張 俞 夏寶平

(貴州開(kāi)放大學(xué) 貴陽(yáng) 550004)

2020年9月,教育部印發(fā)的《國(guó)家開(kāi)放大學(xué)綜合改革方案》提出,“使國(guó)家開(kāi)放大學(xué)成為我國(guó)終身教育的主要平臺(tái)、在線(xiàn)教育的主要平臺(tái)和靈活教育的平臺(tái)、對(duì)外合作的平臺(tái),成為服務(wù)全民終身學(xué)習(xí)的重要力量和技能社會(huì)的有力支撐”[1],這標(biāo)志著國(guó)家開(kāi)放大學(xué)進(jìn)入改革發(fā)展的新階段?，F(xiàn)階段,培養(yǎng)具備工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力以及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的人才是對(duì)當(dāng)前高等工程教育改革提出的迫切要求。在“互聯(lián)網(wǎng)+”教育背景下,將數(shù)字孿生技術(shù)與課程教學(xué)深度融合,加大虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè),能有效將課程講授與智能制造實(shí)操相結(jié)合,既能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)當(dāng)下對(duì)智能制造技術(shù)人才的培養(yǎng)需求,切實(shí)推動(dòng)傳統(tǒng)教學(xué)育人方式變革,又能契合開(kāi)放教育的教學(xué)需求,同時(shí)為本科教育、高職教育的相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的線(xiàn)上和線(xiàn)下教學(xué)服務(wù)。

在教學(xué)方面,基于Smart智能機(jī)械臂的數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái),搭建起虛擬仿真與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的橋梁,突破了時(shí)間、地域的限制,可以在最大程度上克服開(kāi)放教育的學(xué)生無(wú)法到實(shí)驗(yàn)室完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的各種限制,極大地提高了學(xué)生參與實(shí)訓(xùn)的積極性。學(xué)生只需要登錄賬號(hào)進(jìn)入Smart數(shù)字孿生虛擬仿真平臺(tái),便能通過(guò)電腦觀察演示實(shí)驗(yàn),不僅可以遠(yuǎn)程操作機(jī)械臂做實(shí)物實(shí)驗(yàn),還可以操作Smart數(shù)字孿生體做虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn),同時(shí)在數(shù)字孿生環(huán)境中進(jìn)行訓(xùn)練可以避免因操作不熟練給學(xué)生帶來(lái)的傷害和對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的損壞,能夠增加學(xué)生參與工程綜合和創(chuàng)新項(xiàng)目的機(jī)會(huì),全面提高學(xué)生的工程綜合與創(chuàng)新能力[2]。

為有效解決開(kāi)放教育遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)的困境,進(jìn)一步促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化,筆者以所在學(xué)院人工智能專(zhuān)業(yè)的工業(yè)機(jī)器人Smart智能機(jī)械臂為物理模型,構(gòu)建數(shù)字孿生仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)模型,創(chuàng)設(shè)真實(shí)的工業(yè)機(jī)器人工作場(chǎng)景,并基于數(shù)字孿生體的工業(yè)仿真技術(shù),融合大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和5G通信技術(shù),通過(guò)虛擬仿真平臺(tái),采用虛實(shí)結(jié)合的手段實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的控制。這樣,學(xué)生不僅能做純虛擬仿真實(shí)驗(yàn),也能做純實(shí)物實(shí)驗(yàn),還能做虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn),他們可以通過(guò)在線(xiàn)學(xué)習(xí)的方式理解并掌握機(jī)械臂從三維建模、測(cè)試優(yōu)化到數(shù)據(jù)采集、故障檢測(cè)的全過(guò)程。

一、開(kāi)放教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀

開(kāi)放教育是一種基于靈活性、開(kāi)放性、交互性的教育模式,已成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)高等教育大眾化、構(gòu)建終身教育體系和學(xué)習(xí)型社會(huì)的重要途徑之一[3]。實(shí)訓(xùn)教學(xué)作為開(kāi)放教育中重要的教育教學(xué)環(huán)節(jié),是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代開(kāi)放教育人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要手段,其目的是通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)操能力增強(qiáng)他們解決實(shí)際問(wèn)題的能力,進(jìn)而提高開(kāi)放教育教學(xué)質(zhì)量。

