虛實結合的工業機器人教學模式探索與研究

鄭英 許慶 辛海燕 郁佳佳

摘 要：本文結合學院實際情況分析了應用型本科院校工業機器人教學中存在的問題，有針對性地提出虛實結合的教學模式，并在實際的機器人教學過程中進行實踐和總結，不斷完善教學內容和教學模式，探索應用型人才培養的新途徑。

關鍵詞：虛實結合 工業機器人 教學模式

隨著工業4.0和中國智能制造2025的提出，工業機器人技術得以飛速發展。工業機器人應用型人才的需求日益增大，據統計，目前長三角使用工業機器人的制造企業就多達6000多家，人才缺口達5萬人左右，預計未來幾年，工業機器人的增速可達25%以上，工業機器人技術人才緊缺。作為應用型人才培養的高校，也紛紛開設機器人專業或者在專業課程里面增加機器人的培養方向，作為應用型本科院校，必須探索新的機器人教學模式，同時密切關注市場需求，為智能制造的企業輸送真正的機器人工程師，以滿足制造業的發展需求。

一、機器人教學模式現狀

工業機器人作為一種高科技集成裝備，對人才有著多層次的需求。但由于種種原因，工業機器人應用型人才培養很難落到實處，工業機器人人才很難滿足市場的需求。目前來看，本科院校的機器人教學存在以下問題：

（一）機器人軟硬件資源不足

工業機器人的教學開展必須配套軟硬件資源，一套普通的工業機器人工作站少則十幾萬，甚至上百萬，導致高校投入不足，硬件設備跟不上，有的院校覺得投入產出比不高，遲遲不肯購買設備，導致學生僅僅停留在理論層面。缺乏實踐環節，應用型院校的培養目標很難達成。此外，機器人廠商軟件不開源或者仿真軟件有版權問題，也很難和具體的工業機器人配套使用。導致學生自主學習的資源非常少。

（二）機器人師資力量薄弱

在機器人技術迅速發展的今天，很多教師面臨轉型問題，原來的經典的機械和控制要向機電結合的工業機器人轉型，每所院校都面臨機器人專業教師的緊缺的現狀。原來的老教師也需要再學習才能勝任機器人教學崗位，新的教師又招不到，想要短期內開設機器人專業的課程困難重重。

（三）實踐平臺缺乏

工業機器人要面向工業生產，學生只在教室學習理論知識是遠遠不能滿足市場需求。實踐平臺的搭建尤為重要，一方面需要學校投入資金購買機器人工作站設備，一方面又需要學生做一些實踐類的操作。很多學校實驗室建設面臨困難，學生實踐機會比較少，或者一臺設備上同時有很多學生操作，利用率很低。

二、虛實結合的機器人教學模式

針對目前許多高校工業機器人教學面臨的問題，根據學院基于應用型人才培養的定位，結合機器人課程本身的特點和實際的教學情況，提出虛實結合的教學模式。

（一）虛擬仿真教學與實踐項目結合的必要性

為了充分體現應用型本科教學目標，彌補教學設備投入不足，加快提高學生綜合實踐能力，課題組提出將仿真教學與實踐項目相結合的教學模式，利用仿真軟件及離線編程軟件來完成實現模擬任務，既能提高實踐練習的效率，又能避免硬件平臺的損壞，更能保障學生實踐過程的安全。通過仿真訓練，學生能夠很快掌握工業機器人的坐標系的建立和示教器編程的操作要領。提高學生機器人的實操能力，又能聯系實際解決問題。

（二）虛實結合教學模式

機器人技術課程理論性強，內容廣泛，涉及機械、電子、控制等學科，目前的教學過程理論教學過于單一，學生不感興趣，也很難出成果。本次改革提出將虛擬仿真技術，實物搭建模型引入機器人教學，調動學生的學習積極性，以知識應用為重點，提升學生的綜合實踐能力。

1.教學大綱的修改

工業機器人大綱規定3學分的課程，按計劃理論課2.5個學分，實踐安排0.5個學分。考慮到工業機器人面向應用型培養的需要，修改為理論課2學分，實驗課1學分，從實踐學時上保證學生實踐比例的增加，提高學生應用能力。

2.充分開展理論教學

教師通過網絡平臺介紹機器人的組成，核心部件的工作原理，如RV減速器的工作原理。示教器的使用，軟件編程等，讓學生充分了解機器人本體，控制器和示教器的工作流程。課上，教師講解理論知識，和介紹仿真軟件以及仿真案例演示。

3.虛實結合的一體化實踐

實踐教學在課程教學中具有非常重要的作用，是培養高素質應用型人才的關鍵部分。（1）先從虛擬仿真開始，讓學生學會使用機器人仿真軟件，在此基礎上，完成本體的運動控制，比如關節運動，直角坐標系下的運動。熟悉直線運動，圓弧運動等基本指令。對實驗項目進行任務分解，讓學生通過仿真完成工業任務，如搬運、碼垛、分揀等動作。仿真完成的基礎上，再把編好的程序導出到工作站上進行驗證。（2）熟悉示教器的使用，通過示教，使機器人完成基本的工業操作，比如，畫軌跡，漢諾塔等完整的實驗。（3）通過機器人編程實現傳輸帶上貨物的抓取、搬運和碼垛一系列工業流程。

學院投入8臺3kg桌面式工業機器人工作站供學生實踐，學生在完成仿真的基礎上，可以依次在工作站上驗證編程結果。這8臺工作站供學生完成搬運、碼垛、打磨、分揀等工業作業。

學院使用的是HiPeRMOS2軟件，學生用筆記本電腦就可以完成仿真。仿真軟件添加桌面和仿真圖形如圖1和圖2所示

（三）教學效果與評價

理論教學，通過網絡平臺，豐富了學生對機器人本體和加工工藝的認知。讓學生全面了解機器人的構成，核心部件的工作原理，仿真軟件的演示讓學生學到的理論知識進一步與機器人實際進行結合。實踐教學階段采用虛實結合，邊仿真邊改錯，完成作業任務的模擬，然后再到工作站進行驗證。考核以小組為單位，通過過程考核和成果考核相結合的形式對學生進行全面考核，過程考核包括考勤，仿真軟件的操作和仿真結果驗收等形式，成果考核主要以工作站的驗證為最終結果。

（四）加強師資隊伍建設

工業機器人教學設計涉及多個專業領域，對任課教師提出很高的要求。為了加強師資隊伍建設，一方面引進有豐富經驗的機器人教師，一方面可以派遣教師去高校或企業參加培訓。派出教師與企業工程師聯合開發課程和實驗項目，開發校企合作項目，充分引進企業工程項目，使學生的培養更加貼近市場需求。

結語

本文結合學院實際情況分析了應用型本科院校工業機器人教學中存在的問題，有針對性地提出虛實結合的教學模式，通過虛擬仿真，實現學生對工業機器人的認知和編程，通過仿真熟悉機器人搬運、碼垛、分揀等工業作業，虛實結合的教學模式有效防止操作失誤，保護學生人身安全和提高學生的綜合應用能力。

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作者簡介

鄭英（1974—），女，籍貫：河北保定，副教授，碩士，研究方向：工業機器人，檢測與自動化。