CN108508762A - 一种模拟实验构建方法及装置 - Google Patents

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王松
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Abstract

本发明实施例提供了一种模拟实验构建方法，应用于模拟教学系统的教学终端，所述模拟教学系统还包括实物机器人，所述方法包括：根据需要控制实物机器人的一模拟控制指令模拟出实物机器人的模拟运动轨迹；所述模拟控制指令用于模拟出实物机器人的至少一个关节处一一对应产生至少一个力矩；向实物机器人发送与对应的实际控制指令；获得实物机器人对应产生的实际运动轨迹；根据所述实际运动轨迹对应修正所模拟运动轨迹，获得与所述实际运动轨迹匹配的修正后的模拟运动轨迹。通过对实物机器人的运动轨迹的采集，并根据实物机器人的实际运动轨迹进行分析，修正对应的虚拟运动轨迹，大大的提升了，模拟运动轨迹与实际应用时的精确匹配度。

Description

一种模拟实验构建方法及装置
技术领域
本发明涉及动力学计算领域，具体而言，涉及一种模拟实验构建方法及装置。
背景技术
在日常的动力学等物理教学课程中，时常会应用到各种各样的器材来演示物理运动的规律。当需要一些复杂的例如机器人等器材时，时常会因为器材价格的高昂而导致器材的短缺，以至于无法让每个学生重复的通过这样的器材来实现教学的目的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模拟实验构建方法及装置，以有效改善上述缺陷。
本发明的实施例通过如下方式实现：
第一方面，本发明实施例提供了一种模拟实验构建方法，应用于模拟教学系统的教学终端，所述模拟教学系统还包括：与所述教学终端通信的实物机器人，所述方法包括：根据需要控制所述实物机器人的一模拟控制指令模拟出所述实物机器人的模拟运动轨迹；所述模拟控制指令用于模拟出所述实物机器人的至少一个关节处一一对应产生至少一个力矩；向所述实物机器人发送与所述模拟控制指令对应的实际控制指令；获得所述实物机器人根据所述实际控制指令对应产生的实际运动轨迹；根据所述实际运动轨迹对应修正所述模拟运动轨迹，获得与所述实际运动轨迹匹配的修正后的模拟运动轨迹。
进一步的，所述获得所述机器人根据所述实际控制指令对应产生的实际运动轨迹，包括：获得与在所述实际运动轨迹上多个位置一一对应的多个位置时刻信息，所述多个位置时刻信息中的一位置时刻信息用于表示所述实物机器人在所述一位置时刻信息所包括的一对应位置与一对应时刻。
进一步的，所述根据需要控制所述实物机器人的一模拟控制指令模拟出所述实物机器人的模拟运动轨迹，包括：将所述模拟控制指令输入预设的动力学解算模型，以获得所述模拟运动轨迹。
进一步的，所述根据所述实际运动轨迹对应修正所述模拟运动轨迹，获得与所述实际运动轨迹匹配的修正后的模拟运动轨迹，包括：根据所述实际运动轨迹修正所述动力学解算模型，所述模拟控制指令输入修正后的动力学解算模型，以获得与所述实际运动轨迹匹配的所述修正后的模拟运动轨迹。
进一步的，所述根据所述实际运动轨迹对应修正所述模拟运动轨迹，获得与所述实际运动轨迹匹配的修正后的模拟运动轨迹之后，包括：根据所述修正后的模拟运动轨迹，获得一虚拟机器人，所述虚拟机器人运行在教学终端，根据一新的模拟控制指令，对应生成一新的模拟运动轨迹；所述新的模拟运动轨迹与和所述新的模拟控制指令对应的实际运动轨迹相匹配。
第二方面，本发明实施例提供了一种模拟实验构建装置，应用于模拟教学系统的教学终端，所述模拟教学系统还包括：与所述教学终端通信的实物机器人，所述装置包括：模拟单元、发送单元、采集单元和修正单元；所述模拟单元，用于根据需要控制所述实物机器人的一模拟控制指令模拟出所述实物机器人的模拟运动轨迹；所述模拟控制指令用于模拟出所述实物机器人的至少一个关节处一一对应产生至少一个力矩；所述发送单元，用于向所述实物机器人发送与所述模拟控制指令对应的实际控制指令；所述采集单元，用于获得所述实物机器人根据所述实际控制指令对应产生的实际运动轨迹；所述修正单元，用于根据所述实际运动轨迹对应修正所述模拟运动轨迹，获得与所述实际运动轨迹匹配的修正后的模拟运动轨迹。
