“互聯網+”時代工業機器人虛擬仿真實驗教學研究

袁正　馬國清　張磊　蘆帥　馮慧　呂勇

【摘要】在“互聯網+”時代背景下，本文對工業機器人虛擬仿真實驗教學的途徑進行探索，分別從專業教學知識體系的建設、實踐教學體系的構建等方面入手，選取真實工程案例、模擬實際工作過程，采用線上線下相結合的教學模式，建立了完備的虛擬實驗教學平臺，為工業機器人領域的人才培養提供了新的途徑。

【關鍵詞】互聯網+? 工業機器人? 虛擬仿真

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）11-0226-01

引言

伴隨著全世界新一輪“工業革命”的興起，我國于全國兩會的“政府工作報告”中提出“中國制造2025”的宏大計劃[1]。在這一計劃引領下，如何優化產業對接將成為國內各高校設置學科的重要依據。在“互聯網+”時代背景下，工業機器人作為一種新型的高科技產物應運而生，其可以通過人工智能代替人力勞動，從而大幅提高生產效率與質量，進而促進工業發展更優化，具有非常廣闊的市場前景 [2]。隨著我國工業機器人市場的迅猛發展，該領域內高素質人才的缺失已然成為限制該產業擴展的主要瓶頸[3]。目前，煙臺大學機電汽車工程學院正著手開展焊接工業機器人虛擬仿真實驗教學項目，通過建立虛擬仿真實驗平臺以解決現場教學設備成本高、實驗消耗大、實操風險高等問題，將自身的教學、科研成果與合作單位共享，并借助企業支持，開發滿足社會與生產力發展需求的實驗教學資源。

1.虛擬仿真實驗教學平臺的構建

虛擬教學平臺是以數學理論、相似原理、信息技術、系統技術及其相關專業知識為基礎，以計算機和物理效應設備為工具，采用“邊寫邊做”思想創建的，平臺結構如圖1所示。

1.1專業教學知識體系的建設

一項完整教學項目的實施，需要建立合適的專業教學知識體系與之匹配。項目組通過走訪當地相關企業，并結合專業人員的反饋意見，對專業教學知識體系進行建設，如圖2所示。項目分別從知識能力、學科專業兩個模塊出發，確定了以機械工程、計算機科學與技術、控制科學與工程、材料科學與工程為核心的學科專業群，構建了以機械學、力學、機器人學、計算機技術、控制理論、電子技術、測量技術等為核心的課程體系，著重培養學生的機械設計能力、運動分析能力、工藝規劃能力、電氣設計能力、程序設計能力、測試測量能力，使其具有滿足各個崗位需求的綜合素質。

1.2實踐教學體系的構建

項目實踐教學以學習小組為主體，采用“真實工程案例”與“虛擬現實”相融合的教學方式，結合啟發式、自主式等教學方法，使學生學習機器人應用的整體流程并掌握各個設計環節的有效方法。

具體實施過程如下：步驟1：組建學習小組，即組建由學生、教師、教輔所構成的學習團體;步驟2：選用多媒體教學、虛擬仿真實訓教學、現場實踐訓練相結合的教學方式，掌握焊接工業機器人設計的核心知識點;步驟3：在虛擬仿真教學過程中，充分利用虛擬情境，采用“教學-科研-應用”三者合一的教學模式，使教學與實踐相結合，使學生實際操作水平得到進一步的提高;步驟4：鼓勵學生獨立思考，促進學生自主性學習、推進學生的研究性學習和個性發展;步驟5：進行反思性評價，即對學習的目標、過程、結果、互動與支持性情況等進行反思與評價。

2.項目教學方法

項目教學以工程實際案例為主體，讓學生在“虛擬仿真” 環境下完成項目中所涉及到的各個環節，并就流程中的關鍵工藝、設計、調試等內容進行實物操作，從而達到“虛實結合”，最終掌握工業機器人應用的基本流程，能夠開展相關工程項目的實踐，使之成為具有較強綜合實踐能力的工業機器人技術人才。

教學具體環節如下：環節一：通過視頻資源的學習，了解機器人工作站的設計流程;環節二：通過虛擬場景再現，認識并學習機器人工作站的布局以及各個模塊的功能和選型; 環節三：利用Power MILL Robot Interface軟件進行機器人的運動仿真與軌跡規劃;環節四：將離線代碼下載到實際焊接機器人中，進行在線調試;環節五：在實驗室進行機器人的現場調試，考查學生的最終調試情況。

3.平臺優勢

本項目對工業機器人虛擬仿真實驗教學的途徑進行了初步探索，其虛擬實驗教學平臺相比傳統的教學模式具有以下幾點優勢：（1）整合線上、線下資源，節約實驗成本。（2）虛擬現實技術、視頻教學平臺技術等在教學過程中得到有效利用，大大提高了學生的學習質量與效率。（3）基于項目式教學方法，實現了教學-科研-應用相結合的互助型體系建設。

結語

“中國制造2025”的宏大計劃為在我國制造業轉型上提出了新的、更高的要求。工業機器人技術的不斷發展和應用可以有效提高工業產能和效率，同時也需要大量的相關專業人才。本文以煙臺大學機電汽車工程學院項目建設為例，對工業機器人虛擬仿真實驗教學的途徑進行了深入探索，項目計劃依托“數字化網絡教學平臺”，將虛擬仿真實驗從校內共享蔓延至煙臺并輻射全國，可以為相關專業領域的兄弟院校提供教學資源與技術指導。

參考文獻：

[1]劉曉玲， 莊西真.高技能人才培養：“中國制造2025”與職業教育的最佳結合點[J].職教論壇， 2016（1）：62-66.

[2]朱季澤.工業機器人技術應用研究[J].現代工業經濟和信息化， 2018（15）：59-60+69.

[3]呂明珠.基于Robotmaster的工業機器人虛擬仿真實驗平臺設計[J].電氣開關， 2017（06）：26-29.

作者簡介：

袁正（1989-），男，博士研究生，講師，主要從事機械工程相關領域的教學與研究工作。

張磊（1976-），女，博士研究生，副教授，主要從事機械原理與設計的教學工作。