由于受時(shí)間、地域的限制,以理論講授為主的傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式構(gòu)成了當(dāng)前開(kāi)放教育實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的主要形式。教師通過(guò)虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)建逼真的實(shí)訓(xùn)模擬場(chǎng)景,向?qū)W生發(fā)放實(shí)訓(xùn)任務(wù),要求學(xué)生盡可能在模擬的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景中完成實(shí)訓(xùn)任務(wù),雖然這種實(shí)訓(xùn)方式在一定程度上也能促使學(xué)生完成任務(wù)訓(xùn)練,但是受實(shí)體設(shè)備不足、教學(xué)評(píng)價(jià)不完善、監(jiān)控力度不夠、信息化應(yīng)用技能欠缺等綜合因素影響,很難評(píng)價(jià)學(xué)生是否能按照教學(xué)目標(biāo)完成實(shí)訓(xùn)任務(wù),不僅影響了學(xué)生的在線(xiàn)學(xué)習(xí)體驗(yàn),也難以有效提升學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[4]。

目前,高校實(shí)驗(yàn)室作為培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要場(chǎng)所,在遠(yuǎn)程教育教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中并沒(méi)有發(fā)揮出應(yīng)有的作用,并且還存在一些問(wèn)題。例如,部分儀器占地面積大且危險(xiǎn)性高,不允許缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行建設(shè)、安裝、調(diào)試和測(cè)試等操作;有的實(shí)驗(yàn)室只有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),無(wú)真實(shí)的設(shè)備與之對(duì)照,學(xué)生不能體驗(yàn)真實(shí)的交互過(guò)程;部分學(xué)校實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地資源緊缺,無(wú)法滿(mǎn)足多名學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的要求。在這樣的背景條件下,學(xué)生的實(shí)操能力無(wú)法得到充分的鍛煉,理論學(xué)習(xí)與實(shí)際操作嚴(yán)重脫節(jié)[5]。

二、數(shù)字孿生平臺(tái)模型構(gòu)建

(一)基本概念

1.數(shù)字孿生

數(shù)字孿生(Digital Twin)最初由美國(guó)密歇根大學(xué)Michael Grieves教授提出,是指以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體虛擬模型,通過(guò)空間變換映射、虛實(shí)反饋交互、數(shù)據(jù)融合分析、檢測(cè)判斷評(píng)價(jià)、決策迭代優(yōu)化等手段,全面、精準(zhǔn)、高效、智能地展示物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境、全生命周期的過(guò)程行為。作為具有巨大顛覆性和快速突破性的技術(shù),數(shù)字孿生已從新興狀態(tài)逐漸向更有廣度、更有深度的方向發(fā)展,被Gartner公司列為戰(zhàn)略性技術(shù)[4]27。

數(shù)字孿生技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中多種場(chǎng)景的應(yīng)用和數(shù)據(jù)閉環(huán)的整合,破解了虛擬空間的大數(shù)據(jù)障礙;多場(chǎng)域的知識(shí)空間復(fù)現(xiàn),有效解決了現(xiàn)實(shí)環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)困境;多維可視、親和力強(qiáng)的具象節(jié)點(diǎn)特征,順應(yīng)了人工智能的新時(shí)代挑戰(zhàn)[4]28。

2.數(shù)字孿生體

2009年,美國(guó)國(guó)防部的高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)正式提出數(shù)字孿生體這個(gè)概念,他們認(rèn)為,這是一套能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界和數(shù)字空間交互的新技術(shù)范式。2012年,美國(guó)國(guó)家航空航天局與美國(guó)空軍聯(lián)合發(fā)表了關(guān)于數(shù)字孿生體的論文,把它列為驅(qū)動(dòng)未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。最早的時(shí)候,數(shù)字孿生體主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,后來(lái)拓展到了工業(yè)、醫(yī)療、城市管理等多個(gè)領(lǐng)域。

數(shù)字孿生是指充分運(yùn)用物理模型、傳感器、運(yùn)作歷史等數(shù)據(jù),集成多學(xué)科、多尺度、多物理量、多概率的模擬仿真全過(guò)程,在虛擬空間中完成映射,進(jìn)而反映相對(duì)應(yīng)實(shí)體設(shè)備生命周期全過(guò)程,可以有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析下成本較高、流程復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)等方面的問(wèn)題。簡(jiǎn)而言之,可將數(shù)字孿生體看作關(guān)聯(lián)密切、互相依賴(lài)的裝備的數(shù)字化映射系統(tǒng)。相較于以往的可視化等系統(tǒng),數(shù)字孿生體并不是單純的數(shù)字化展示,而是將數(shù)字虛體與物理實(shí)體進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,通過(guò)數(shù)據(jù)信息,模擬實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的實(shí)際情況,實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)交互,而且還能夠進(jìn)一步展開(kāi)數(shù)據(jù)融合分析,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)流程以及產(chǎn)品的優(yōu)化管理,在保障管理效率、質(zhì)量的同時(shí),也能夠減少資源成本消耗[6]。

