基于虛擬仿真法的機器人生產線設計實踐課程教學改革

陸明月 丁力 巢淵 強紅賓 黃明

摘?要：隨著工業機器人應用的普及和產業對人才的需求，各國各大學愈加認識到機器人技能實踐教學的重要性，然而大多數高校未能開出機器人生產線相關課程，或只停留在理論教學上，對實踐教學經驗不足。另外，機器人生產線相關教學資源欠缺、實訓設備價格高昂，再加上近幾年，線下實操訓練困難，導致機器人生產線實踐教學一直難以開展。因此，將虛擬仿真技術用于機器人生產線設計與實踐教學成為一種可行途徑。

關鍵詞：虛擬仿真技術；機器人技術；生產線設計；實踐教學

機器人產業被譽為“制造業皇冠頂上的明珠”“高質量發展的引領”［1］?。隨著云計算、大數據、智能傳感等高技術的深入發展，機器人作為世界經濟與產業增長方式轉變過程中的關鍵因素，正進入新的發展階段［2］?。機器人產業的迅猛發展以及機器人在制造業的大量應用，正成為我國現代制造業轉型發展的加速器［3］?。2021年，工業和信息化部等15部門正式印發《“十四五”機器人產業發展規劃》，提出到2025年我國將成為全球機器人技術創新策源地、高端制造集聚地和集成應用新高地［4，5］?。然而，產業是根本，人才是關鍵。在推行工業機器人技術時遇到的最大瓶頸不是技術短缺，而是實踐應用型人才的嚴重缺失。機器人產業發展不僅需要大量的機器人設計、研發、制造等方面的高端人才，更需要為數眾多的使用、運行、維護、維修等生產線方面的實踐型和應用型人才。

目前，國內越來越多的應用型本科院校開設了機器人工程專業，然而，針對本專業的師資力量薄弱、課程資源欠缺、授課形式比較單一、操作訓練機會較少，致使課堂枯燥無味，學生們無法提起興趣，學習效率低下。本文提出將虛擬仿真技術引入機器人生產線設計實踐教學，在降低實訓成本的同時，提高實踐效率，還能夠明顯改善教學效果，有助于提高機器人工程專業應用型人才的培養質量。

1?機器人生產線設計與實踐課程教學現狀

1.1?機器人專業人才培養方案不明確

隨著工業機器人應用市場不斷擴大，工業機器人應用型人才培養的缺口也越來越凸顯。我國工業機器人應用型人才培養目前處于起步階段，工業機器人專業相關課程的開設更是在探索階段。工業機器人應用型人才培養院校應該針對實際應用對技能人才的需求，建立機器人專業人才培養方案。例如，工業機器人應用于不同生產線時，尤其是智能化、自動化生產線建設普遍存在資金投入大、生產線規劃難度系數大、生產工藝復雜、現場危險系數高等困難，急需這方面人才。然而，現有培養的機器人專業大學生大多只具備機械設計、機器人技術基礎、機器視覺等相關的理論知識，對實際機器人生產線的構成、設計原則、運行調試等尚不了解，往往需要二次培訓才能投身于機器人生產線建設與工作中。因此，我校江蘇理工學院將機器人領域的復雜工程問題、相關設計與開發解決方案、職業規范作為機器人專業畢業要求，將工業機器人生產線設計、優化與實踐等知識列入機器人專業類課程和實踐環節中。

1.2?機器人生產線相關課程資源嚴重欠缺

我校江蘇理工學院作為應用型本科人才培養院校，于2019年開設了機器人工程專業，并將《自動化生產線技術》《機器人生產線設計與實踐》兩門課程增加到了該專業本科生人才培養方案中。然而調研發現，由于機器人專業在國內高校普遍屬于新開課程，相關師資力量薄弱，不僅本校尚未開展過機器人生產線設計理論課程和實踐課程的教學，其他國內高校也鮮有相關課程的教學資源和教學經驗可供參考和借鑒，因此存在嚴重的教學資源短缺問題。筆者認為可以充分利用網絡平臺資源，整理的相關資料并結合實際生產線設計流程和所需技能，編寫教學大綱、制訂教學方案、制作微課等，豐富機器人生產線相關的教學資源。同時，我校要大力引入機器人專業博士或派遣教師，進一步加強師資力量。

