数字孪生虚拟仿真平台在开放教育远程实训教学中的运用研究——以Smart智能机械臂为例

张 俞 夏宝平

(贵州开放大学 贵阳 550004)

2020年9月,教育部印发的《国家开放大学综合改革方案》提出,“使国家开放大学成为我国终身教育的主要平台、在线教育的主要平台和灵活教育的平台、对外合作的平台,成为服务全民终身学习的重要力量和技能社会的有力支撑”[1],这标志着国家开放大学进入改革发展的新阶段。现阶段,培养具备工程实践能力、创新能力以及国际竞争力的人才是对当前高等工程教育改革提出的迫切要求。在“互联网+”教育背景下,将数字孪生技术与课程教学深度融合,加大虚拟仿真实训平台建设,能有效将课程讲授与智能制造实操相结合,既能满足国内当下对智能制造技术人才的培养需求,切实推动传统教学育人方式变革,又能契合开放教育的教学需求,同时为本科教育、高职教育的相关专业学生提供优质的线上和线下教学服务。

在教学方面,基于Smart智能机械臂的数字孪生虚拟仿真实训平台,搭建起虚拟仿真与实物实验的桥梁,突破了时间、地域的限制,可以在最大程度上克服开放教育的学生无法到实验室完成传统实验的各种限制,极大地提高了学生参与实训的积极性。学生只需要登录账号进入Smart数字孪生虚拟仿真平台,便能通过电脑观察演示实验,不仅可以远程操作机械臂做实物实验,还可以操作Smart数字孪生体做虚实结合的实验,同时在数字孪生环境中进行训练可以避免因操作不熟练给学生带来的伤害和对设备产生的损坏,能够增加学生参与工程综合和创新项目的机会,全面提高学生的工程综合与创新能力[2]。

为有效解决开放教育远程实训的困境,进一步促进实验教学的信息化、网络化和智能化,笔者以所在学院人工智能专业的工业机器人Smart智能机械臂为物理模型,构建数字孪生仿真实训平台模型,创设真实的工业机器人工作场景,并基于数字孪生体的工业仿真技术,融合大数据技术、人工智能技术、物联网技术和5G通信技术,通过虚拟仿真平台,采用虚实结合的手段实现对机械臂的控制。这样,学生不仅能做纯虚拟仿真实验,也能做纯实物实验,还能做虚实结合的实验,他们可以通过在线学习的方式理解并掌握机械臂从三维建模、测试优化到数据采集、故障检测的全过程。

一、开放教育实训教学现状

开放教育是一种基于灵活性、开放性、交互性的教育模式,已成为我国实现高等教育大众化、构建终身教育体系和学习型社会的重要途径之一[3]。实训教学作为开放教育中重要的教育教学环节,是实现现代开放教育人才培养目标的重要手段,其目的是通过培养学生动手实操能力增强他们解决实际问题的能力,进而提高开放教育教学质量。

由于受时间、地域的限制,以理论讲授为主的传统实训模式构成了当前开放教育实训环节的主要形式。教师通过虚拟仿真技术创建逼真的实训模拟场景,向学生发放实训任务,要求学生尽可能在模拟的实训场景中完成实训任务,虽然这种实训方式在一定程度上也能促使学生完成任务训练,但是受实体设备不足、教学评价不完善、监控力度不够、信息化应用技能欠缺等综合因素影响,很难评价学生是否能按照教学目标完成实训任务,不仅影响了学生的在线学习体验,也难以有效提升学生工程实践能力和创新能力[4]。

目前,高校实验室作为培养学生工程实践能力和创新能力的重要场所,在远程教育教学实践过程中并没有发挥出应有的作用,并且还存在一些问题。例如,部分仪器占地面积大且危险性高,不允许缺乏实际经验的学生进行建设、安装、调试和测试等操作;有的实验室只有虚拟仿真实验平台,无真实的设备与之对照,学生不能体验真实的交互过程;部分学校实验场地资源紧缺,无法满足多名学生同时进行实验的要求。在这样的背景条件下,学生的实操能力无法得到充分的锻炼,理论学习与实际操作严重脱节[5]。

