實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

機(jī)器人技術(shù)是科學(xué)技術(shù)的制高點(diǎn)，是一個(gè)國(guó)家創(chuàng)新能力的標(biāo)志。團(tuán)隊(duì)依托教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，將學(xué)科前沿成果反哺教學(xué)，采用虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)了“系統(tǒng)集成-運(yùn)動(dòng)控制-智能感知-雙臂協(xié)作”四個(gè)逐層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，底層數(shù)據(jù)源于科研和工程實(shí)際，高度逼真地再現(xiàn)電力系統(tǒng)復(fù)雜環(huán)境下智能機(jī)器人控制的核心要素，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程，并提供了豐富的交互功能，可試驗(yàn)和驗(yàn)證學(xué)生自主設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制方案。

設(shè)計(jì)原則

實(shí)驗(yàn)包含四個(gè)主要環(huán)節(jié)，以工程實(shí)際高空電力作業(yè)為背景，緊扣《機(jī)器人控制技術(shù)》、《機(jī)器人控制技術(shù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐》、《運(yùn)動(dòng)控制原理》課程大綱中的知識(shí)點(diǎn)展開。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由淺入深，兼顧知識(shí)性與趣味性，實(shí)驗(yàn)開始后學(xué)生會(huì)來(lái)到高鐵配電線路工作站點(diǎn)，通過(guò)互動(dòng)引導(dǎo)實(shí)地觀察機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境，了解更換避雷器的作業(yè)任務(wù)，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目所選用的雙臂協(xié)同智能機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)裝配、視覺(jué)處理、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、軌跡規(guī)劃、雙臂協(xié)同操作控制一系列的任務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜環(huán)境下智能機(jī)器人高危作業(yè)的自動(dòng)控制，通過(guò)設(shè)計(jì)完整的操作步驟，讓智能機(jī)器人自主完成更換避雷器的任務(wù)。

該虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)主要包括認(rèn)知、實(shí)踐、探究三大模塊，結(jié)合高鐵站配電線路故障的實(shí)際場(chǎng)景，通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式幫助學(xué)生具備將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用于工程解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1、智能機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)及功能調(diào)試的認(rèn)知教學(xué)—機(jī)器人“系統(tǒng)搭建”

智能機(jī)器人代替人工完成復(fù)雜環(huán)境下的高危電力作業(yè)，需要學(xué)生對(duì)電力作業(yè)環(huán)境有足夠的認(rèn)知，充分了解機(jī)器人代替人工作業(yè)的關(guān)鍵操作。同時(shí)，雙臂協(xié)同機(jī)器人系統(tǒng)組成包括動(dòng)力模塊、通信模塊、視覺(jué)模塊、控制模塊和末端執(zhí)行模塊，本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注控制算法的實(shí)現(xiàn)和參數(shù)優(yōu)化，但是系統(tǒng)的整體組裝和功能調(diào)試是必不可少的操作。

關(guān)鍵仿真要素：電力作業(yè)場(chǎng)景、智能機(jī)器人各組成模塊。

2、智能機(jī)器人手眼結(jié)合工作原理應(yīng)用教學(xué)—機(jī)器人“眼睛看到”

根據(jù)重構(gòu)的作業(yè)環(huán)境及識(shí)別出的抓取目標(biāo)的位置，要求學(xué)生能夠使用基于伽馬參數(shù)調(diào)節(jié)的圖像處理算法使機(jī)器人對(duì)于工作場(chǎng)景能夠準(zhǔn)確識(shí)別，并快速標(biāo)定作業(yè)目標(biāo)，通過(guò)對(duì)“眼在手上”的機(jī)器人進(jìn)行位置標(biāo)定和距離測(cè)定，為后續(xù)運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵仿真要素：全景相機(jī)拍攝作業(yè)畫面、“眼在手上”的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)、機(jī)器人視覺(jué)處理全過(guò)程分析及伽馬參數(shù)調(diào)節(jié)。

3、雙機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)建模及運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃互動(dòng)教學(xué)—機(jī)器人“手臂抓到”

對(duì)機(jī)械人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的前提是對(duì)6自由度機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，學(xué)生需要掌握基于DH參數(shù)的多自由度空間建模，機(jī)械臂正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解以及基于笛卡爾空間和關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃。

關(guān)鍵仿真要素：6自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、隨參數(shù)整定的運(yùn)動(dòng)路徑。

