。其中“工业机器人机械系统结构和原理”是技术人员学习和掌握工业机器人应用和维护等基本知识的重点模块。但受工业机器人体积、质量、结构复杂程度、整机拆装难度、拆装实验周期以及投入成本和占地面积等诸多硬件及软件条件的限制，该模块的教学模式多采用传统的PPT加音视频的形式开展，学生参与程度不高，知识掌握仅局限于平面感性认识。为此，运用虚拟仿真实验技术能快速真实还原工业机器人机械系统结构和装配过程，较为全面的呈现其运动工作原理。学生在交互操作步骤中需自主判断和分析选用合适组件，创造了 “学中做，做中学”的实验环境。同时，虚拟仿真技术将极大缩短实验周期，保证了有限教学任务周期的知识传授效果最大化。同时本项目的建设也为线下工业机器人关键部件拆装及应用调试实验提供了前期配套知识储备，是学生知识技能消化、掌握和应用的重要保障。通过本项目的建设，可较好得对现有工业机器人相关线下理论课程和实验项目进行补充，缩短了硬件投入成本和试验周期，减少了设备故障和报废概率，以虚实结合的实验教学模式夯实相关专业人才的培养。 项目建设目的： 以国家新工科建设理念为指导思想，开展并确立以产业需求为导向的OBE人才培养模式，聚焦国家重点战略方向，培养新时期下品格担当，知识过硬、能力突出的当代大学生。本实验项目旨在提高学生在工业机器人方面的综合素质，着重使学生掌握工业机器人基本结构和运动原理，熟悉工业机器人关键装置的选型和工作机理，培养其分析问题和解决问题的学习能力，具备继续学习专业技术的能力，在本实验的学习中渗透职业素养等方面的教育，使学生形成认真负责的工作态度和严谨的工作作风，为后续机器人操作应用和维护等课程学习和职业生涯的发展奠定基础。 （一）知识教学目标 1、理解和掌握工业机器人的基本结构和传动工作原理； 2、掌握工业机器人机械系统自由度计算方法，能判断和计算工业机器人的自由度； 3、了解工业机器人RV减速器工作原理及应用场合，掌握其减速比计算； 4、了解工业机器人谐波减速器工作原理及应用场合，掌握其减速比计算； 5、熟悉J1、J2、J3、J4、J5、J6轴的主要零部件结构原理，掌握其装配方法及传动机理； （二）能力培养目标 1、获得工业机器人基本结构认知的能力，能区分不同自由度的机器人； 2、掌握工业机器人关键结构部件（谐波减速器、RV减速器）的选型能力； 3、获得工业机器人简单机械结构部件故障排除的实际问题解决能力； 4、获得分析问题和解决问题的能力，培养综合实践能力； （三）思想和情感教育目标 1、了解工业机器人的研究进展，理性并清晰正视国内外工业机器人研发存在的差距，激发当代大学生爱国情怀，树立正确的价值观和人生观； 2、通过交互式虚拟仿真技术，可确保生生参与、生生动手，满足学生的求知欲和好奇心，培养学生学习的兴趣； 3、通过自身动手实验获得的成功可建立和增强学生的学习信心。并逐步形成良好和严谨的学风； 4、能自觉爱护仪器设备养成良好的职业道德观念； |
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2-3 实验课时 （1）实验所属课程所占课时：1周（40学时） （2）该实验项目所占课时：2学时（与之配套的线下实验为6学时）
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2-4实验原理（简要阐述实验原理，并说明核心要素的仿真度） 工业机器人机械系统结构原理仿真实验涵盖了工业机器人基本结构组成、空间自由度判断和分析、减速部件（RV和谐波减速器）结构原理、J1至J6轴各构件结构及运行机理等专业知识。学生通过仿真软件中的基本理论知识模块和交互实验模块可熟悉工业机器人J1至J6轴各组件结构及安装形式，掌握各关节的传动方式和运动原理。由仿真系统内嵌入的视频资料学习可直观了解并掌握工业机器人自由度解析、关键减速装置工作原理及速比计算等核心理论知识，对机械系统试验课程内线下实践操作项目起到了较好得技术支撑。同时也适用于其他与之相关的理论及实践课程知识体系补充。 工业机器人J1、J2、J3、J4、J5、J6轴结构原理是本实验的核心要素。仿真实验系统中各关节轴被肢解拆分，操作者通过仿真交互模式，需自行选择碎片化零件并按实际装配顺序进行部件重组，最终还原整机最终形态。本实验将交互式仿真技术与嵌入式多媒体教学模式有机深度融合，学生必须在前期减速部件原理及分析计算基础上方能完成后期装配零件的合理选型。整机装配还原结束后，学生可通过嵌入式实物装配视频观察和比对各虚拟互动步骤，巩固并掌握本实验的各项知识，为本试验课程相应的线下实践任务（实物拆装J3和J5轴）打下坚实的基础。具体实验原理如图1所示：
