积木式教育机器人三维仿真平台框架研究

高海涛,左 健,朱松青,吴在罗,徐 飞

(1.南京工程学院 机械学院， 江苏 南京 211167)(2.临沂第三实验小学， 山东 临沂 276000)

积木式教育机器人三维仿真平台框架研究

高海涛1,左 健2,朱松青1,吴在罗1,徐 飞1

(1.南京工程学院 机械学院， 江苏 南京 211167)(2.临沂第三实验小学， 山东 临沂 276000)

针对目前教育机器人缺少仿真环境、训练过程不完善的缺点，提出了一种集机器人设计、控制程序编写、动态仿真为一体的机器人三维仿真平台。分析了教育机器人三维仿真平台的功能需求。利用面向对象的建模方法和组件化思想，建立了分层的机器人三维仿真平台体系结构和以数据为中心的功能框架，并给出了仿真平台的应用流程。实际应用表明,该仿真平台具有很好的应用前景和推广价值。

教育机器人；三维仿真平台； 框架结构

积木式教育机器人是一类以积木式机械结构件和电子结构件为基本构件，以简易、快速的拼装作为主要装配方法的模块机器人。它融合了数学、物理、机械、电子、传感器、计算机软件和硬件以及人工智能等众多领域的科学与技术知识，具有突出的学科综合性和科学探究性特点。目前，常见的积木式教育机器人套件有：国外如乐高公司与麻省理工学院合作开发的乐高机器人[1]，德国的慧鱼创意组合模型[2]等;国内如东南大学研究的教育机器人[3]，上海积成公司的未来之星教育机器人以及广州中鸣科技有限公司的中鸣系列机器人等。通过教育机器人的制作训练及相关配套软硬件的使用，学生能够从系统的角度出发，学会综合运用机械、电子和信息等技术，并将之有机地组织与综合，实现系统整体的最优化，这对培养学生对新技术的综合运用能力、动手能力、创新能力、设计能力及团队合作能力都具有重要意义[4-5]。

尽管积木式教育机器人具有广泛的应用范围，然而由于目前积木式教育机器人主要还是生产厂家提供的机器人实体，这虽然能够提高学生的动手能力，但对培养学生更高层次的想象能力和创新能力尚存在差距，因此迫切需要更新机器人的配套软件。为此，结合现代先进制造技术和机器人仿真技术，本文提出一种集教育机器人设计、控制程序编写、动态物理仿真等功能为一体的三维可视化教育机器人仿真平台。

1 机器人三维仿真平台的功能分析

积木式机器人的基本组成如图1所示。它一般分为软件和硬件两大部分，其中软件部分主要为一个集成编程环境，用以进行机器人控制程序的设计。硬件部分包括了模块化、系列化的基础构件,传动部件,动力部件,控制器,传感器等模块，用以设计机器人本体。虚拟积木式教育机器人是实体机器人在计算机中的映射，因而它需要仿真出实体教育机器人的各种特性以及与此相关的各种设计活动。

图1 积木式教育机器人

根据教育机器人系统的训练过程，确定机器人三维仿真平台应该具备以下功能[3]：

a.机器人设计功能。能够实现机器人设计和装配过程仿真。设计者可以自由地选用零件进行教育机器人机械本体和控制系统的设计工作。

b.控制程序编写功能。能够实现教育机器人控制程序的编写、调试和下载，编写好的控制程序不仅可以下载到真实教育机器人当中去，还要能够下载到虚拟教育机器人中去。

c.机器人动态仿真功能。能够实现对搭建好的教育机器人进行动态仿真。为了调试和验证搭建好的虚拟机器人，能够提供一个拟实的作业场景，可以让虚拟教育机器人能够像在真实环境中那样自由运动。

d.智能评价和引导功能。实现对教育机器人制作过程的引导和评价。

2 面向对象的仿真平台体系结构

为了让机器人三维仿真平台具有集成化、模块化、可扩展、可定制等特点，本文利用面向对象的建模方法以及组件化技术[6]，建立了分层的教育机器人仿真平台体系结构。其架构图如图2所示。积木式教育机器人三维仿真平台主要分为人机交互层、框架层、应用层、数据管理层以及数据层等5层体系结构，各层之间通过信息流和控制流相互关联。整个系统以数据为基础，以框架层为结构核心，以机器人设计、控制程序编写和机器人动态物理仿真为应用平台，实现整个系统间的有效管理和协调工作。

