教学机器人软件系统的设计与实现_唐月

教学机器人软件系统的设计与实现

唐月*TANG Yue

摘要教学机器人的应用是一项智能化的教育平台，

这种系统的设计不仅包括各个领域在技术上的应用和开发，所体现的功能也发挥了更大的先进性和丰富性。这种系统的开发和应用在设计方式中成为我国发展科技创新的主要关键，所以在本文中对教学机器人软件系统在设计以及实现方式上进行深度的研究和探讨。

关键词教学机器人；软件系统；设计；实现

doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2015.12.005

* 渤海大学信息科学与技术学院计算机科学与技术（师范）辽宁省锦州市 121000

引言

随着机械一体化设备的实现，信息技术在发展中不仅应用在相关的制造业设备中，在教学活动中也成为主要的技术应用。这项教学技术不仅成为自动化教学的主要方式，也成为教育事业发展技术革新和扩展技术的应用领域。在这项技术开发上，不仅实现的功能比较单一，开放性和扩充性也比较差，所以为了减少开发成本，就要在教育领域实现新的创造和发展。

1 教学机器人软件系统相关概念1.1 机器人教学意义

教学机器人的研发和应用，不仅集合了数理化等学科知识，还集合了计算机各类软件、通讯等技术的研究和发展，是一项综合性的智能化机械设备。教学机器人的实际应用为学生的学习提供了较大的方便，为实际的教学内容也保证了实际的教学来源。在信息传输领域发展下，对教学内容的发展和创新实现积极的教学意义。机器人教学在设计方式上实现了智能化的应用模式，在早期的发展设计中，机器人教学的主要含义是教育学与机器人的相关原理结合发展的，在教学中以实际的教学方式为目的，从而形成简单的工作原理。随着经济技术的不断发展和创新，机器人教学的领域发展和功能建设在内容上更加丰富，它与工业化的机械制造方式还有些不同，不仅作为教学中主要的工具平台，还能将教育中包含的知识进行传输和引导，从而实现具有现代化建设和专业特色的教学模式。教学机器人的发展是一个全新的科学领域和创新模式，它不仅能在教学理论模式下进行引导，还能将机器人作为主要的教学平台，从而根据更具体的操作方式

实现更好的教学目的。教育机器人的设计和应用主要就是以教育作为主要目的，它的设计价值与工业生产的机器人有很多的不同，不仅实现的成本比较高，需要的技术价值也更先进。所以在高科技不断发展的现代社会，为了培养学生的动手能力和想象能力，就要在学生学习的相关产业和服务建设上进行创新性的发展和建设。1.2 研制机器人软件的技术要求

教学机器人在设计开发过程中，是根据教学实验来实现的，它不仅结合了工业机器人的全部特点，在系统研究方式上也实现了更大的创新。为了实现机器人教学具有的丰富功能，满足教学实践的基本要求，要研究教学机器人的系统方式在技术实施上具有多种要求。要实现人机界面的相互统一，使机器人在操作方式上能更加方便。对教学机器人中的学习系统和操作系统是主要的研究软件，所以将这两项进行测量和研发，保障系统在性能运行的标准性。要保障良好的扩展思维建设，根据实际的教学经验中不同的相关要求，在软件与硬件基础上实现多种功能的应用和创新。教学机器人在软件开发中还要实现科学性和技术性特征，对于系统的控制软件来说，它主要是控制功能的建设，所以不仅要在控制功能上进行良好的掌握和控制，还要建立主要的开发平台，要降低这些技术在开发形式上的难度和技术性，就要利用科学、合理的先进技术进行创新发展。实现示教方式的多样化建设，工业机器人实现的典型方式就会示教再现，为了在这种方式建设中实现更好的使用和理解，就要进行多种示教再现方法。制定的机器人开发任务也要实现更方便的技术手段，不仅要在任务规划方式上实现简单性，在编制信息方向上也要方便使用者的发展和任务的实施。实现机器人更好的时效性，由于机器人的控制系统是一个多功能的任务系统，所以在各个

基本事件上都要进行检查和更新，从而形成适合的重要标准

[1]

。对于监控功能也要实现更好的完善作用，对机器人实际

的运行模式和位姿信息进行实时监督，从而控制整个系统的运行方式。最后，更要保障机器人系统的可靠性，如果机器人出现一些不必要的危害，不仅会影响机械设备的正常运行，也会影响人们的生命安全，所以在模拟环境中就要对操作行为和系统应用实现安全、可靠的措施进行预防。2 辅助教学功能设计