二、数字孪生平台模型构建

(一)基本概念

1.数字孪生

数字孪生(Digital Twin)最初由美国密歇根大学Michael Grieves教授提出,是指以数字化方式创建物理实体虚拟模型,通过空间变换映射、虚实反馈交互、数据融合分析、检测判断评价、决策迭代优化等手段,全面、精准、高效、智能地展示物理实体在现实环境、全生命周期的过程行为。作为具有巨大颠覆性和快速突破性的技术,数字孪生已从新兴状态逐渐向更有广度、更有深度的方向发展,被Gartner公司列为战略性技术[4]27。

数字孪生技术在教学过程中多种场景的应用和数据闭环的整合,破解了虚拟空间的大数据障碍;多场域的知识空间复现,有效解决了现实环境的物联网困境;多维可视、亲和力强的具象节点特征,顺应了人工智能的新时代挑战[4]28。

2.数字孪生体

2009年,美国国防部的高级研究计划局(DARPA)正式提出数字孪生体这个概念,他们认为,这是一套能够实现物理世界和数字空间交互的新技术范式。2012年,美国国家航空航天局与美国空军联合发表了关于数字孪生体的论文,把它列为驱动未来发展的关键技术之一。最早的时候,数字孪生体主要应用于航空航天领域,后来拓展到了工业、医疗、城市管理等多个领域。

数字孪生是指充分运用物理模型、传感器、运作历史等数据,集成多学科、多尺度、多物理量、多概率的模拟仿真全过程,在虚拟空间中完成映射,进而反映相对应实体设备生命周期全过程,可以有效解决传统实验分析下成本较高、流程复杂、耗时较长等方面的问题。简而言之,可将数字孪生体看作关联密切、互相依赖的装备的数字化映射系统。相较于以往的可视化等系统,数字孪生体并不是单纯的数字化展示,而是将数字虚体与物理实体进行有机结合,通过数据信息,模拟实体在现实环境中的实际情况,实现虚拟现实交互,而且还能够进一步展开数据融合分析,实现相应设计、生产流程以及产品的优化管理,在保障管理效率、质量的同时,也能够减少资源成本消耗[6]。

3.虚拟仿真

虚拟仿真又称虚拟现实技术或模拟技术,是用一个虚拟系统模仿另一个真实系统的技术,从狭义上讲,虚拟仿真是指20世纪40年代伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一类试验研究的新技术。由于计算机技术的发展,仿真技术逐步自成体系,成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法,而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术[7]。

4.Smart智能机械臂

如图1所示,Smart智能机械臂是一款串联型、多关节、桌面级机械臂,全金属结构件配合良好的工业设计造型,具备3个以上自由度,主体结构由旋转底座、大臂、小臂、末端夹具和独立的控制器组成。Smart机械臂结合BrobotStudio软件使用,可以实现写字画画、激光雕刻、示教再现、视觉分拣等功能;所提供的多种控制机械臂的运动形式,便于学生快速实现各种演示功能。与Smart机械臂配套的二次开发工具包支持C/C++、Java、Python等多种主流编程语言。作为机器人领域中的一个重要分支,与机械臂相关的结构、运动、控制等知识均可以利用多关节机械臂作为教学载体来讲授。

图1 Smart智能机械臂

(二)基于Smart智能机械臂实训仿真平台模型的构建流程

以工业机器人Smart智能机械臂为物理模型的数字孪生虚拟仿真实训平台,采用3DMAX+BIMface对现有的Smart智能机械臂进行1:1建模,主要由物理实体、数据建模、数字孪生体模型三部分构成,如图2所示。平台模型构建主要包括物理实体的配置与连接,机器人状态的实时数据采集与数据传输,数据模型的建立与迭代更新以及基于数字孪生体的工业仿真与数据分析管理[8],其中,基于数字孪生体的工业仿真与数据分析管理是模型构建的核心内容。

图2 数字孪生体设计流程图

基于Smart智能机械臂实训仿真平台利用机理建模方法建立初步模型,然后通过机器人现场反馈的实时数据对该模型进行修正和迭代,进而建立完备的数字孪生体[8]2。在数字孪生体的基础上,采用现有的物联网传感技术,结合实时测量数据和伺服控制技术实现系统全面态势感知,基于BP神经网络算法进行数据分析,对智能机器人进行多维度、全方位的工业仿真。同时,基于数字孪生体模型制定并预演各项控制策略,以获得最优控制策略,提升智能机器人系统的智能化运行水平[8]2。基于Smart智能机械臂实训仿真平台的架构图如图3所示。