图1工业机器人机械系统结构原理仿真实验原理图 本实验共涉及关键知识点4项： （1）工业机器人基本结构及其自由度判断和计算 工业机器人基本结构由基座、腰关节、腰部、肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节、手腕（包含连接法兰）等组成，其结构原理示意图如图2所示。判断工业机器人自由度的标准有两种，第一种是观察工业机器人电机数量，根据电机数可直接判断机器人的运动自由度；第二种方法是根据机械装备结构原理，明确工业机器人运动副数量和类型，通过理查德摩雷公式计算其空间自由度。
图2工业机器机械部分基本结构原理图 （2）RV减速器结构原理和减速比计算 RV 减速器是工业机器人关键减速装置之一，其放置位置一般在基座、腰部、大臂等重负载的位置 ( 主要用于 20kg 以上的机器人关节 )。RV传动是新兴起的一种传动，它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来的，不仅克服了一般针摆传动的缺点，而且因为具有体积小、重量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点。RV减速器原理：主要由太阳轮（中心轮）、行星轮、转臂（曲柄轴）、转臂轴承、摆线轮（RV 齿轮）、针齿、刚性盘与输出盘 等零部件组成。具有较高的疲劳强度和刚度以及较长的寿命，回差精度稳定，高精度机器人传动多采用 RV 减速器，传动原理如图3所示。
图3工业机器人RV减速器原理图（实物图） RV减速器也是行星减速器的一种，按照封闭差动轮系传动比的如下关系式来计算其传动比I14为： I14=1+（Z2/Z1）*Z7 其中Z1为渐开线中心轮齿数；Z2为渐开线行星轮齿数；Z7为针齿壳的针轮齿数。 （3）谐波减速器结构原理和减速比计算 谐波减速器通常由 3 个基本构件组成，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有柔性滚动轴承的波发生器，在这 3 个基本结构中可任意固定一个，其余一个为主动件一个从动件。
图4工业机器人谐波减速器结构原理图（缺实物） 当谐波减速器刚轮固定时，其输入与输出的传动比与柔轮固定不动时输出的传动比略有差别，设Z1为刚轮齿数，Z2为柔轮齿数因此其传动结构简图和计算公式如下图所示：
图5工业机器人谐波减速器减速比计算 （4）工业机器人J1轴至J6轴具体结构及安装方法及传动原理 表1工业机器人J1轴至轴6轴主要结构组件明细表
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2-5实验仪器设备（装置或软件等） 1）硬件环境：计算机（独立显卡，2G显存、主频4核、内存8G、储存容量1T），R08A六轴工业机器人结构原理工作站一套。
图6工业机器人机械系统结构原理工作站 2）软件：工业机器人机械系统结构原理仿真实验系统、浏览器（Chrome60.0以上、Firefox55.0以上、IE11.0以上）。
图7工业机器人机械系统结构原理仿真实验系统 |
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2-6实验材料（或预设参数等） （a）RV减速器 （b）谐波减速器 图8 RV减速器和谐波减速器实物图
图9 RV减速器和谐波减速器虚拟仿真图 表2 实验材料及对应信息一览
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2-7 实验教学方法（举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果） 工业机器人机械系统结构原理仿真实验旨在通过虚拟仿真技术、多媒体技术等现代教育技术手段反哺常规实验教学。利用虚拟仿真实验平台对实验前期知识点进行梳理和概括，突出重点、解析难点、掌握要点，为线下实验教学的顺利开展做好衍化工作。同时，将实验步骤模块化，把知识难点逐一分解，并在模块考核基础上进行总体效果评价。整体实验教学方法遵循虚实结合的原则，以理论知识点为核心主线，能力素养培养为目标导向，采用“问题导学、互动探究”的教学模式，在实验教学的课前、课内和课后三个阶段都坚持学生学习的主体地位，体现科学探索与研究过程，再现知识的形成过程，深化对基本概念和原理的理解；同时发挥教师的引导作用，从而提高学生的学习能力、创新能力、交流能力、分析解决问题的能力。