教学机器人在辅助教学中形成的方式主要对位置进行控制、对速度进行控制以及实现力控制。对于位置控制来说，主要在位置和路径上实现控制。教学机器人系统在辅助方式上主要是利用路径控制来实现的，不仅要实现点到点之间的控制，还能够实现路径之间的控制变化。对于点到点控制来说，主要是根据机器人在起始点以及末点实现的位姿变化，特殊的也会在中间实现点的位姿变化。但这种点到点的辅助方式只保存了各个点的位姿精度，对一些轨迹的变化不能进行辅助，不仅实现的控制方式比较简单，运行的速度也比较快。对于连续性的轨迹控制来说，它能够保证机器人在轨道运行上以及速度运行上实现的轨迹运动，不仅能够保证每个路径中的运动位置，各个姿态形成的精度也能更好的达到标准，但这种控制方式使机器人在轨迹运行上还比较复杂。根据教学机器人在运动学中的分析和处理，它具有正运动学问题，根据各个杆之间已经形成的参数，计算出机械执行器末端中坐标系的位姿。利用法兰盘将各个杆中的参数设立出来，从而得到各个连杆之间的变换矩阵。对于机器人的逆运动问题，要根据末端实现的姿态计算出机器人在关节上的变量角。根据末端执行器在空间直角坐标中出现的位姿进行计算，按照分解运动法进行求解，从而实现机器人教学的运动分析过程。2.1 教学机器人轨迹规划及生成

机器人规划主要是机器人根据自身实现的基本任务，实现完成任务的具体过程。机器人在规划期间，根据已经接受的指令进行任务的分解，然后利用动作规划对每个任务实现分解、设计，最后对各个关节进行控制[2]。教学机器人在规划方式上与大部分的工业机器人都比较相同，无论在任务实施上，还是动作实施上都是经过操作者来完成的。对于机器人中的轨迹规划生产过程来说，在实际应用中，由于在末端运行中实现的机械手运行不是平滑的，所以各个机构就容易导致较大的破坏和损坏，严重期间也有可能导致一些震动。所以在实施轨迹规划期间，就要对一些路径点和动作要求进行分析，从而实现光滑的运动轨迹。对于位置控制和路径控制来说，它们在轨迹规划上是利用直角坐标空间和关节空间来实现的。对于直角坐标来说，它在轨迹规划中一种是直线的轨迹方式，一种是圆弧的轨迹方式。而关节空间来说，它在空间运动中是按照机器人实际的运动轨迹核定计算中各个

关节的位置实现各个模块的控制，特别是直角坐标在计算轨迹转换上都是在关节空间中实现的，所以在使用期间一般利用关节空间法。

3 教学机器人软件系统的实现3.1 选择操作系统

教学机器人在操作系统实现方式上主要是利用Windows 系统来实现的，Windows 系统作为最大的操作软件，不仅能够实现强大的功能，实现人机界面的友好、统一，在开发和设计上只是使用了普通的开发工具，所以在机器人开发平台中具有综合性的操作意义。在计算机界面上，能够在各个模块中实现学习管理模块，师生能根据相关的搜索查找有关的信息资料。可包括学习公告的查看，如果校园中出现相关的学术比赛等消息，学生在第一时间就能了解具体情况。还能在教师与学生之间形成文字或视频的在线交流，学生在发现问题期间，可以给出相关的问题进行解答，从而发挥机器人学习的相关功能。对于NT 技术在建构方式中的完成和使用，在操作方式中是不能实现用户直接操作硬件的程序建设，机器人系统在外围扩展中降低了很大的制约条件，所以为了实现更好的教学机器人系统，优化各个系统在实施中带来的意义和条件，就要利用Windows98作为平台系统中的综合性应用方式。机器人系统在开发过程中，Visual C++6.0 ID 是Windows 系统中功能比较完善、集成性高的开发环境，在这种软件开发中实现综合性的操作平台建设，利用微软基本类对开发的软件进行编程。微软基本类是Windows 系统中最基本的编程技术，它在开发过程中不仅容易实现结构比较复杂的、多样性的软件开发，还为代码的重复使用和软件扩展实现了创新性的使用意义[3]。3.2 操作程序

