虚拟机器人教学平台设计方案

虚拟机器人教学平台

技术方案

目录

1需求分析 (1)

1.1客户需求（参考） (1)

1.2业务需求 (1)

1.3功能需求 (2)

1.4非功能需求 (3)

2系统总体设计 (3)

2.1系统结构 (4)

2.2系统部署 (4)

2.3系统使用流程 (5)

2.4界面设计 (6)

2.5技术要求 (6)

3系统功能实现 (6)

3.1功能1 机器人系统认知： (6)

3.2 功能2 (8)

3.3 功能3 (8)

4关键技术及解决途径 (9)

5子系统设计 (9)

5.1功能域1 (9)

5.2功能域2 (9)

1需求分析

1.1客户需求（参考）

本项目拟基于现有先进制造实验中心智能工厂建设一门协作机器人虚拟仿

真课程，基于学科实验教学的特点，围绕立德树人根本任务，建设包含众多机器人

实验教学资源，为学生提供开放、高效的虚实互动网络实验平台。包括从机器人认知、全生产要素建模、机器人正逆运动学、机器人运动规划、多机器人协作、人机协作在

内的机械电子、控制到应用层面的三部分内容，具体如下：

1.机器人认知：利用SolidWorks 软件设计机器人及外围设备的三维仿真模型，建立机器人与外围设备的IO 接口模型，了解机器人减速机的机械结构，通

过对虚拟部件和设备的拆解和操作，实现对机器人以及各生产要素建模和的认

知；

2.机器人运动控制和仿真：通过调整速度及位置参数的方法熟悉机器人的基

本操作及运动指令操作，通过子函数编程的方式实现机器人的正逆运动学操作，

通过面向不同实际任务编程完成机器人轨迹运动仿真；

在此过程中，完成工具坐标和工件坐标、碰撞检测和轨迹追踪训练，建立机器

人安全操作空间概念，为协作机器人引入基础。

3.协作机器人应用：建设面向具体任务的多机器人协作、人机协作综合虚拟

仿真、创新实践等内容，不仅面向单一固定场景，同时可对不同机器人机械、控制

参数进行仿真分析和调节，实现诸如机器人协作装配、人机协同等，完成实验项

目的可编程、可调试及参数优化。

1.2业务需求

需求：基于现有先进制造实验中心智能工厂，建设一门协作机器人虚拟仿真课程；

要求：基于学科实验教学的特点，围绕立德树人根本任务，建设包含众多机器

人实验教学资源；

目的：为学生提供开放、高效的虚实互动网络实验平台。

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（一）机器人系统认知：

使用 SolidWorks 软件打开机器人系统的三维仿真模型：包括本体、示教器、控制器、工件、工具等。可以通过三维仿真模型进行展示。

通过三维仿真模型，了解机器人减速机等机器人本体的内部机械结构； 可以对三维仿真模型进行拆解和操作；

（二）机器人运动控制和仿真：

机器人的基本操作：设置机器人坐标系，关节坐标系或者笛卡尔坐标系， 然后用鼠标拖动各个关节进行运动或者修改末端位置进行控制机器人；

支持简单的 movel/movej/movec 等运动指令操作； 支持通过子函数编程的方式，实现正逆运动学算法，并得到验证； 支持工件坐标系和工具坐标系的转换；（需要配置工件和工件的三维图 形）；

支持碰撞检测；

支持轨迹追踪训练；

支持机器人安全空间查看的功能； 其他机器人实验内容：

坐标变换：刚体空间坐标表示、坐标平移、翻转等。 DH 参数：DH 参数的获取方法、DH 参数的表示、工业机器人的 DH 参数表示；

轨迹规划：直线规划、圆弧规划等； 速度规划:T 型&S 型速度规划。

（三）协作机器人应用：

面向具体任务的多机器人协作：流水线搬运&码垛，至少 2 个机器人。人机协作综合虚拟仿真：支持鼠标拖动末端，实训编程等； 可对不同机器人机械、控制参数进行仿真分析和调节：支持多种机器人； 机器人协作装配、人机协同：支持 2~3 种机器人工作场景。 5 2 3 2

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学生管理：学生登录、学习记录、考核、实验报告、考核、平时成绩等。实验管理：班级管理、实验数据管理、成绩管理、实验问题讨论等； 软件管理：实验内容修改与升级、软件升级、问题反馈网络部署； 其他：同时支持 300 人在线学习。

2 系统总体设计

系统总体设计如下图所示。整个系统分为 3 个部分。网络服务器+本地客户端+实物机器人系统。

● 网络服务器：网络服务器主要是进行客户信息管理、实验管理、权限管

理、客户端管理及登记等。

● 本地客户端：主要是功能性实现，比如机器人认识、机器人控制与仿真、协

作机器人的应用等，将这些资源全部打包在客户端，这样，客户在进行操作的时候。客户端的操作日志，返给服务器。同时，在本地客户端， 可以通过另外安装的组件，连接实物机器人系统。

● 实物机器人系统：只能通过本地客户端和实物机器人系统连接，不支持

远程控制机器人。

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2.1系统结构

2.2系统部署

网络服务器，考虑到成本和高校的特殊需求，将服务器部署在学校实验室内，如果有机器人实验室，可以部署在一起。需要将服务器和校园网进行互联。

客户端，需要从服务器下载到本地运行；

2.3系统使用流程

2.4界面设计

2.5技术要求

客户端：qt

服务器端：LAMP（CentOS + Apache + MySQL）。3系统功能实现

3.1功能1 机器人系统认知：