进一步的，所述采集单元，还用于获得与在所述实际运动轨迹上多个位置一一对应的多个位置时刻信息，所述多个位置时刻信息中的一位置时刻信息用于表示所述实物机器人在所述一位置时刻信息所包括的一对应位置与一对应时刻。
进一步的，所述模拟单元，还用于将所述模拟控制指令输入预设的动力学解算模型，以获得所述模拟运动轨迹。
进一步的，所述修正单元还用于根据所述实际运动轨迹修正所述动力学解算模型；所述模拟控制指令输入修正后的动力学解算模型，以获得与所述实际运动轨迹匹配的所述修正后的模拟运动轨迹。
进一步的，所述装置还包括：构建单元；所述构建单元，用于根据所述修正后的模拟运动轨迹，获得一虚拟机器人，所述虚拟机器人运行在教学终端，根据一新的模拟控制指令，对应生成一新的模拟运动轨迹；所述新的模拟运动轨迹与和所述新的模拟控制指令对应的实际运动轨迹相匹配。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供了一种模拟实验构建方法，应用于模拟教学系统的教学终端，所述模拟教学系统还包括：与所述教学终端通信的实物机器人，所述方法包括：根据需要控制所述实物机器人的一模拟控制指令模拟出所述实物机器人的模拟运动轨迹；所述模拟控制指令用于模拟出所述实物机器人的至少一个关节处一一对应产生至少一个力矩；向所述实物机器人发送与所述模拟控制指令对应的实际控制指令；获得所述实物机器人根据所述实际控制指令对应产生的实际运动轨迹；根据所述实际运动轨迹对应修正所述模拟运动轨迹，获得与所述实际运动轨迹匹配的修正后的模拟运动轨迹。通过对实物机器人的运动轨迹的采集，并根据实物机器人的实际运动轨迹进行分析，修正对应的虚拟运动轨迹，大大的提升了，模拟运动轨迹与实际应用时的精确匹配度。
此外，通过与虚拟运动轨迹相对应的一实际运动轨迹的对比，不断的修正模拟虚拟运动轨迹的精确度，即不断优化动力学解算模型，最终构造出一个虚拟机器人，以替代实物机器人在教学中的使用，大大的降低了器材成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明第一实施例提供的一种模拟教学系统的结构框图；
图2示出了本发明第二实施例提供的一种模拟实验构建方法的流程图；
图3示出了本发明第三实施例提供的一种模拟实验构建装置的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
第一实施例
请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种模拟教学系统10，所述模拟教学系统10包括：教学终端11和实物机器人12，所述教学终端11和实物机器人12通信连接。
所述教学终端11为通用类型的计算机，通常为高性能的PC、工作站或小型机，并采用大型数据库系统，如ORACLE、SYBASE、InfORMix、SQL Server或其它类型的数据库。
所述实物机器人12，为市场上应用现有技术生产的具有拟人化的肢体关节的机械电子设备，实物机器人的肢体关节处安装有能够以特定的力矩对关节进行驱动的电机。
所述教学终端11通过通信控制所述实物机器人12对应运动，并实时采集所述实物机器人的运动情况。
第二实施例
请参阅图2，本发明实施例提供了一种模拟实验构建方法，应用于模拟教学系统的教学终端，所述模拟教学系统还包括：与所述教学终端通信的实物机器人，所述方法包括：步骤S100，步骤S200，步骤S300和步骤S400。
步骤S100：根据需要控制所述实物机器人的一模拟控制指令模拟出所述实物机器人的模拟运动轨迹；所述模拟控制指令用于模拟出所述实物机器人的至少一个关节处一一对应产生至少一个力矩。
所述力矩由所述关节处的电机来产生，控制指令传到实物机器人时，实物机器人的控制器根据所述控制指令，对应的驱动各个关节处的电机、马达或者其他动力装置，以使所述实物机器人运动。
在模拟出所述实物机器人的模拟运动轨迹的过程中，包括：将所述模拟控制指令输入预设的动力学解算模型，以获得所述模拟运动轨迹。所述动力学解算模型包含了现有的多种运动学公式以及运算思想，通过输入对应的控制指令中的多个力矩的具体参数到动力学解算模型中，通过常规的物理计算得出所述模拟运动轨迹。对于动力学解算模型如何构造，本发明实施例对模拟实验构建的方法思想进行详细的描述，对于对于动力学解算模型如何构造这样的现有技术，本发明实施例不做具体限定。