4、復(fù)雜環(huán)境下電力作業(yè)任務(wù)分解與功能實(shí)現(xiàn)情景式教學(xué)—機(jī)器人“自主作業(yè)”

實(shí)驗(yàn)下發(fā)了10Kv配電線路避雷器更換的工作任務(wù)，通過(guò)對(duì)拆卸避雷器的工作任務(wù)分解使學(xué)生理解理論知識(shí)在實(shí)際場(chǎng)景中的具體應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合視覺(jué)處理、路徑規(guī)劃、末端控制等內(nèi)容完成復(fù)雜環(huán)境下的高危作業(yè)。

關(guān)鍵仿真要素：末端執(zhí)行工裝、高空帶電線路、避雷器及相關(guān)連接裝置。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/b>

本團(tuán)隊(duì)依托南京理工大學(xué)國(guó)家級(jí)“雙一流”學(xué)科建設(shè)點(diǎn)，“電氣工程及自動(dòng)化”國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、“高維信息智能感知與系統(tǒng)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和 “多運(yùn)動(dòng)體信息感知與協(xié)同控制”江蘇省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和江蘇省自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)示范中心，面向社會(huì)對(duì)能夠從事高危作業(yè)機(jī)器人研發(fā)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要和南京理工大學(xué)“自動(dòng)化”國(guó)家級(jí)一流專業(yè)建設(shè)任務(wù)，堅(jiān)持以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，遵照虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 “能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”的原則，將科研成果反哺實(shí)驗(yàn)教學(xué)，自主研發(fā)了高空高壓環(huán)境下的配電線路維護(hù)機(jī)器人控制算法并嵌入到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)面向高校和企業(yè)免費(fèi)開放。

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依據(jù)《機(jī)器人控制技術(shù)》、《機(jī)器人控制技術(shù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐》課程大綱和關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，針對(duì)當(dāng)前國(guó)家急需培養(yǎng)能夠從事高危作業(yè)機(jī)器人研發(fā)的創(chuàng)新型人才的需求，結(jié)合10kV配電線路維護(hù)機(jī)器人研發(fā)的工程實(shí)際，通過(guò)計(jì)算機(jī)三維仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)復(fù)雜環(huán)境下智能機(jī)器人高危作業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，再現(xiàn)配電線路維護(hù)中經(jīng)典的更換避雷器的真實(shí)作業(yè)場(chǎng)景，還原整個(gè)操作的全過(guò)程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維方式和解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力，具體實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌ǎ海?）通過(guò)復(fù)雜環(huán)境下高危作業(yè)的認(rèn)知與智能機(jī)器人模塊化組裝調(diào)試與環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生理解智能機(jī)器人的系統(tǒng)組成、自動(dòng)控制原理和信息采集與傳輸技術(shù)，通過(guò)自主操作感受智能機(jī)器人自主感知環(huán)境、調(diào)整控制路徑、完成控制作業(yè)的全過(guò)程，使學(xué)生具備智能機(jī)器人結(jié)構(gòu)組裝、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單功能調(diào)試的能力。（2）使學(xué)生掌握?qǐng)D像處理技術(shù)和基于雙目測(cè)定的位置標(biāo)定算法，促進(jìn)學(xué)生對(duì)6自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃的學(xué)習(xí)和理解。介紹基于DH參數(shù)法的機(jī)械臂建模和笛卡爾空間路徑規(guī)劃，通過(guò)實(shí)時(shí)展示參數(shù)整定對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑的影響加深學(xué)生對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制規(guī)律的理解，通過(guò)虛擬場(chǎng)景與實(shí)際調(diào)試相結(jié)合的方式使學(xué)生具備多關(guān)節(jié)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、控制算法優(yōu)化的能力。（3）通過(guò)真實(shí)還原高空電力作業(yè)場(chǎng)景，下發(fā)避雷器更換的電力作業(yè)任務(wù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)與學(xué)生自主設(shè)計(jì)詳相結(jié)合的方式，幫助學(xué)生綜合理解和應(yīng)用所學(xué)軌跡規(guī)劃、信息處理、控制算法相關(guān)的知識(shí)，控制智能機(jī)器人代替人工完成高危電力作業(yè)，使學(xué)生具備解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

實(shí)驗(yàn)要求

（1）專業(yè)與年級(jí)要求

自動(dòng)化、機(jī)器人工程、智能制造等相關(guān)專業(yè)的本科生、研究生。

（2）基本知識(shí)和能力要求

矩陣分析、高級(jí)編程語(yǔ)言等