基于虛擬現實技術的工業機器人實訓教學的探索

摘 要：隨著工業機器人技術的不斷發展和廣泛應用，工業機器人在我國的銷量逐年增長，市場對工業機器人專業人才的需求愈加旺盛，高校也致力于培養出滿足市場需求的工業機器人技術相關人才。依據工業機器人專業教學實踐經驗，文章分析了工業機器人專業實訓教學中普遍存在的問題，以及虛擬仿真教學的利弊，探討了采用虛擬現實技術構建工業機器人實訓教學平臺，為解決當前工業機器人實訓教育中存在的問題提供了一種高性價比的可行性方案。

關鍵詞：虛擬現實 工業機器人 實訓教學

中圖分類號：F240 文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914（2024）07-188-02

一、引言

工業機器人技術是結合了計算機、自動控制、傳感器、先進制造等領域技術的新技術，隨著我國制造業轉型升級，工業機器人技術作為發展的重要領域之一，其應用領域也愈加廣闊。隨著工業機器人應用的增加，與工業機器人裝調、編程、維修相關技術人才的需求也相應擴張。鑒于當前市場對人才的需求，很多高校也開設了工業機器人專業。培養工業機器人技術應用型人才，重點是培養學生工業機器人技術相關的實踐應用能力，因此，建設工業機器人實訓室，做好實訓教學顯得尤為重要。

目前，依據教育部的倡議，很多院校采用“虛擬引領、虛實并進、實踐為本”的教學策略，在實物教學的同時，開展了工業機器人相關的虛擬仿真教學，并取得了一定的積極效果，但是仍存在不足之處。文章闡述了當前工業機器人技術實物教學中存在的問題，分析了虛擬仿真教學的利弊，探討了采用虛擬現實技術創建工業機器人實訓教學平臺，創造實踐環境，讓學生在充分的訓練中掌握工業機器人的相關知識和操作的形式，為解決當前工業機器人專業教學中存在的問題提供了一種良好的解決方案。

二、傳統實訓教學存在的問題

工業機器人實訓是提高學生動手實踐能力及創新能力的重要環節。實訓教學的效果直接影響了學生操作技能水平。工業機器人專業作為近幾年開設的新增專業，各院校對該專業的實訓環節建設還處于起步探索階段，目前，雖然已經積累了一定的經驗和成果，但是仍然存在很多不足，普遍存在問題如下：

（一）資金投入大

工業機器人設備價格高，一臺工業機器人的價格約十幾萬，滿足教學需要的工業機器人實訓室建設需要大量資金投入。另外，工業機器人更新換代速度相對較快，更新設備才能掌握最新技術，若長時間不更新設備，容易造成設備老舊，更新設備的同時也會閑置舊設備，造成資源浪費。由于工業機器人專業相關設備價格高，因此，很多學校只購買學習單一品牌的工業機器人，多數學校也沒有建設工業機器人實訓工作站，學生缺乏系統的多機器人配合實訓的鍛煉。

（二）危險性大

學生實訓過程中，由于操作不熟練或者未按操作規程正確操作，易造成零件丟失或工具及設備的損壞。由于工業機器人實訓過程中需要操作機器人，如果學生未按規定設置工業機器人的安全運行速度，容易使機器人或者周邊設備碰撞損壞，甚至發生學生人身安全事故。另外，工業機器人設備體積較大，為了安全起見，通常設置有安全操作區間，因此，實訓室還需要較大的空間。以上問題均影響著工業機器人實訓的教學效率。

（三）實訓效果不佳

由于實訓設備不足，對于班級較多的情況，實驗室的利用率較高，教學時間安排不夠友好，設備的頻繁使用也增加了維護成本，而且一旦設備出現故障，對教學工作將會產生較大的負面影響。教師上課通常采用分組輪流實訓，部分同學學習積極性不高，空閑下來容易躲著玩游戲，而且分組實訓過程缺少有效監控，學生操作時敷衍應對操作任務，學生未得到充分鍛煉，導致實訓效果不佳。而且受到設備限制，學生無法進行工業機器人相關知識的全面學習和鍛煉，進入企業工作后能力無法勝任崗位需求，學校的人才培養質量無法得到企業的信任。