步骤S200：向所述实物机器人发送与所述模拟控制指令对应的实际控制指令。
所述实际控制指令所包含的多个力矩与所述模拟控制指令完全一致。
步骤S300：获得所述实物机器人根据所述实际控制指令对应产生的实际运动轨迹。
获得与在所述实际运动轨迹上多个位置一一对应的多个位置时刻信息，所述多个位置时刻信息中的一位置时刻信息用于表示所述实物机器人在所述一位置时刻信息所包括的一对应位置与一对应时刻。例如0时刻对应A位置、1s时刻对应B位置等等。
步骤S400：根据所述实际运动轨迹对应修正所述模拟运动轨迹，获得与所述实际运动轨迹匹配的修正后的模拟运动轨迹。
根据所述实际运动轨迹修正所述动力学解算模型，所述模拟控制指令输入修正后的动力学解算模型，以获得与所述实际运动轨迹匹配的所述修正后的模拟运动轨迹。
S500：根据所述修正后的模拟运动轨迹，获得一虚拟机器人，所述虚拟机器人运行在教学终端，根据一新的模拟控制指令，对应生成一新的模拟运动轨迹；所述新的模拟运动轨迹与和所述新的模拟控制指令对应的实际运动轨迹相匹配。
该虚拟机器人在日常教学中可以有效的替代实物机器人，用于学生的物理实验，例如学生需要观察实物机器人某固定驱动的力矩进行运动时的效果，可以直接通过虚拟机器人来观察，大大降低了教学成本。
第三实施例
请参阅图3，本发明的第三实施例提供了一种模拟实验构建装置100，所述模拟教学系统还包括：与所述教学终端通信的实物机器人，所述模拟实验构建装置100包括：模拟单元110、发送单元120、采集单元130和修正单元140；
所述模拟单元110，用于根据需要控制所述实物机器人的一模拟控制指令模拟出所述实物机器人的模拟运动轨迹；所述模拟控制指令用于模拟出所述实物机器人的至少一个关节处一一对应产生至少一个力矩；所述模拟单元110，还用于将所述模拟控制指令输入预设的动力学解算模型，以获得所述模拟运动轨迹。
所述发送单元120，用于向所述实物机器人发送与所述模拟控制指令对应的实际控制指令；
所述采集单元130，用于获得所述实物机器人根据所述实际控制指令对应产生的实际运动轨迹；所述采集单元130，还用于获得与在所述实际运动轨迹上多个位置一一对应的多个位置时刻信息，所述多个位置时刻信息中的一位置时刻信息用于表示所述实物机器人在所述一位置时刻信息所包括的一对应位置与一对应时刻。
所述修正单元140，用于根据所述实际运动轨迹对应修正所述模拟运动轨迹，获得与所述实际运动轨迹匹配的修正后的模拟运动轨迹。所述修正单元140还用于根据所述实际运动轨迹修正所述动力学解算模型；所述模拟控制指令输入修正后的动力学解算模型，以获得与所述实际运动轨迹匹配的所述修正后的模拟运动轨迹。
此外，所述装置还包括：构建单元150；所述构建单元150，用于根据所述修正后的模拟运动轨迹，获得一虚拟机器人，所述虚拟机器人运行在教学终端，根据一新的模拟控制指令，对应生成一新的模拟运动轨迹；所述新的模拟运动轨迹与和所述新的模拟控制指令对应的实际运动轨迹相匹配。
本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例该方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
综上所述，本发明实施例提供了一种模拟实验构建方法，应用于模拟教学系统的教学终端，所述模拟教学系统还包括：与所述教学终端通信的实物机器人，所述方法包括：根据需要控制所述实物机器人的一模拟控制指令模拟出所述实物机器人的模拟运动轨迹；所述模拟控制指令用于模拟出所述实物机器人的至少一个关节处一一对应产生至少一个力矩；向所述实物机器人发送与所述模拟控制指令对应的实际控制指令；获得所述实物机器人根据所述实际控制指令对应产生的实际运动轨迹；根据所述实际运动轨迹对应修正所述模拟运动轨迹，获得与所述实际运动轨迹匹配的修正后的模拟运动轨迹。通过对实物机器人的运动轨迹的采集，并根据实物机器人的实际运动轨迹进行分析，修正对应的虚拟运动轨迹，大大的提升了，模拟运动轨迹与实际应用时的精确匹配度。