图3 基于Smart智能机械臂实训仿真平台的架构图

(三)数字孪生虚拟仿真控制功能的实现

数字孪生实训平台采用BIMFACE三维引擎作为数字孪生体核心控制组件,通过后台代码的开发,能很好地实现对数字孪生体机械臂各运动关节的实时在线控制。其实现步骤如下:首先,需确定机械臂控制关节的运动基点坐标值,并将平台坐标值转换为世界坐标系的标准坐标值;然后,需依据机械臂的运动轨迹设定相应的运动相对坐标值;最终,通过实训平台相应的控制功能完成机械臂的实际运动控制功能,从而实现数字孪生虚拟仿真控制功能,以及代码基于C#和javascript语言编写。

三、基于Smart智能机械臂实训仿真平台的实训应用

(一)课程应用案例

运用数字孪生、虚拟仿真等相关技术,结合Smart智能机械臂物理实体设备,开发一套与Smart智能机械臂课程相关的教学方法,包括实现对通信串口的连接控制和机械臂在x、y、z三个维度的运行控制,调节机械臂的运行速度,以加深学生对工业机器人相关知识的了解。

Smart智能机械臂课程配有BrobotStudio实训软件,是以实现控制Smart机械臂抓取功能为主要目标的实训装置。该软件功能包括写字画画、激光雕刻、拾取分拣、手势控制、鼠标控制等。以小球拾取分拣实训为例(如图4所示),教师发布实训课程任务后,学生首先通过登录个人账号进入Smart机械臂数字孪生实训平台,然后在各自的电脑上完成Smart机械臂的校准,并设计对机械臂x、y、z三个维度的运行控制,最后在电脑上进行虚拟仿真验证。在仿真验证过程中,由于实训软件上包含各主要环节的考核点,因此,学生只有完成所有的考核,才能利用智能服务模块与Smart智能机械臂的实体设备进行连接,并通过在电脑端操作数字孪生模型来直接控制Smart智能机械臂物理实体设备,进而验证学习效果。同时,在机械臂周围安装萤石C6摄像头获取现场数据,可以实现学生不在教室,也能直观地观察机械臂的运行情况。此外,Smart智能机械臂实训仿真平台所包含的技能综合评价体系,还为教师了解学生对知识与技能的掌握程度提供了有效的数据支撑。

图4 Smart智能机械臂拾取分拣实训项目

(二)应用效果

学生通过控制数字孪生体来实现对实验室里实体Smart智能机械臂的远程控制,进而完成写字画画、激光雕刻、拾取分拣等远程实训项目。基于Smart智能机械臂实训仿真平台的有效应用,突破了传统实验实训教学中的各种限制,解决了实训物理设备不足和学生无法到实验室利用实体设备进行实验的问题,提升了学生的实际操作能力和独立思考能力。

Smart智能机械臂实训仿真平台不仅能使学生获得更加直观、真实的学习体验,还能帮助教师根据不同年级、不同学习能力的学生设计不同实训任务,实施个性化分类教学。例如,对于开放教育的低年级学生,可以让他们通过控制机械臂进行写字、画画、视觉分拣等实现简单的远程实训操作;对于高年级学生,可以让他们独立设计数字孪生实训模型;对于学习能力较强、具备独立创新精神的学生,可以让他们参与到模型优化、远程运维等实训流程中,如对因数据滞后导致物理模型与虚拟孪生体协调性不足的模型进行性能测试优化,并对设备进行调试和检修。

四、结语

综上所述,基于Smart智能机械臂数字孪生虚拟仿真实训平台在开放教育远程实训的应用研究,突破了传统实验实训教学中的各种限制,可以在最大程度上解决开放教育的学生无法到教室上课的问题,能够有效提升学生的实际操作能力和独立思考能力。通过研究数字孪生虚拟仿真实训平台建设,将课程讲授与智能制造实操相结合,既能满足国内当下对智能制造技术人才的培养需求,又能契合开放教育对该类课程的实训教学需求,同时还能为本科教育、高职教育的相关专业学生提供优质的线上和线下教学服务,优化在线学习体验,为开展立体式、多元化职业技能教育培训,创新开放教育远程实训教学提供新的思路。