图2 分层的仿真平台体系结构

a.人机交互层。

人机交互层能够提供多种交互方式来反映虚拟教育机器人的制作过程。如设计者可以通过统一的图形化人机界面向仿真平台施加命令，也可以通过仿真场景的三维显示以及声音等多通道信息来真实地感知数字化教育机器人的制作过程。将机器人仿真平台的人机交互独立出来作为一个逻辑层次，不仅可以降低人机交互方式与系统之间的耦合性，而且可以为新交互方式的快速运用提供方便。

b.框架层。

框架层是教育机器人仿真平台的中枢层。仿真教育机器人的制作过程需要多个功能平台和应用多种技术，如何集成这些功能平台和技术是建立机器人三维仿真平台的一个关键问题。而基于DCOM或CORBA的组件技术为仿真平台的集成提供了一个很好的框架。框架层通过DCOM或CORBA机制实现异构系统或者功能平台之间的集成和互操作，并通过对象管理框架来管理各种应用对象及其相互关系，实现了虚拟机器人整个制作过程的全面控制和集成。

c.应用层。

应用层是教育机器人仿真平台的功能实现层，也是仿真平台的核心层。它包含了教育机器人整个制作阶段所需的各种功能模块，以完成教育机器人必要的制作仿真。应用层中各种功能模块的实现需要机器人建模、快速装配仿真、图形化编程、动态仿真等多种关键技术的支撑。

d.数据管理层。

数据管理层为应用层提供了多种标准的数据访问接口以实现本地数据和远程数据的访问，数据管理包括了对数据库和一些数据文件的管理,也包括了对一些异构数据的解析，以便让数据能够完全融入到集成仿真平台中。

e.数据层。

数据层是整个系统的信息基础，因而被放在最底层，这也体现出了以数据为中心的构架模式。数据层存放了一些与虚拟教育机器人制作过程相关的动静态数据，这包括零件库、机器人模型数据、机器人设计数据、控制程序以及动态仿真数据等。

3 以数据为中心的功能框架

积木式教育机器人的整个训练过程要经历构思、设计、程序编写、运行验证等不同的阶段，在每一个阶段中，由于系统对模型的抽象层次和关注角度不同，使得机器人制作过程中各种数据模型相互独立，形成了一定的信息壁垒。为了保证数据和信息能够在教育机器人仿真平台各功能模块间顺畅流动，本文建立了以数据为中心的功能框架。这种构架方式以模型数据为中心，让各模块间仅通过数据进行交流，保证了各功能模块之间的松散耦合。

建立的机器人仿真平台的功能框架如图3所示。它主要包括机器人设计场景、集成编程环境及机器人动态仿真场景等3个相对独立的功能场景。这3个场景中的输入输出数据交由统一的数据管理器进行管理和解析，实现教育机器人整个制作过程中的信息顺畅流动。其中，教育机器人设计场景采用了一种“过程式”的机器人装配建模方法，设计者可以从零件库中选择合适的零件来设计机器人机械本体和控制系统。集成编程环境建立了多种编程界面，如简单的图形化编程以及复杂的C语言编程等，以面向不同层次的用户。设计者可以利用不同的编程语言对教育机器人控制程序进行设计和调试，并将调试好的程序下载到虚拟机器人或实体机器人。机器人仿真场景主要模拟了真实的物理环境，设计者可以在其中建立仿真作业场景来验证机器人的功能。场景中的机器人可以像在真实物理环境中那样运动和相互作用，给设计者一个逼真的视觉效果。

