數字孿生虛擬仿真在工業機器人應用技術課程中的實踐

摘?要：隨著科學技術的不斷發展，新的技術、新的知識不斷地應用在課程教學中，數字孿生虛擬仿真技術就是其中的一種。本文對工業機器人應用技術課程和數字孿生虛擬仿真技術進行了論述，而且詳細地分析了工業機器人應用技術課程的教學內容與教學目標，最后講解了數字孿生虛擬仿真在工業機器人應用技術課程的具體實踐措施和相關的案例，希望能夠使大眾更好地了解數字孿生虛擬仿真技術，提高工業機器人應用技術課程的教學效果。

關鍵詞：數字孿生虛擬仿真；工業機器人應用技術課程；實踐策略

隨著信息技術的快速發展，各種新的技術、新的知識蜂擁而出。在我國的教育教學中，數字孿生虛擬仿真技術在工業機器人應用技術課程中得到了有效的應用，不僅推動了工業機器人應用技術課程的改革，而且創新了工業機器人應用技術課程的人才培養模式，有效地提高了我國人才培養質量，促進了我國教育教學的高質量發展。目前，隨著社會對人才需求越來越高，無論是職業教育還是大學教育，都積極地將教育與實踐結合在一起，并且在教學過程中也應用了新的技術，有效地解決了教育教學中存在的難點。同時新技術、新知識的提出還能夠有效地提高學生的動手操作能力，使學生可以充分地利用教學資源，真正地提高自己的實踐操作能力，為自己的專業素養奠定扎實的基礎。在工業機器人應用技術課程中，也積極地應用了前沿科學技術，工業機器人應用技術課程本身是以機器人技術為核心，主要是講解工業機器人應用技術和理論知識，并且論述了工業機器人的設計、調試、安裝、系統等方面的知識。在該課程中將數字孿生虛擬仿真技術應用在其中，可以大幅度地提高該課程的教學質量。

一、工業機器人應用技術課程現狀

工業機器人應用技術課程是一門多學科綜合性的課程，在機電一體化技術基礎上，不僅包含了工業機器人控制、驅動系統的硬件設計技術、工業機器人軟件的設計和編程技術，而且涉及了工業互聯網與人工智能等當代前沿技術。開設這門課程的主要目的是為了讓學生了解和掌握工業機器人的一些結構、系統、程序等相關方面的知識，使學生在學校就能夠具備良好的分析和解決工業機器人問題的能力。

目前，工業機器人雖然在我國市場上已經有所應用，但是所占的比例并不高，因此，在高校教學中應該加強工業機器人應用技術課程的教學。但是，大部分高校并沒有認識到工業機器人應用技術課程的重要性，在此方面的培養力度較弱，而且沒有形成一套完善的教學體系。由于工業機器人應用技術課程比較復雜，學校如果不盡快優化該課程的教學模式，就有可能影響工業機器人在市場上的發展。不僅如此，各大高校在開展工業機器人應用技術課程的教學時，通常都是以理論課程為主。可是這門課程本身就涉及了非常多的數學運算，學生不僅僅要學習該課程的相關理論知識，而且需要學習一些與機器人有關的操作規程或者設置參數的知識，這對于學生來說學習難度較大。可是傳統的教學方式，過于重視理論知識的講授，學生都是被動接受教師所傳授的知識，學生對工業機器人應用技術課程相關的知識沒有任何學習的主動性，甚至有一部分學生產生了厭學心理。因此，工業機器人應用技術課程教學模式急需變革，通過把理論教學和實踐教學結合在一起，讓學生能夠更加直觀地進行學習。

二、數字孿生虛擬仿真技術

在2011年3月，數字孿生這個詞匯就已經提出。在2012年，開始對數字孿生技術進行研究。數字孿生這項技術包含了信息技術、感知技術、建模技術和計算技術，該技術能夠在虛擬的環境中建立一個高保真的模型，該模型能夠與物理空間中完全一致，充分地實現了信息的及時交互。在物理空間中進行數據的反饋與融合，可以對物體的行為進行實時的模擬，并對其進行監控與預測，從而在物理空間中做出各種決策時提供有效的幫助，使物理空間與虛擬空間真正地實現交互與映射。數字孿生技術的主要推動力就是數字孿生數據和信息，而這些數據和信息主要包括虛擬實體信息、知識信息、物理實體信息等，有效地幫助虛擬物體與物理實體實現了互通互聯，而且實現了虛擬實體和物理實體以及服務之間的交互優化。實施數字孿生技術是一個具體的過程，必須由虛擬空間和物理空間進行相互促進。在數字孿生系統中，需要安裝一個具有智能感知系統的物理模型，這樣一來就可以使物理實體和模擬空間構建出相同的數字孿生體，并且可以對一些有用的數據和知識進行及時的保存。通過往虛擬空間中注入實時的數據和信息，就可以借助數字孿生技術進行仿真操作，從而得到更加真實的仿真數據。數字孿生技術又被稱為數字化雙胞胎，在工業機器人應用技術課程中將數字孿生技術應用到工業機器人設計、仿真、測試、驗證等各個環節，從而在虛擬空間中構建出與物理實體相對應的模型。同時在應用數字孿生技術的過程中，還可以準確地預判出工業機器人有可能會出現的問題，確保工作人員可以及時地對設計方案進行優化與完善，進一步縮短了工業機器人安裝與調試時間。