图10 实验教学模式简图 1、使用目的： 通过虚拟仿真实验系统进行对工业机器人的基本结构、自由度解析、减速器结构及运行原理以及速比计算选型等理论知识进行讲解，配合嵌入式多媒体资源和PPT将理论知识点具象化，便于学生对本次实验内容的知识点进行理解和掌握。同时，也为仿真互动操作的选型配置做好前期知识储备。为缩短整机拆装时间，降低因违规或操作生疏而造成实物零件报废概率，使学生在有限时间内了解并熟悉整机结构及运动原理，本实验利用仿真平台内核心互动式装配功能，使学生能在有限的试验时间内安全、快捷的实现J1轴至J6轴的全部装配动作，对减速器的选配及安装方式有深刻的空间认知，使操作者充分掌握工业机器人的内部结构原理，熟悉工业机器人的内部传动方式和传动机理。工业机器人机械系统结构原理线上仿真实验教学作为线下实验教学的强力辅助技术手段，极大的缓解了线下实验存在的高耗时、高难度、高损耗、高风险、高投入等系列棘手的实验现状，以虚实结合的方式使学生通过仿真练习模式进行反复训练，真实有效的掌握本实验的各项知识点。 2、实施过程： （1）通过平台实施预习。 （2）利用平台内嵌式多媒体资料完成工业机器人基本结构、自由度判断分析计算、减速器结构原理以及速比计算等知识点的理论讲授。借助平台内虚拟模型并结合线下相关减速装置实物进行结构和工作机理的深度剖析。从二维原理示意到三维结构运动仿真帮助学生熟悉并掌握工业机器人基本结构组成、自由度分析计算、减速器工作原理及速比计算等核心知识点。 （3）借助实物拆装视频了解工业机器人各关节结构及运动机理及其装配方法，加强学生对各关节轴的感性认知。进一步利用仿真平台整机互动装配功能，完成对工业机器人J1轴至J6轴的碎片化分解，所有零部件均安置于待装配区。根据各关节结构特点及工作原理，按照实际工序进行零件选型及装配。装配原则自底向上，由序号低位装配至序号高位。装配过程中学生只有完成相关设定如：减速器速比计算和选型，才被认可已掌握了相关实验理论，进入下一环节的操作。 （4）线下实际操作。在前期虚拟仿真平台实践操作的基础上，针对工业机器人部分轴关节进行实物拆装，以前期虚拟仿真技术积累的理论和实践知识促进常规实验的教学。 （5）总体评价。通过线上平台阶段性测评结果和线下实验完成效果综合评判学生知识掌握程度。 3、实施效果： （1）定性效果评价 工业机器人机械系统结构原理仿真实验项目的实施有效缓解了工业机器人重型装备的拆解难度大、实验周期长、零件损耗高、费用投入大等系列制约本知识点传授的困境。本实验项目的开展不仅在原有多媒体技术传授手段方式上融合了虚拟仿真实验技术，开拓了教学手段，更将以往的体验式、欣赏式仿真教学方式升级为人机互动型教学方式。充分调动学生学习专业理论知识的积极性，锻炼了实践操作技能，提升了发现问题、解决问题的能力，充分发掘学生的创造潜能，加强了学生解决实际问题的综合能力。 （2）定量效果评价 自2017年以来，本实验项目一直应用于机自、机电、材料成型控制等专业的《机械系统试验》课程中。与未使用本实验项目的2016届学生评估数据（理论知识掌握情况、实验数据计算分析情况、实践应用情况、团队协作精神）相比，使用后的优秀率值为10%，未使用的优秀率值为4%，使用效果良好。 |
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2-8实验方法与步骤要求（学生交互性操作步骤应不少于10步）
1、实验方法描述： 通过线上与线下，虚拟与现实相结合的方式开展本实验的工作： （1）观看实验介绍视频、阅读实验目的、原理和特色。对工业机器人基本理论知识如：总体基本机构及自由度分析计算、减速装置原理及速比计算分析、J1至J6轴基本机构及运动原理等进行课前预习。 （2）根据系统仿真模型参数进行减速器速比计算知识巩固，计算结果可作为后期整机装配选型的依据。 （3）将整机各零部件分解，操作人员可对待装配区域内的零件进行结构观察和用途分析。 （4）通过嵌入式多媒体资料观看实物拆装视频，巩固核心要素的结构原理知识，确保仿真实验高效、准确的开展。 （5）进行J1轴至J6轴主体结构的仿真装配，根据前期计算结果合理选择各关节处的减速装置，依次完成J1至J6轴的各零部件选型和定位装配，分析各关节传动形式和原理。 （6）对仿真阶段实验进行小结和考评。 （7）结合线上阶段已授的理论和实践知识，以团队协作形式开展线下J3轴和J5轴拆装。 （8）从线上和线下两方面表现开展综合考评，总结虚实结合实验效果。
图11 工业机器人机械系统结构原理实验方法流程图
2、学生交互性操作步骤说明： 核心交互性实验步骤包含7个模块24个操作步骤，具体如图12所示。
图12 实验核心互动步骤 （1）模块一：整机结构认识 步骤1：整机结构部件标定，并可与系统答案进行验证，帮助学生对 整体结构认知；
图13 整机认知标定 （2）模块二：J1轴结构选型装配 步骤2：肩关节认知选型并装配； 步骤3：RV减速器计算分析选型并装配； 步骤4：伺服电机选型并安装；
