关键词：
机器人学
工业机器人教学
虚拟实验室
基于模型的虚拟实验
人机交互
摘要：
六自由度机器人是一种典型的工业机器人,在工业活动中被越来越广泛地使用。工业机器人技术是自动控制领域中出现一项高新技术,该领域的研究十分活跃,且随着产业需求的不断增长其应用覆盖范围也日趋广泛,对工业机器人技术研究和应用的水平已成为衡量一个国家自动化水平的重要标志。工业机器人技术的快速发展推动了机器人学技术发展,同时也为工业机器人教育的发展注入强大动力,机器人学教育是培养工程技术人才的迫切需要。一般高校对本科生开设的“机器人导论”及相关的机器人学课程,均是以串联结构的机器人为学习主体,市场上的相关教材也是对串联机器人进行分析和综合为主要内容。因此,机器人学的基础主要是针对串联结构的机器人的机械性能的学习。传统上,机器人学的学习和其他学科的学习一样,依赖于“标准课堂”,这种标准课堂包括课堂教学环节和实验环节,而现阶段的机器人实验教学的情况存在实验设备不足、理论与实践脱节以及安全性不足等问题。为解决这个问题,本文提出使用虚拟实验室技术创建机器人虚拟实验室,为学习者提供适当的虚拟实验环境,帮助促进学生对理论性知识的学习。现阶段虚拟实验室具有低成本、多权限、灵活性高、具有不可见量的观察性和安全性高等优点,虚拟实验室在教学中的应用具有诸多特点,如互动操作性、扩展性以及安全性等特点,这些特点是传统实验室无法比拟的,在实验教学方面也具有如利用率高、易维护等诸多优点。国内外众多研究机构根据自身科研和教学需求建立了多种虚拟实验室和机器人虚拟实验室,但其研究和应用中也存在一些问题:（1）已有的一些机器人仿真系统或机器人虚拟实验室其设计目的并非为机器人学学科本身的实验应用,而是为了研究对机器人系统的综合性应用,如对机器人进行轨迹规划或对机器人完成某个任务的控制算法进行优化,这对于学习机器人学的理论知识并无帮助。（2）一些机器人虚拟实验项目采用的数学模型过于理想化,仅能够完成较浅显的理论实验,不具备实际教学应用价值。因此,创建一个可以完成机器人学一定深度理论性实验的、具有一定复杂度和真实性的机器人虚拟实验室是具有一定创新型和现实意义的。本文以六自由度工业机器人为研究对象,围绕着构建机器人实验室开发平台并在其上开展机器人学相关理论实验的若干核心技术的研究而展开,论文的主要内容包括:首先介绍了工业机器人及其教育的发展以及虚拟现实技术和虚拟实验室的相关概念和特点,从国内外研究现状等方面阐述了虚拟现实技术、虚拟现实开发软件工具、虚拟实验室和机器人虚拟实验室的研究现状,同时阐述了本课题研究的来源、目的、意义和研究内容。然后介绍了虚拟实验室的概念、技术模型和理论框架,阐述了虚拟与仿真的区别,从理论部分、技术部分和应用部分介绍虚拟实验室的理论框架;分析大量虚拟实验室实例,总结出创建虚拟实验室时需要考虑的四个基本原则,即虚拟实验室应该具有的一般特性;基于这些特性,从虚拟实验室的功能分析、性能分析、内容分析和结构分析等四个方面,创建机器人虚拟实验室的设计流程。着重讨论了虚拟实验室的构架模型,包括阐述机器人虚拟实验室的开发框架和实现机器人虚拟实验室的软硬件系统;阐述了基于Qt和Ogre3D的机器人虚拟实验室系统,包括使用相应的开发工具实现虚拟实验室模块化功能;对于虚拟实验室中的三维模型建模方法进行研究,建立了从SolidWorks软件建立模型、在3DS Max软件中进行模型渲染最后导入Ogre3D的模型软件方法;阐述了在Ogre3D虚拟环境中渲染显示虚拟机器人模型的方法。基于上述研究的机器人虚拟实验室的设计流程、虚拟实验室的构架模型和基于Qt和Ogre3D创建的的机器人虚拟实验室系统,设计机器人虚拟实验室的三大虚拟实验系统:坐标变换虚拟实验系统,六自由度机器人运动学虚拟实验系统和六自由度机器人动力学虚拟实验系统。（1）以研究坐标变换虚拟实验为例,首先介绍齐次变换矩阵,创建相应的参数化数学模型;使用上述数学模型结合虚拟实验室系统模块建立坐标变换虚拟实验,直观清晰地在3D环境中呈现欧拉角表示,转轴/角度表示和单位四元数表示以及与齐次变换矩阵的关系,直观化地讲解DH参数的空间意义。（2）介绍了六自由度机器人运动学虚拟实验系统,包括创建对六自由度机器人进行连杆描述的数学过程和相应的虚拟实验;分析机器人正逆运动学的数学模型,创建正逆运动学虚拟实验并用实例说明;分析机器人工作空间,创建判别空间某位姿是否在机器人工作空间内的判别算法同时创建相关的虚拟实验;通过雅各比矩阵创建机器人速度分析虚拟实验并演示;对机器人奇异性进行分析并创建机器人奇异性演示的虚拟实验系统。（3）介绍了六自由度机器人动力学虚拟实验系统,包括介绍基于拉格朗日公式建立机器人动力学模型,给出了动力学正解和动力学逆解问题的形式,并分析机器人动力学参数;使用机器人动力学模型创建机器人动力学虚拟实验系统,阐述了机器人动力学参数对