3.虛擬仿真

虛擬仿真又稱(chēng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或模擬技術(shù),是用一個(gè)虛擬系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù),從狹義上講,虛擬仿真是指20世紀(jì)40年代伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一類(lèi)試驗(yàn)研究的新技術(shù)。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,仿真技術(shù)逐步自成體系,成為繼數(shù)學(xué)推理、科學(xué)實(shí)驗(yàn)之后人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然界客觀規(guī)律的第三類(lèi)基本方法,而且正在發(fā)展成為人類(lèi)認(rèn)識(shí)、改造和創(chuàng)造客觀世界的一項(xiàng)通用性、戰(zhàn)略性技術(shù)[7]。

4.Smart智能機(jī)械臂

如圖1所示,Smart智能機(jī)械臂是一款串聯(lián)型、多關(guān)節(jié)、桌面級(jí)機(jī)械臂,全金屬結(jié)構(gòu)件配合良好的工業(yè)設(shè)計(jì)造型,具備3個(gè)以上自由度,主體結(jié)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)底座、大臂、小臂、末端夾具和獨(dú)立的控制器組成。Smart機(jī)械臂結(jié)合BrobotStudio軟件使用,可以實(shí)現(xiàn)寫(xiě)字畫(huà)畫(huà)、激光雕刻、示教再現(xiàn)、視覺(jué)分揀等功能;所提供的多種控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)形式,便于學(xué)生快速實(shí)現(xiàn)各種演示功能。與Smart機(jī)械臂配套的二次開(kāi)發(fā)工具包支持C/C++、Java、Python等多種主流編程語(yǔ)言。作為機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支,與機(jī)械臂相關(guān)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)、控制等知識(shí)均可以利用多關(guān)節(jié)機(jī)械臂作為教學(xué)載體來(lái)講授。

圖1 Smart智能機(jī)械臂

(二)基于Smart智能機(jī)械臂實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)模型的構(gòu)建流程

以工業(yè)機(jī)器人Smart智能機(jī)械臂為物理模型的數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái),采用3DMAX+BIMface對(duì)現(xiàn)有的Smart智能機(jī)械臂進(jìn)行1:1建模,主要由物理實(shí)體、數(shù)據(jù)建模、數(shù)字孿生體模型三部分構(gòu)成,如圖2所示。平臺(tái)模型構(gòu)建主要包括物理實(shí)體的配置與連接,機(jī)器人狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)模型的建立與迭代更新以及基于數(shù)字孿生體的工業(yè)仿真與數(shù)據(jù)分析管理[8],其中,基于數(shù)字孿生體的工業(yè)仿真與數(shù)據(jù)分析管理是模型構(gòu)建的核心內(nèi)容。

圖2 數(shù)字孿生體設(shè)計(jì)流程圖

基于Smart智能機(jī)械臂實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)利用機(jī)理建模方法建立初步模型,然后通過(guò)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)反饋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行修正和迭代,進(jìn)而建立完備的數(shù)字孿生體[8]2。在數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)上,采用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù),結(jié)合實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)和伺服控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全面態(tài)勢(shì)感知,基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,對(duì)智能機(jī)器人進(jìn)行多維度、全方位的工業(yè)仿真。同時(shí),基于數(shù)字孿生體模型制定并預(yù)演各項(xiàng)控制策略,以獲得最優(yōu)控制策略,提升智能機(jī)器人系統(tǒng)的智能化運(yùn)行水平[8]2?；赟mart智能機(jī)械臂實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)的架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 基于Smart智能機(jī)械臂實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)的架構(gòu)圖

(三)數(shù)字孿生虛擬仿真控制功能的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用BIMFACE三維引擎作為數(shù)字孿生體核心控制組件,通過(guò)后臺(tái)代碼的開(kāi)發(fā),能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字孿生體機(jī)械臂各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)控制。其實(shí)現(xiàn)步驟如下:首先,需確定機(jī)械臂控制關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)基點(diǎn)坐標(biāo)值,并將平臺(tái)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值;然后,需依據(jù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)定相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)相對(duì)坐標(biāo)值;最終,通過(guò)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)相應(yīng)的控制功能完成機(jī)械臂的實(shí)際運(yùn)動(dòng)控制功能,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生虛擬仿真控制功能,以及代碼基于C#和javascript語(yǔ)言編寫(xiě)。

三、基于Smart智能機(jī)械臂實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)應(yīng)用

(一)課程應(yīng)用案例

運(yùn)用數(shù)字孿生、虛擬仿真等相關(guān)技術(shù),結(jié)合Smart智能機(jī)械臂物理實(shí)體設(shè)備,開(kāi)發(fā)一套與Smart智能機(jī)械臂課程相關(guān)的教學(xué)方法,包括實(shí)現(xiàn)對(duì)通信串口的連接控制和機(jī)械臂在x、y、z三個(gè)維度的運(yùn)行控制,調(diào)節(jié)機(jī)械臂的運(yùn)行速度,以加深學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人相關(guān)知識(shí)的了解。