三、工業機器人應用技術課程的教學內容與方法

（一）教學內容

在任何一個學科中，教學目標都是教學內容的核心。教師在給學生講解工業機器人應用技術課程的相關知識點時，就需要制定出更加清晰科學的教學目標，這樣才能夠為人才培養提供明確的方向，既可以將工業機器人應用技術課程的相關知識傳授給學生，又能夠強化學生的實踐操作能力，為社會培養出優秀的技術性人才，使學生在日后的工作崗位中能夠充分應用自己所學的知識。教師在講解工業機器人應用技術課程的知識點時，要以學校的實際情況為基礎，將理論與實踐充分的結合在一起，從而實現理實一體化的教學目標。當教師給學生講解工業機器人應用技術課程的理論知識以后，就需要給學生安排相應的實踐課程，使學生在實踐過程中將所掌握的理論知識全部消化，并進一步提高學生的實踐操作水平。除此以外，隨著時代的發展，工業機器人應用技術課程的知識也發生了新的變化，那么教師的教學目標也要進行完善。

（二）教學項目的實施

教師在正式給學生講解工業機器人應用技術課程之前，就需要在網絡上搜尋與此相關的視頻資料，從而拓展學生的視野，提高學生對工業機器人的學習熱情。教師也可以讓學生自主上網搜尋相關的資料，然后在課堂上與其他學生進行探討，使學生能夠對工業機器人應用技術課程的知識進行深入的了解。在正式授課時，教師還可以將已經設定好的教學目標進行逐一的分解，并將其融入每一個項目教學之中，從而實現工業機器人應用技術課程的教學目標。在教學中，教師可以將接線路式教學法引入，利用各種任務引導學生主動去分析工業機器人的相關知識點，并督促學生進行相應的實踐，為學生以后進入工作崗位打好基礎。在教師的指導下，學生可以自主設計項目方案，并且逐一類化課程中所學的知識，將這些知識點應用在實踐中，會自主地進行問題的探究和分析。在整個教學中，教師起到了良好的輔助作用，而學生則通過自主收集材料、觀看視頻、自主設計項目方案，在不知不覺中掌握了工業機器人應用技術課程的相關知識點。在課后，教師還可以利用網絡平臺給學生布置一些實踐任務，學生也可以通過網絡平臺及時向教師反饋自己的實踐情況，教師就可以根據每個學生的實踐情況來安排下節課的教學內容。在工業機器人應用技術課程的教學中，教師以工業機器人項目為主線，學生為主體，實現教學的多樣化。

（三）教學總結與反饋

教師以學校學情為基礎，對工業機器人應用技術課程教學方式進行完善與優化，積極地引入先進的教學模式，實現理實一體化教學目標，讓學生對工業機器人應用技術產生興趣，使學生可以自主地學習與此相關的知識點，對該課程重要知識點掌握得更加牢固。大部分學生都具有非常強烈的成就感，當掌握了一定的知識后，就會有進階的想法，此時教師就可以鼓勵學生關注一些國內外與工業機器人有關的網站，促使學生進一步學習工業機器人應用技術課程相關的知識點，為后續的學習奠定堅實的基礎。

四、數字孿生虛擬仿真技術應用在工業機器人應用技術課程的實踐措施

通過采用虛實結合方法，就能夠在工業機器人應用技術課程中將數字孿生虛擬仿真技術應用進來，從而把現實中工業機器人的場景和環境都移動到實驗室中，讓學生在學習該課程時可以利用電腦平臺對工業機器人的模型進行反復的搭建，使學生所學習到的知識應用在具體的實踐中，從而有效地解決教育教學中專業人才技術人員培養存在的困難。

