虛擬仿真實驗在高校課程中的應(yīng)用研究

摘 要：為提升本科人才的培養(yǎng)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣，優(yōu)化學(xué)生實驗環(huán)境，方便線上學(xué)習(xí)，在高校中開展虛擬仿真實驗建設(shè)具有重要意義。虛擬仿真實驗教學(xué)可以改進教師的教學(xué)方法，培養(yǎng)科研能力，營造濃厚的專業(yè)學(xué)習(xí)氛圍，是一種值得推廣的方式。本文梳理本校的工業(yè)機器人仿真技術(shù)課程的虛擬仿真實驗的建設(shè)經(jīng)驗，總結(jié)該實驗對我校學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的成果，為高校教師們提供借鑒的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗;培養(yǎng)方式;工業(yè)機器人

0引言

機器人搬運工作站是工業(yè)機器人領(lǐng)域的典型應(yīng)用，機器人實體工作站占地面積大、成本高、管理和維護困難。另外，應(yīng)用機器人系統(tǒng)集成及編程的實體工作站實驗存在投資較大、設(shè)備臺套數(shù)有限、實驗室面積緊張、實驗時間與教學(xué)實踐沖突、細微實驗現(xiàn)象難以細致觀察等實際問題。武漢商學(xué)院機器人工程專業(yè)《工業(yè)機器人仿真技術(shù)》課程采用虛擬仿真實驗來代替實體設(shè)備，該實驗項目的建設(shè)與行業(yè)領(lǐng)先的專業(yè)公司合作，采用Maya和VR技術(shù)對實驗場景、設(shè)備裝置、系統(tǒng)建模等高度仿真，實驗全程三維動畫，操作規(guī)范，3D實驗場景逼真，體驗感和交互性強，吸引了學(xué)生強烈的參與愿望，很大程度上激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

1虛擬實驗簡介

1.1玻璃清洗虛擬仿真實驗

玻璃清洗工作站離線編程虛擬仿真實驗以武漢商學(xué)院虛擬仿真實驗平臺為基礎(chǔ)，進行玻璃清洗機器人工作站虛擬構(gòu)建、離線編程基本操作及機器人工作站運動仿真。采用“知識點”與“工程實踐”相結(jié)合的實驗教學(xué)方式，通過基礎(chǔ)部分、進階部分及工程案例實操的實驗教學(xué)設(shè)計，著重培養(yǎng)學(xué)生團隊合作能力、剖析工程案例能力及研究解決機器人系統(tǒng)集成實際工程問題的能力。

1.2虛擬實驗的建構(gòu)

玻璃清洗工作站虛擬實驗教學(xué)設(shè)計遵循“三層銜接、能力進階”思路，三層銜接是指基本技能訓(xùn)練、專業(yè)綜合訓(xùn)練及業(yè)界實踐訓(xùn)練。能力進階是指基本能力、專項能力及綜合能力的進階。主要包括構(gòu)建基本仿真工業(yè)機器人工作站、RobotStudio中的建模功能等基礎(chǔ)教學(xué)部分、Smart組件的應(yīng)用、在線編程等進階教學(xué)部分及玻璃清洗工作站編程工程實例操作三個部分。實驗的主體流程分為七步，如圖1所示。主要的實驗中的虛擬設(shè)備有：ABB IRB6700 1臺，負載200kg，到達能力2.6m，IRC5-Compact控制器1臺，帶示教器，SSX-5000輸送線1條，自動清洗機1臺，真空吸盤夾具1套，光柵 1臺，寬2100mm，圍欄4X6000mm，機器人底座 1個。

實驗的實驗操作流程如圖1所示。第一步，通過知識角讓學(xué)生了解本實驗背景和基本要求;第二步，通過設(shè)備布局和功能認知，搭建實驗系統(tǒng)創(chuàng)建控制系統(tǒng);第三步，Smart組件的設(shè)置為虛擬設(shè)備的外部電氣控制的設(shè)置;第四步，離線編程是為工業(yè)機器人運動指令編輯前的目標(biāo)點的選定;第五步。Rapid代碼是ABB機器人的指令編輯;第六步，仿真設(shè)置后即可實驗運動仿真;第七步，為本次實驗的習(xí)題。實驗界面如圖2所示。