操作程序方式的实现是在操作窗口、指令示教以及鼠标示教模式中进行研究和发明的。对于操作主窗口程序来说，左部分的窗口主要是示教指令的方式，还能对机器人在运行上进行监控。在右窗口多个图表分布中，可以对关节直坐标、直角坐标等坐标系实现具体的位姿信息，从而对机械手的运行状态进行控制。示教程序能对系统进行检查处理，例如能够检测软件与通讯之间的连接情况，还能对下位机系统实现指令的检测方式，在获得相关机械手的位置期间，还要在右边的窗口进行更新，从而保证示教操作的准确性。对于指令示教模块来说，它是机器人运动实施的新方式，所以要根据具体步骤进行实施，为了改善指令示教模块中的缺点，利用鼠标示教模式成为基本的操作功能。它能够在多个按键操作中实现机器人的运动，不仅要设定机器人在运动中实现的坐

标系和速度，还要根据不同坐标下的不同含义发送相关的指令。对于学生来说，他们可以登录相关的学生平台，然后根据自己对学习的要求和实际的学习水平进行操作。对于教师来说，他具有自己的登录空间，为了引导学生，可以一些知识信息、授课进度、课时安排等信息进行发布，从而满足学生对知识的需要和查询。对于平台的管理人员来说，为了维护良好的学习环境，还要对用户模块、公告模块、课程模块以及资源模块进行定期的检查和更新，从而保证机器人教学系统的正常运行。3.3指令示教模块

指令示教模块是驱使机器人运动的一些新途径来提供的，使用的用户可以根据运动指令进行输入，从而保证机器人运动到确定的位置，不仅减少了对每个位姿进行分析，也降低了手动驱动的方式。在使用方式上适合用于目标位姿比较大的情况下，能够实现机器人对目标点的接近和输出。指令示

教窗口能够对教学机器人很多运动实现指令的输入方式。

图1 指令示教模块

如图1中所示：可以设定机器人运动的速度、可以针对关节运动进行设计、可以实现直线运动与圆弧运动的数值设计等。在窗口中能够对参数进行科学、合理的设计，然后通过相关的指令进行点击输入。运动指令输出后，首先，应调节各个轨迹中的规划模块，根据运动质量相关的含义和实现的轨迹，特别是角度和速度上的变化进行修改，从而保证指令满足相关的要求和选择，以实现指令更好的执行方式[4]。然后将该指令记录到合适的窗口中，并设置执行状态为正在发送的模式。还要实现调节指令模块的方式，使运动指令转换为内部格式，利用通信模式将指令发送到底层的控制器，从而实现执行命令。在这期间，还要将执行状态进行更新，改为正在发送中。但由于通讯指令出现错误现象，执行状态就会更新为发送失败，这期间在指令输入执行中就要停止该

行为的建设；如果通讯指令没有出现错误，执行状态就会更新为已经发送。指令发送成功后，还要检查底层控制器中的指令是否有回复的状态，但在这期间，决不能输入其他的运动命令，如果出现一些系统故障，为了保护系统运行，就要立刻按下应急按钮，从而保障运行停止状态。只有在底层控制器中接受到执行的命令，才可以进行新的指令输入方式。指令示教方式在操作中比较简单，能够将定位方式实现更好的位置运动，但在实际操作中还不够直观，所以还需要利用鼠标来实现示教操作。教学机器人在示教功能表现上主要在三方面，一种是直接示教功能，它能在收集信息方向上方便操作者在坐标系期间的准确表达；一种是离线示教功能，尽管与机器人保持离线状态，机器人也能实现间接示教；另一方面是虚拟示教，在一定的的教学环境中，利用计算机图形以及可视化变成语言提高使用者的要求，从而在现实发展中利用相关操作实现应用程序的示教功能。结论

相比较于发达国家，我国在机器人开发上还处与落后的发展阶段，所以为了提高我国在科技领域的创新和更高的技术领域，我国在机器人发展建设中就要加快研究和脚步，特别是教学机器人的应用和发展进行创新和研发，不仅要将它看成一项技术的研究，还要当成一门学科知识，只有掌握先进的理论和技巧，才能实现更好的科技创新，才能实现教学方式的新领域。

参考文献：

[1]肖海荣,周风余,宋洪军. 一种教学机器人控制系统的设计与实现[J]. 机电一体化,2014,05:40-43.

[2]甘禹. 机器人智能控制系统实验平台软件的设计与实现

[D].天津理工大学,2014.

[3]宋洪军,马昕,李贻斌. 基于OpenGL 的教育机器人软件系统设计与实现[J]. 计算机应用研究,2013,02:616-618+640.

[4]赵玉良. 开放式系列化教学机器人平台的研究及设计[D].山东大学,2014.

（收稿日期：2015-12-08）