Smart智能機(jī)械臂課程配有BrobotStudio實(shí)訓(xùn)軟件,是以實(shí)現(xiàn)控制Smart機(jī)械臂抓取功能為主要目標(biāo)的實(shí)訓(xùn)裝置。該軟件功能包括寫(xiě)字畫(huà)畫(huà)、激光雕刻、拾取分揀、手勢(shì)控制、鼠標(biāo)控制等。以小球拾取分揀實(shí)訓(xùn)為例(如圖4所示),教師發(fā)布實(shí)訓(xùn)課程任務(wù)后,學(xué)生首先通過(guò)登錄個(gè)人賬號(hào)進(jìn)入Smart機(jī)械臂數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)平臺(tái),然后在各自的電腦上完成Smart機(jī)械臂的校準(zhǔn),并設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)械臂x、y、z三個(gè)維度的運(yùn)行控制,最后在電腦上進(jìn)行虛擬仿真驗(yàn)證。在仿真驗(yàn)證過(guò)程中,由于實(shí)訓(xùn)軟件上包含各主要環(huán)節(jié)的考核點(diǎn),因此,學(xué)生只有完成所有的考核,才能利用智能服務(wù)模塊與Smart智能機(jī)械臂的實(shí)體設(shè)備進(jìn)行連接,并通過(guò)在電腦端操作數(shù)字孿生模型來(lái)直接控制Smart智能機(jī)械臂物理實(shí)體設(shè)備,進(jìn)而驗(yàn)證學(xué)習(xí)效果。同時(shí),在機(jī)械臂周?chē)惭b螢石C6攝像頭獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生不在教室,也能直觀地觀察機(jī)械臂的運(yùn)行情況。此外,Smart智能機(jī)械臂實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)所包含的技能綜合評(píng)價(jià)體系,還為教師了解學(xué)生對(duì)知識(shí)與技能的掌握程度提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

圖4 Smart智能機(jī)械臂拾取分揀實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

(二)應(yīng)用效果

學(xué)生通過(guò)控制數(shù)字孿生體來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室里實(shí)體Smart智能機(jī)械臂的遠(yuǎn)程控制,進(jìn)而完成寫(xiě)字畫(huà)畫(huà)、激光雕刻、拾取分揀等遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目?；赟mart智能機(jī)械臂實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)的有效應(yīng)用,突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的各種限制,解決了實(shí)訓(xùn)物理設(shè)備不足和學(xué)生無(wú)法到實(shí)驗(yàn)室利用實(shí)體設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題,提升了學(xué)生的實(shí)際操作能力和獨(dú)立思考能力。

Smart智能機(jī)械臂實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)不僅能使學(xué)生獲得更加直觀、真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn),還能幫助教師根據(jù)不同年級(jí)、不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生設(shè)計(jì)不同實(shí)訓(xùn)任務(wù),實(shí)施個(gè)性化分類(lèi)教學(xué)。例如,對(duì)于開(kāi)放教育的低年級(jí)學(xué)生,可以讓他們通過(guò)控制機(jī)械臂進(jìn)行寫(xiě)字、畫(huà)畫(huà)、視覺(jué)分揀等實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)操作;對(duì)于高年級(jí)學(xué)生,可以讓他們獨(dú)立設(shè)計(jì)數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)模型;對(duì)于學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)、具備獨(dú)立創(chuàng)新精神的學(xué)生,可以讓他們參與到模型優(yōu)化、遠(yuǎn)程運(yùn)維等實(shí)訓(xùn)流程中,如對(duì)因數(shù)據(jù)滯后導(dǎo)致物理模型與虛擬孿生體協(xié)調(diào)性不足的模型進(jìn)行性能測(cè)試優(yōu)化,并對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和檢修。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述,基于Smart智能機(jī)械臂數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在開(kāi)放教育遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)的應(yīng)用研究,突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的各種限制,可以在最大程度上解決開(kāi)放教育的學(xué)生無(wú)法到教室上課的問(wèn)題,能夠有效提升學(xué)生的實(shí)際操作能力和獨(dú)立思考能力。通過(guò)研究數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè),將課程講授與智能制造實(shí)操相結(jié)合,既能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)當(dāng)下對(duì)智能制造技術(shù)人才的培養(yǎng)需求,又能契合開(kāi)放教育對(duì)該類(lèi)課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)需求,同時(shí)還能為本科教育、高職教育的相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的線(xiàn)上和線(xiàn)下教學(xué)服務(wù),優(yōu)化在線(xiàn)學(xué)習(xí)體驗(yàn),為開(kāi)展立體式、多元化職業(yè)技能教育培訓(xùn),創(chuàng)新開(kāi)放教育遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供新的思路。