虛擬仿真在高職工業機器人教學中的應用研究

◆仇高賀

虛擬仿真在高職工業機器人教學中的應用研究

◆仇高賀

機器人技術是工業4.0中關鍵技術之一，如何培養高職學生快速掌握工業機器人技術成為高職機電專業的首要任務。本文闡述虛擬仿真教學的必要性，介紹虛擬仿真教學的主要內容，通過虛擬仿真技術建立機器人工作虛擬場景，實現機器人工作路徑規劃等工作，通過虛實結合的演練，讓學生掌握工業機器人技術，取得了很好教學效果。

工業機器人；高職教育

自2013年起，中國市場工業機器人銷量超過日本，成為全球第一大工業機器人市場。但在機器人使用密度上，中國仍然遠低于全球平均水平。中國努力實現從制造大國向制造業強國轉變，2015年國務院制定頒布了 《中國制造發展綱要》，明確提出將機器人作為優先發展目標，如何培養符合工業4.0要求的技術性人才成為高職培養工業機器人專業的首要任務，而目前高職工業機器人教學中普遍存在資源不足的情況，如何在這種情況下培養工業機器人應用型人才，筆者認為虛擬仿真技術是一項可行性方案。

一、虛擬仿真教學的必要性

1.建立資源節約型社會的需求

工業機器人應用范圍很廣泛，如焊接、碼垛、搬運、油漆等工作， 再加上工業機器人種類眾多，包括世界四大工業機器人KUKA、ABB、FANUC、YASNAC的操作與使用上往往也存在許多差異。由于工業機器人系統造價昂貴，將所有種類機器人和應用環境都配齊顯然是不現實的事情，也與國家建設節約型社會本意背道而馳。

2.人才培養的需求

由于真實的實訓場地和設備數量的制約，實驗和實訓只能分批次進行，限制了學生實際動手操作的機會，造成學生課程結束后普遍感覺還沒有掌握相關知識，加上部分高職學生學習能力較差，知識遷移能力弱，如果沒有對不同類型機器人和工作場景的實操，他們畢業后遇到與學校不同的機器人和工作場景就會不知所措。因此工業機器人的培訓必須跟上就業市場的變化，否則畢業生恐難找到合適工作，難以適應自動化和智能化的工作，而虛擬仿真教學是工業機器人培養方案實現和驗證的最佳途徑，能夠減少項目培訓時間，降低項目培訓成本，可以反復模擬，及時糾正學生錯誤，以及控制技術風險等諸多優勢。

3.參加技能大賽的需求

工業機器人是典型的機電一體化設備，目前全國高職系統機電相關的職業技能大賽中越來越多地加入了工業機器人應用的部分，而每個舉辦學校的機器人種類和應用環境有所區別，虛擬仿真技術除了可以滿足實驗實訓教學需求外，還可針對各類技能大賽不同應用的要求，自行建模，無須購買實際設備，提高了學生學習工業機器人技術和參加技能大賽的興趣。

4.保護學生安全的需要

機器人教學實訓內容需要配備相對應的實驗實訓對象，如氣動裝置、傳送帶、焊機等，在實驗實訓過程中不但有設備的損耗，工業機器人在運行過程中的一些誤操作易造成學生人身傷害，為保護學生人身安全，通過虛擬仿真教學既可以解決安全問題，又可以增加學生練習的機會。

正因如此，目前世界主要的工業機器人生產商都會提供離線編程與仿真工具，以幫助用戶在個人電腦上進行機器人自動化方案的開發及驗證。同時，這些平臺也往往會開放相應的軟件接口（API），以支持開發功能性插件，從而使平臺也能針對不同工業應用場景做虛擬仿真優化訓練。

二、虛擬仿真在教學中的應用

圖1 工業機器人虛擬工作場景建立

虛擬仿真技術就是建立與工業機器人真實工作場景類似的虛擬環境，在工業機器人實訓教學項目中采用項目式教學法進行設計，其主要的內容和流程如下：

1.建立機器人應用的虛擬環境

學生可以使用集成軟件來建立虛擬工作環境，如ABB公司RobotStudio軟件建立工業機器人虛擬仿真工作環境，如建立碼垛工業機器人工作場景（如圖1所示）。也可以使用通用三維建模軟件如solidworks、UG、Pro/E等軟件建立工業機器人的虛擬工作場景，這樣既可以演練學生的三維建模的能力，又可以進行工業機器人操作項目的實訓。