在工業機器人應用技術課程中將數字孿生虛擬仿真技術應用進來，能夠將數字孿生、工業機器人編程調試以可視化的形式展現在學生面前，使學生能夠在虛擬場景中對工業機器人進行搭建、設計，甚至還可以對PLC程序進行仿真調試，進一步加大了該課程教學實訓的效果。在數字孿生虛擬仿真技術中，數據層所獲得的數據是其基本的要素，數據和信息來源則包括以下兩個部分：第一，通過對物理實體對象與環境進行分析而獲得的數據；第二，對各種模型進行仿真后所獲得的數據。在工業機器人應用技術課程實踐操作中會出現各種各樣的動態數據，而這些數據和信息的變化不斷推動實體模型和虛擬模型進行更新與完善。

五、數字孿生虛擬仿真技術在工業機器人應用技術課程中的案例

（一）案例

在工業機器人應用技術課程中將數字孿生虛擬仿真技術應用在其中，再結合物理實體中的設備就能夠研發出一套新的教學模式，不僅包括工業機器人應用技術課程中的基礎理論知識，而且具有機械加工、檢測、制造等方面的知識，使學生在學習該課程時可以借助教學平臺進行仿真實訓。通過應用數字孿生虛擬仿真技術能夠對設計出來的工業機器人進行有效驗證，從而使學生在學習過程中更加全面地了解工業機器人系統、編程，還可以全面地了解工業機器人從設計到驗證的全過程。

數字孿生虛擬仿真技術應用在工業機器人應用技術課程中，需要學校配置一套完善的工業機器人應用技術課程實虛一體化的實訓軟件，把物理實體設置為虛擬對象。實訓軟件的功能非常齊全，其中物理空間中的實體模型，能夠精準地映射到數字孿生模型之中，并且借助物理空間中的各種傳感器與數據孿生模型進行數據通信，從而實現智能感知，此時所獲得的數據包括歷史和實時的數據。數字孿生模型中有各種知識儲備，學生在應用的過程中可以直接調用數字孿生模型中的相關知識。同時當學生在應用過程中遇到一些復雜的算法時，也可以直接運用數字孿生模型來進行參數遷移。一些比較簡單的算法學生可以自己進行編制。

教師在給學生講解工業機器人應用技術課程的相關知識點時，就可以讓學生自己使用電腦搭建數字孿生模型，開展數據鏈接和算法設計工作。當學生對工業機器人設計完成以后，還可以借助數字孿生虛擬仿真技術進行仿真驗證。在見證的過程中，實訓軟件上會將重要的考核點標注出來，當學生的設計通過了所有的考核以后，還可以利用智能服務模塊與物理實體進行鏈接，通過在電腦端上對數字孿生模型進行操作就可以直接對智能制造、生產技術、物理實體進行控制，從而來驗證自己的學習效果。

（二）應用效果分析

通過在工業機器人應用技術課程中具體應用數字孿生虛擬仿真技術，學生可以借助實訓系統對自己所學的知識進行全面的訓練，真正地實現培養與踐行一體化的教學方式，進一步強化了工業機器人應用技術課程教學效果。

教師在以往對學生進行工業機器人應用技術課程的授課時，首先都會給學生講解相關的理論知識，再帶領學生進工廠進行實訓。這種教學方式雖然也使學生具備了一定的實踐經驗，但是沒有讓學生更好地掌握工業機器人應用技術課程方面的相關知識。在工廠進行實訓的過程中大都是好幾個學生圍繞一臺設備進行操作，教師無法全面地了解學生在實踐中存在的問題，嚴重影響了工業機器人應用技術課程的教學質量。通過在工業機器人應用技術課程教學中將數字孿生虛擬仿真技術應用進來，首先能夠使學生對工業機器人應用技術課程方面的知識進行全面的了解，而且通過電腦進行實訓時，系統會設置相應的考核指標，學生的實踐操作必須要達到相應的考核指標才能做接下來的工作。其次，學生通過對三維模型和物理實體設備之間的數據和接口進行調試，可以有效地掌握該設備的調試方法。

通過對案例進行分析可知，數字孿生虛擬仿真技術應用可以使學生深入地學習工業機器人應用技術課程方面的知識，并熟練地掌握此方面的技能，為以后進入企業開展實踐操作奠定良好基礎。

結語

綜上所述，隨著科學技術的發展，出現了各種新興產業，學校也相應地開設各種新的專業，工業機器人應用技術課程就是其中的一種。該課程的授課仍然使用傳統方式，教學效果不佳，但是將數字孿生虛擬仿真技術應用在授課中，可以有效地解決工業機器人應用技術課程教學中存在的問題，提高該課程教學質量的同時促進了工業機器人的穩定發展。

參考文獻：

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［2］代浩岑，孫丹寧，趙文博.工業機器人技術的發展與應用綜述［J］.新型工業化，2021，11（04）：56.

作者簡介：歐陽群鑫（1992—?）男，漢族，湖南益陽人，學士，助教，研究方向：機電一體化。