图14 J1轴交互实验操作
（3）模块三：J2轴结构选型装配 步骤5：RV减速器计算分析选型并装配； 步骤6：大臂认知选配； 步骤7：配套伺服电机选型并安装；
图15 J2轴交互实验操作 （4）模块四：J3轴结构选型装配 步骤8：肘部关节认知分析和选型装配； 步骤9：RV减速器计算分析选型并装配； 步骤10：配套伺服电机认知选型及安装；
图16 J3轴交互实验操作 （5）模块五：J4轴结构选型装配 步骤11：连接杆选型装配； 步骤12：谐波减速器计算分析选型并装配； 步骤13：小臂结构认知及选型装配； 步骤14：配套伺服电机认知选型及安装； 步骤15：防尘盖选择及安装；
图17 J4轴交互实验操作 （6）模块六：J5轴结构选型装配 步骤16：腕部壳体结构认知及选型装配； 步骤17：腕部谐波减速器计算分析选型并装配； 步骤18：减速电机及定位块选配； 步骤19：皮带安装（注意需在J6轴电机放置后安装）；
图18 J5轴交互实验操作 （7）模块七：J6轴结构选型装配 步骤20：减速电机和定位板选型装配； 步骤21：换向锥齿轮计算选型安装； 步骤22：法兰盘和谐波减速器计算分析选型并装配选配； 步骤23：皮带安装； 步骤24：防尘盖安装；
图19 J6轴交互实验操作
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2-9实验结果与结论要求
其他描述： 系统拥有练习模式和考核模式情境功能。考核模式可对理论知识和实践操作进行客观评价，在考试模式下需输入考生的“姓名”和“学号”。考试环境是倒计时状态，操作中有不会的步骤可以按“考核提示键”给予考生该步骤的提示或者按“跳过本步”按键考生可以跳过不会操作的步骤以完成全部操作步骤。 使用提示或跳过都会扣除相应的分数。 完成考试按“结束考试”即可。 软件自动评分。考核结束后，系统会生成一个考核结果文档。学生可通过文档单查看自己的各项知识点考核情况，如不满意可以反复进行试验，以此激发学生的学习热情，从而达到熟练掌握本实验的各项知识技能。 图20 考核模式场景图
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2-10考核要求 本实验项目针对学生学习效果建立考核机制。平台可从治学态度、理论水平、实验技能、实验总结四方面度学生的学习效果进行智能测评分析，考核结果可作为教学调整的参考依据。 1、治学态度（占实验成绩10%），考核内容包括：到课率、知识点预习情况等。 2、理论水平（占实验考核成绩的30%），主要包括对于本实验所用到的实验原理、基本知识、计算分析等。 3、实验技能（占实验考核成绩的50%），主要包括：零件选型、零部件装配准确度和熟练度等，分步按权重积分。 4、实验总结（占实验考核成绩的10%），主要包括：实验知识点线上回顾和整理，可在系统内保存。 理论模块和实践模块考核要点如表3所示。 表3理论和实验考核点明细表
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2-11面向学生要求 本实验项目以当下智能制造业热门执行终端——工业机器人为研究剖析对象，以产业需求为导向，国家智造业战略人才培养为目标，可满足本科院校、高职高专院校、中等职业学校机械类学科及控制类学科相关专业学生的学习。同时，本实验项目也可针对产业技术需求开展企业技术服务和培训。除专业技术需求外，本实验项目良好的互动性和科普性同样适用广大对机器人技术感兴趣的中小学生和社会人群进行科普知识讲座和参观互动。 面向学生的具体要求如下： 1、本科类院校学生 （1）专业与年级要求 机自、机电、机器人工程、智能制造工程、材料成型控制工程等相关 专业大二以上学生。 （2）基本知识和能力要求 具备一定工科类基础知识及工程训练的基本认知与学习能力。掌握机 械、控制技术、计算机等相关领域所涉及的专业知识与技能。 2、高职高专类院校学生 （1）专业与年级要求 机械设计及其自动化、数控技术等相关专业领域的大二以上学生。 （2）基本知识和能力要求 掌握机械、控制技术、计算机等相关领域所涉及的专业知识与技能。 3、中小学学生 通过软件互动，开展科普体验，激发学生的爱国热情和学习兴趣。 4、社会人员 开展相关技术产业社会服务培训，助力技术人员掌握工业机器人的常 规操作和周期维护技能，亦可作为通识教育项目。 |
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2-12实验项目应用及共享情况
(勾选“是”，请附所属课程教学大纲）
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