2.建立機器人虛擬通訊

以Solidworks建立虛擬通訊為例，學生通過Solidworks建立虛擬工作場景后，通過軟件插件MELFA-Works建立與三菱工業機器人的通信協議，通過與RT-Toolbox2和GX-works進行聯合仿真，需要建立兩者的通訊鏈接，讓學生理解三菱Q系列PLC通信協議，主PLC如何協調控制其他PLC，實現多個機器人的協調操作，虛擬仿真設定通訊鏈接演練有助于促使學生理解工業機器人通信協議和建立通訊的方法，并將PLC相關的知識點融入其中，提升了學生的知識綜合應用能力。由于機器人操作本身帶有一定危險性，特別是焊接機器人實際操作，通過虛實結合，在虛擬仿真環境中先上學生理解原理和方法，然后再在真實環境中演練，可以減少發生意外事故的頻率。建立聯合仿真通信協議過程（如圖2所示）。

圖2 通信協議建立過程圖

圖3 機器人虛擬示教過程

3.機器人虛擬路徑規劃

以碼垛機器人虛擬仿真為例，機器人要實現 “抓起上升→旋轉到垛盤上→下降放到垛盤上”等一系列步驟。機器人動作路線為：上升過程從工作空間的最低點到最高點→回轉臺旋轉90°→下降過程從工作空間最高點到最低點。機器人路徑規劃目的是尋求機器人最佳工作路徑，其中最重要的是保證機器人運動不會發生干涉和避免與障礙物發生碰撞，一般高職學生思維不是很嚴密，喜歡 “大膽”動手蠻干，如果沒有虛擬仿真往往會造教學事故，輕則機器人損壞，重則會傷及學生。所以，必須先讓學生在虛擬環境中學會如何進行路徑規劃，機器人示教，機器人虛擬示教（如圖3所示）。虛擬環境中學生很容易理解機器人基于關節坐標和直角坐標的軌跡規劃目的和方法，并通過Solidworks軟件進行碼垛軌跡規劃的運動學仿真與分析，從虛擬軟件很容易看到機器人規矩路線，可以直觀地觀察機器人工作姿態和運動軌跡，得到機器人運動性能的實時狀況，學生可以準確判定機器人運動方案的合理性及軌跡規劃及控制算法的可行性，有效地提高了工業機器人的教學的質量。

4.虛擬仿真過程中故障排除演練

虛擬仿真在工業機器人應用的另一個好處就是可以人為設定一定故障，讓學生通過排除這些故障點，更加深入理解工業機器人系統運行原理。每種故障報警方式對應一個數據對象，當變量超出了限定值時，故障報警裝置就會發出聲響，只有學生排除了故障，變量恢復到正常范圍內時，虛擬報警才會解除，才能恢復到正常工作狀態。虛擬故障排除鍛煉了學生調試設備的能力和邏輯判斷能力。

5.虛擬仿真教學階段過程

在實際仿真教學實踐中，筆者認為最好將仿真教學分成四階段式。首先，講解工業機器人工作原理及仿真目標，一邊講理論一邊通過計算機仿真軟件實時展示，邊教邊練，讓學生從空洞的理論教學中解脫出來，給學生一個直觀的認識。其次，在虛擬聯系過程中，重點讓學生演練機器人操作流程及注意事項。再次，學生通過仿真操作、教師要巡回指導，及時發現出現問題，及時排查，否則學生會有挫敗感，及時掌握學生學習動態。最后，要讓學生分組實際操作，作為鼓勵可以讓完成仿真模擬的學生直接進入真實的實訓環境進行實際操作，這樣通過虛實結合，既調動了學生參與仿真模擬的積極性，又將教學目標更好、更快完成。

虛擬仿真技術在工業機器人教學中的應用可以做到交互性、逼真性，讓學生能夠更好理解工業機器人運動學、軟硬件通信協議、傳感器技術等相關的教學知識點，使學生沉浸在虛擬現實的環境中，通過虛實結合的教學，達到提高教學效果、減少教學成本、增強教學安全等綜合效果。充分發揮虛擬仿真教學的特色，通過虛擬仿真動畫、虛擬環境的建設，故障排查等方式，提升工業機器人課程教學效果，讓學生盡快掌握相關的知識點，為國家輸出符合工業4.0要求的復合型高職人才。

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（編輯：秦俊嫄）

本文系浙江省教育技術研究規劃課題（廳級科研項目）“仿真技術在高職機電一體化專業教學中的應用研究”（編號：JB076）的研究成果。

仇高賀，男，碩士，溫州職業技術學院電氣電子工程系教師，高級工程師。研究方向：機械制造及自動化。

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1671-0568（2015）32-0077-02