此外，通过与虚拟运动轨迹相对应的一实际运动轨迹的对比，不断的修正模拟虚拟运动轨迹的精确度，即不断优化动力学解算模型，最终构造出一个虚拟机器人，以替代实物机器人在教学中的使用，大大的降低了器材成本。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种模拟实验构建方法，其特征在于，应用于模拟教学系统的教学终端，所述模拟教学系统还包括：与所述教学终端通信的实物机器人，所述方法包括：
根据需要控制所述实物机器人的一模拟控制指令模拟出所述实物机器人的模拟运动轨迹；所述模拟控制指令用于模拟出所述实物机器人的至少一个关节处一一对应产生至少一个力矩；
向所述实物机器人发送与所述模拟控制指令对应的实际控制指令；
获得所述实物机器人根据所述实际控制指令对应产生的实际运动轨迹；
根据所述实际运动轨迹对应修正所述模拟运动轨迹，获得与所述实际运动轨迹匹配的修正后的模拟运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的模拟实验构建方法，其特征在于，所述获得所述机器人根据所述实际控制指令对应产生的实际运动轨迹，包括：
获得与在所述实际运动轨迹上多个位置一一对应的多个位置时刻信息，所述多个位置时刻信息中的一位置时刻信息用于表示所述实物机器人在所述一位置时刻信息所包括的一对应位置与一对应时刻。
3.根据权利要求2所述的模拟实验构建方法，其特征在于，所述根据需要控制所述实物机器人的一模拟控制指令模拟出所述实物机器人的模拟运动轨迹，包括：
将所述模拟控制指令输入预设的动力学解算模型，以获得所述模拟运动轨迹。
4.根据权利要求3所述的模拟实验构建方法，其特征在于，所述根据所述实际运动轨迹对应修正所述模拟运动轨迹，获得与所述实际运动轨迹匹配的修正后的模拟运动轨迹，包括：
根据所述实际运动轨迹修正所述动力学解算模型，所述模拟控制指令输入修正后的动力学解算模型，以获得与所述实际运动轨迹匹配的所述修正后的模拟运动轨迹。
5.根据权利要求4所述的模拟实验构建方法，其特征在于，所述根据所述实际运动轨迹对应修正所述模拟运动轨迹，获得与所述实际运动轨迹匹配的修正后的模拟运动轨迹之后，包括：
根据所述修正后的模拟运动轨迹，获得一虚拟机器人，所述虚拟机器人运行在教学终端，根据一新的模拟控制指令，对应生成一新的模拟运动轨迹；所述新的模拟运动轨迹与和所述新的模拟控制指令对应的实际运动轨迹相匹配。
6.一种模拟实验构建装置，应用于模拟教学系统的教学终端，所述模拟教学系统还包括：与所述教学终端通信的实物机器人，其特征在于，所述装置包括：模拟单元、发送单元、采集单元和修正单元；
所述模拟单元，用于根据需要控制所述实物机器人的一模拟控制指令模拟出所述实物机器人的模拟运动轨迹；所述模拟控制指令用于模拟出所述实物机器人的至少一个关节处一一对应产生至少一个力矩；
所述发送单元，用于向所述实物机器人发送与所述模拟控制指令对应的实际控制指令；
所述采集单元，用于获得所述实物机器人根据所述实际控制指令对应产生的实际运动轨迹；
所述修正单元，用于根据所述实际运动轨迹对应修正所述模拟运动轨迹，获得与所述实际运动轨迹匹配的修正后的模拟运动轨迹。
7.根据权利要求6所述的一种模拟实验构建装置，其特征在于，所述采集单元，还用于获得与在所述实际运动轨迹上多个位置一一对应的多个位置时刻信息，所述多个位置时刻信息中的一位置时刻信息用于表示所述实物机器人在所述一位置时刻信息所包括的一对应位置与一对应时刻。
8.根据权利要求7所述的一种模拟实验构建装置，其特征在于，所述模拟单元，还用于将所述模拟控制指令输入预设的动力学解算模型，以获得所述模拟运动轨迹。
9.根据权利要求8所述的一种模拟实验构建装置，其特征在于，所述修正单元还用于根据所述实际运动轨迹修正所述动力学解算模型；
所述模拟控制指令输入修正后的动力学解算模型，以获得与所述实际运动轨迹匹配的所述修正后的模拟运动轨迹。
10.根据权利要求9所述的一种模拟实验构建装置，其特征在于，所述装置还包括：构建单元；
所述构建单元，用于根据所述修正后的模拟运动轨迹，获得一虚拟机器人，所述虚拟机器人运行在教学终端，根据一新的模拟控制指令，对应生成一新的模拟运动轨迹；所述新的模拟运动轨迹与和所述新的模拟控制指令对应的实际运动轨迹相匹配。
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