1.3?機器人生產線實踐教學設備成本高

眾所周知，工業機器人相關實訓設備投入巨大，一般院校難以承受巨大的硬件投入。尤其對于工業機器人生產線實踐，需要依托多個工業機器人工作站，搭建這些工作站的機器人系統和周邊設備成本較高，而且所需要的場地面積較大。受資金和場地等條件的制約，普通本科院校能用于機器生產線的教學設備數量很少，一般僅能滿足示范講解，甚至只能前往校企合作單位的生產線進行走訪參觀。這就導致每個學生的實際動手操作機會較少，更得不到足夠的操作訓練，學生對工業機器人整個生產線的認知甚少，相關實踐教學難以開展［6］?。筆者認為借助工業機器人工作站系統建模仿真技術，在虛擬環境中對生產過程和場景進行“真實”的重構，可大大改善工業機器人應用人才培養的實訓條件，同時也方便學生在課前和課后進行拓展訓練。通過工業機器人生產線工作站系統建模及仿真技能操作訓練，完成典型的機器人生產線設計任務，培養學生在工業機器人生產線方面分析與解決問題的能力，為學生將來從事工業機器人專業工作打下必要的技術基礎。

2?虛擬仿真技術在機器人生產線中的應用

2.1?工業機器人虛擬仿真技術的優點及作用

虛擬仿真技術，就是用一個具有多源信息融合的交互式三維動態實景和實體行為的計算機系統模仿另一個真實系統的技術。我國機器人仿真軟件起步較晚，目前還在快速發展中，例如，華航唯實的RobotArt僅可支持單機器人工作站的仿真設計，不適用于多機器人生產線的仿真設計［7］?。而ABB公司開發的一款工業機器人虛擬仿真軟件RobotStudio［8］?，它的虛擬控制器和虛擬示教器與真實機器人相應配套設備基本相同，可準確模擬真實機器人的各項功能，實現多機器人生產線全生命周期的工作站仿真功能。企業生產線技術人員經常使用RobotStudio軟件驗證機器人系統和周邊設備布局的合理性，分析設備利用率、預測生產目標、評估生產效率，為實際機器人生產線建設與優化提供依據。從而幫助企業減少停機時間、縮短生產工期、避免不必要的返工，最大程度地減少在生產線設計與調試過程中的投資。

2.2?工業機器人仿真技術在生產線實踐教學中的應用

目前，RobotStudio軟件已被廣泛應用于工業機器人生產線及工作站設計中，也逐漸被國內部分普通高校和高職院校用作機器人離線編程教學，但尚未應用于機器人生產線實踐教學中［910］?。將基于RobotStudio軟件的虛擬仿真技術應用于機器人生產線實踐教學中，憑借該軟件操作界面友好、動畫逼真的優勢，能夠提高大學生主動參與、樂于操作的積極性。教學過程中，可以讓學生采用該軟件對工業機器人本體、電氣及周邊設備進行三維虛擬仿真，同時在仿真環境中進一步完成布局設計、運動軌跡規劃、物流傳輸、安全監測等功能，動態模擬生產線運行過程，從而高效直觀地預測生產線全生命周期的運行狀態，驗證學生設計方案的可行性。因此，有助于學生更全面、更深入地理解工業機器人生產線工作流程，提升生產線的設計水平，培養學生的安全生產意識和工匠精神。

3?教學改革內容與方法途徑

3.1?制定、優化實踐課程內容

針對各大高校機器人專業實踐課程教學資源不足、教學經驗缺失問題，結合我校機器人工程專業實踐教學需求和應用型人才培養目標，深入研究機器人專業培養方案，制定《機器人生產線設計與實踐》課程的教學內容，編寫教學大綱，豐富教學資源，制定、并優化機器人生產線設計與實踐課程體系。《機器人生產線設計與實踐》這門課程，教學內容需涉及機器人生產線設計的每個環節，包括工業機器人選型、末端執行器設計、作業對象分析、生產節拍要求、布局合理性、物流順暢等。既要讓學生掌握工業機器人生產線的構成、設計原則等基礎知識，又能讓學生具備工業機器人生產線的布局、設計、監測、編程與調試等技能。既要注重課程內容循序漸進，互為條件，相互依存；又要努力減少課程重復內容，做到實實在在地減少“水分”。

3.2?改進傳統的授課方式

采用虛擬仿真法，主要以RobotStudio虛擬仿真軟件為主要教學工具，綜合使用慕課等網絡教學平臺，便于學生課前預習和課后拓展練習。課堂教學實施過程，改變以“填鴨式”講授為主的課堂授課方式，建立以“貼合實踐、解決問題”為導向的任務驅動式授課方式，調動學生學習興趣。主要通過工業機器人噴涂、焊接、激光切割、搬運碼垛等典型生產線工作站開展任務驅動式教學（如下圖），讓學生以“做中學”的形式學習生產線設計相關知識，激發學生主動解決問題和驗證問題的學習激情。充分利用虛擬仿真軟件的仿真運行、視頻錄制、動畫播放的功能，鼓勵學生以發小視頻、分享朋友圈等方式分享自己的操作訓練成果，建立學生的成就感，讓學生動起來、熱起來，并樂在其中。