2虛擬實驗的促進意義

2.1虛擬實驗對理論教學(xué)的促進

對我校應(yīng)用型本科生而言，工業(yè)機器人仿真技術(shù)課程中采用虛擬仿真的實驗教學(xué)方法，是對傳統(tǒng)課程理論教學(xué)模式進行改革，減少課堂教學(xué)投入時間，加強實驗、實訓(xùn)教學(xué)力度。理清供給與需求、知識與技能、職業(yè)與道德等層面的內(nèi)在聯(lián)系，改革以前的教學(xué)觀念和教學(xué)方法，進一步完善機器人學(xué)科的課程教學(xué)方案。

2.2虛擬實驗對實踐教學(xué)的促進

本校機器人工程專業(yè)以培養(yǎng)高素質(zhì)的機器人工程專業(yè)人才為目標(biāo)，針對以真實機器人工作站為基礎(chǔ)的機器人實操實驗教學(xué)中存在的問題，結(jié)合機器人工程專業(yè)知識面廣、系統(tǒng)性強、與工程結(jié)合緊密等特點，在機器人虛擬仿真課程的實踐教學(xué)過程中，建立了以工程認知、表達、分析為主線，以代表性的生產(chǎn)線，如機器人焊接、機器人打磨、機器人清洗為對象的虛擬仿真實驗。采用虛擬實驗與理論教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式，全面推進和提高學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。機器人專業(yè)的虛擬實驗建設(shè)旨在“以行業(yè)需求為牽引，以實驗教學(xué)與產(chǎn)業(yè)相協(xié)同”的教學(xué)理念，全面推進學(xué)生實踐能力培養(yǎng)。

2.3虛擬實驗對科研創(chuàng)新的促進

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，前沿技術(shù)、產(chǎn)品的更新周期也越來越短，相對于前沿技術(shù)來說，教材上的理論及實踐內(nèi)容較為陳舊，如何實時把握最新動態(tài)，向?qū)W生傳遞科技前沿是非常緊迫的教學(xué)任務(wù)。教學(xué)設(shè)計中實驗方法與實驗現(xiàn)象相結(jié)合，可以極大拓展傳統(tǒng)實驗范圍。堅持“虛實結(jié)合”的原則，實驗內(nèi)容選取當(dāng)今社會發(fā)展對創(chuàng)新性和創(chuàng)業(yè)型機器人工程人才培養(yǎng)需求的高昂設(shè)備、不易操作的實驗，且嚴格履行工業(yè)機器人操作規(guī)程。傳統(tǒng)實驗中出于設(shè)備及人員安全考慮，其實驗類型及實驗工況單一。虛擬實驗中學(xué)生可在大范圍內(nèi)修改實驗參數(shù)，并可觀測到對應(yīng)的實驗現(xiàn)象，極大拓展了傳統(tǒng)實驗范圍。

3結(jié)語

本文對工業(yè)機器人仿真技術(shù)這門課知識點的講解緊密圍繞機器人仿真的理論，重視軟件實操，引入虛擬仿真實驗等新教學(xué)方法，能夠更加吸引學(xué)生參與式學(xué)習(xí)。同時，本文的研究也適用于從事工業(yè)機器人系統(tǒng)集成、工作站設(shè)計、現(xiàn)場調(diào)試的技術(shù)人員學(xué)習(xí)和參考。只有不斷改進課堂的教學(xué)方法，才能更好地提升學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，增加學(xué)生的綜合素質(zhì)。

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作者簡介：

陳鑫（1988-），湖北武漢人，講師。主要研究方向為機器人仿真技術(shù)，機器人系統(tǒng)集成。

基金項目：武漢商學(xué)院2021年校級教學(xué)改革研究項目（項目編號：2021Y011）。