图3 机器人仿真平台的功能框架

4 三维仿真平台的应用流程

根据积木式教育机器人的创新制作过程[7-8]以及三维仿真平台的功能模块，一个虚拟模块机器人的设计流程如图4所示，其主要包括以下步骤。

Step1,提出一种机器人创意或者某种工程训练实例；在制定了机器人制作计划后，设计者就可以利用机器人集成仿真平台进行机器人的预设计和仿真实验。

图4 积木式教育机器人设计流程

Step2,进入机器人设计场景进行教育机器人的设计和装配。在设计场景中，设计者可以在零件库中自由选择所需的机械结构件或电子结构件，并将零件“拖入”装配工作区域，根据需要对零件进行移动、旋转、定位、删除等装配动作，完成教育机器人机械本体和控制系统的设计。

Step3,在设计和分析结果都满足要求时，进入教育机器人集成编程环境对教育机器人控制程序进行设计。设计者可以在集成环境中选择多种编程语言对控制程序进行编写和调试，直至获得满意的控制程序。

Step4,进入动态物理仿真场景。设计者可以为机器人选择或建立合适的作业仿真场景，将控制程序下载到虚拟控制器中驱动教育机器人进行作业仿真，以验证教育机器人的功能。在发现问题后可以返回到设计场景或者编程环境进行修改。

Step5,当仿真达到满意的效果后，设计者可以输出相关的文件以指导实体机器人的设计工作。这些文件包括零件列表文件，控制程序文件，仿真视频、教育机器人模型文件等。教育机器人三维仿真平台具体的应用实例如图5所示。

图5 机器人仿真平台应用实例

5 结束语

随着社会的发展以及对创新人才培养的需要，积木式教育机器人作为一种崭新的教育手段和教学载体必将引起人们越来越多的关注。本文结合现代先进制造技术及机器人仿真技术，提出集机器人搭建、控制程序设计、动态仿真等功能为一体的机器人三维仿真平台,综合运用了3D图形图像技术、虚拟装配、多媒体、机器人、智能控制等技术，融入了现代教学认知理念，实现了实体机器人整个制作过程的仿真，将该仿真平台独立或者与实体教育机器人配合使用，不仅可以弥补现有教育机器人配套软件的不足，而且为学生创新教育提供了一个新的认知环境和训练平台。

[1] LEGO GROUP．LEGO Robot Product [EB/OL]．[2014-03-30]．http: //www.lego.com/en-us/．

[2] FISCHER GROUP．Fischertechnik model [EB/OL]．[2014-03-30]．http:// www. fischertewchnik. de/en/ home. Aspx．

[3] 高海涛．教育机器人三维仿真平台关键技术研究[D].南京：东南大学机械学院，2010．

[4] 张剑平，王益. 机器人教育：现状、问题与推进策略[J]. 中国电化教育，2006(12)：5-68.

[5] 李春华，崔世钢，郑桐，等. 发展机器人教育培养综合型创新人才的研究与实践[J]. 天津工程师范学院学报，2005(4): 61-63.

[6] 李代平．面向对象分析与设计[M]．北京：冶金工业出版社，2005.

[7] 刘全良．基于LEGO的工程创新设计[M]．北京：机械工业出版社，2006．

[8] 顾建军. 简易机器人制作[M].南京：江苏教育出版社,2005.

A3Dmodularsimulationplatformofeducationalrobotsanditsapplication

GAO Haitao1,ZUO Jian2,ZHU Songqing1,WU Zailuo1,XU Fei1

(1.Nanjing Institute of technology, Jiangsu Nanjing, 211167, China)(2.Linyi Third Experimental Elementary School, Shandong Linyi, 276000, China)

Aiming at lack of corresponding simulation software in modular educational robots and incomplete training process, it introduces the 3D simulation platform of educational robots and educational robot design, presents the control programming and dynamic simulation. It analyzes the functional requirement for the simulation platform of educational robots uses the object-oriented modeling method and modular thought to establish platform architecture based on hierarchy and function structure. It shows application process of 3D simulation platform in robot education, illustrates that the 3D simulation platform has a good application prospect and popularization value in application.

educational robot; 3D simulation platform; platform architecture

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.10.017

2014-09-01

江苏省六大人才高峰重点项目(2012-ZBZZ-049);江苏省大学生创新项目(201311276009Z, 201411276010Z )

高海涛(1979—)，男，山东临沂人，南京工程学院讲师，博士，主要研究方向为服务机器人。

TP391.9

A

2095-509X(2014)10-0074-04