3.3?優化實踐環節與企業需求的銜接

此外，生產線設計與實踐教學過程既要強調理論與虛擬仿真結合，又要考慮實踐環節與行業熱點和企業需要結合，真正做到“理—虛—實”一體化。一方面，需要將工業機器人生產線的布局、設計、監測、編程與調試的理論知識用于仿真設計操作中；另一方面，在機器人工作站仿真教學中優先采用實際企業工作經常使用的機器人類型、工具、工件以及周邊電氣設備等實例。例如，對于一個汽車玻璃涂膠生產線，需要設計企業常用的涂膠槍、汽車玻璃、吸盤等三維模型，并進行玻璃周邊涂膠和搬運碼垛作業的通信連接、運動軌跡規劃，完成生產流水線仿真運行。通過聚焦企業典型工業機器人生產線需求，強化機器人專業理論知識調用與綜合實踐，提升學生機器人技術職業應用能力，有助于推進應用型本科院校進行產教融合、校企合作。

3.4?打造優秀的教學師資隊伍

教師是教學的核心，是教學改革的主體，只有打造相應的教師團隊才能提供豐富的教學力量和資源。對于基于虛擬仿真法開展機器人技術實踐教學，要結合機械制圖、機器人技術基礎、控制技術基礎、自動化生產線技術等多個專業課知識，綜合采用SolidWorks建模、Matlab仿真、PLC控制等技術，完成機器人生產線設計實踐項目任務。因此需要多個專業課教師的聯合師資力量，配合企業實訓教師的協同指導，共同打造優秀教師團隊，促進“理—虛—實”一體化教學。筆者認為，一方面可以充分利用我校江蘇理工學院豐富的“雙師型”教師隊伍資源，組建一支基于虛擬仿真法的機器人實踐教學師資隊伍。另一方面要優化教師團隊結構，團隊包含教學、科研、企業實踐各方面經驗豐富的教師，團隊成員之間取長補短。同時，教師也應該不斷地學習與創新，能夠與時俱進。

結語

本文從培養大學生機器人技術實踐能力出發，結合江蘇理工學院應用型本科人才培養特色，重點關注現階段普通高校對機器人生產線設計實踐教學研究不足問題。文中提出利用虛擬仿真技術開展機器人生產線設計與實踐教學，實現課堂內外隨時隨地、在線和離線共同進行的教學與訓練。強化機器人專業理論知識調用和綜合實踐，借助以RobotStudio為主、其他建模仿真軟件為輔的教學工具，聚焦企業實際生產線需求，切實做到“理—虛—實”一體化教學。從而探索提高應用型本科院校大學生機器人技術的培養模式，促進應用型本科院校校企融合、產學研合作，為社會和國家培養更多機器人專業的實踐創新型人才。

參考文獻：

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［7］張小紅.基于RobotArt的ABB機器人碼垛工作站教學設計［J］.電子測試，2019，22：112124.

［8］葉暉，何智勇，楊薇.工業機器人工程應用虛擬仿真教程［M］.機械工業出版社，2014.

［9］張華文，張麗.機器人裝配工作站離線編程與虛擬仿真系統設計［J］.自動化與儀表，2022，6：2832.

［10］史紅燕，張真真.RobotStudio在工業機器人編程與操作課程中的應用——以運動軌跡編程為例［J］.造紙裝備及材料，2022，51：232234.

基金項目：本文系江蘇理工學院教學改革與研究項目“機器人工程專業基于虛擬仿真法的機器人技術實踐教學改革”（編號：11610112305）的研究成果

作者簡介：陸明月（1991—?），女，漢族，安徽宿州人，博士，講師，碩士生導師，從事機器人設計與仿真技術研究；丁力（1989—?），男，漢族，江蘇宜興人，博士，副教授，碩士生導師，機器人工程專業系主任，從事機器人技術與人工智能技術研究；巢淵（1988—?），男，漢族，江蘇常州人，博士，講師，碩士生導師，機械電子工程系主任，從事機器視覺檢測技術研究；強紅賓（1991—?），男，漢族，河北石家莊人，博士，校聘副教授，碩士生導師，從事機器控制技術研究；黃明（1979—?），男，漢族，湖北武漢人，博士，講師，碩士生導師，從事機器人技術研究。