三、虛擬仿真技術在實訓教學中的優缺點

虛擬仿真軟件分為通用軟件和專用軟件。目前，工業機器人四大家族都有公司研發的專用機器人虛擬仿真軟件。虛擬仿真軟件能夠脫離現場條件的限制，參照實際工作場景，模擬搭建焊接、碼垛、搬運、噴涂、裝配等多種虛擬三維工作情境。相比于實際工業機器人工作站，工業機器人虛擬仿真軟件具有操作性強、安全性高且成本低等優點，通過虛擬仿真軟件開展教學，擺脫了場地和設備的局限，更易于集中教學，提高教學效率。同時學生可在模擬的工作場景中了解實際崗位要求，帶著目標進行實訓學習，培養學生崗位適應能力，實現學校教學內容緊扣實際崗位能力需求。由于軟件交互性強，學生在學習過程中能得到直觀結果，也能方便地進行修改和測試，激發了學生的學習能動性和創造力。

部分學校由于缺乏工業機器人技能大賽實訓設備，往往無法在技能大賽中取得好成績，如果根據大賽的要求開發仿真軟件，無需購買大賽使用的設備，學生也可以進行技能大賽訓練，學生若能在大賽中取得佳績，不僅提升了自身能力，還可以提高學校的影響力。

雖然學生通過使用虛擬仿真技術能夠有效地訓練操作能力，解決實訓教學中存在的部分問題，但電腦上顯示的虛擬仿真軟件和現場真實情景存在著較大的差別，無法鍛煉學生解決現實問題的能力。同時，在電腦軟件環境下操作，部分學生無法產生帶入感，無法建立起真實環境下的操作安全意識，在實操中容易發生違反操作規程的行為。虛擬仿真編程雖然不占用機器人工作時間，但是對離線編程軟件本身質量要求較高，目前，市面上通用的離線編程軟件數量少而且價格貴，對使用者的要求較高，因此，難以大范圍推廣。

四、虛擬現實技術

虛擬現實技術（英文名稱：Virtual Reality，縮寫為VR）是20世紀發展起來的一項全新的實用技術。虛擬現實技術結合了計算機、電子信息、仿真技術于一體，其基本實現方式是計算機模擬虛擬環境從而給人以環境沉浸感。

利用虛擬現實技術可以構建與實際工業機器人實訓平臺全真的仿真系統，學生戴上虛擬現實設備，通過虛擬現實仿真平臺，如同身臨其境地進行實訓操作。學生可以通過虛擬仿真軟件實訓平臺完成工業機器人的拆裝、編程與調試等實訓操作，操作程序經測試無誤后亦可下載到實際平臺上進行調試。

將虛擬現實技術引入虛擬仿真實訓教學建設中，能充分使用先進的技術設備，保證實訓條件與時俱進，解決了實訓設備數量不足的問題，同時也使課堂變得生動活躍，在不增加設備數量的情況下，保證了教學進度，提高了教學質量。其次，使用虛擬現實設備可以降低教學成本，一套VR實訓平臺的價格大概是實體實訓工作站資金投入的1/10，VR虛擬實訓過程中也不會產生零部件損壞和工具損壞等費用成本，而且虛擬現實仿真教學系統可以重復利用，設備的改進和升級主要依靠教學軟件的改進與升級，無需將硬件資源全部進行更換。再次，學生可提前熟悉實訓操作環境，極大增強學生實訓操作的安全性。

（一）基于虛擬現實技術的工業機器人實訓教學平臺

基于VR技術的工業機器人實訓教學平臺的硬件由髙性能電腦、可穿戴式頭顯設備、串流盒、操作手柄、激光定位器以及連接線和電源線組成。硬件部分可以選取市面上成熟的硬件設備，直接使用。基于虛擬現實技術的實訓教學平臺采用的VR軟件分兩方面。一方面是三維建模軟件，研究中需要使用三維建模的工具和技術，嚴格按照真實工業機器人的尺寸標注，一比一構建工業機器人的三維模型；同時，還需要構建實操場景、實訓需要的操作工具等的三維模型。另一方面，VR軟件需要能夠正確反映真實機器人的性能參數，軟件的操作流程要符合正確的工業機器人實訓流程。

基于虛擬現實技術的工業機器人實訓教學平臺包括了工業機器人VR實訓軟件、成績分析統計后臺、VR中控系統、VR編輯器系統和虛擬仿真云系統。學生使用工業機器人VR實訓軟件進行虛擬實訓，實訓成績和動作分析能夠實時呈現，老師通過VR中控系統進行課堂管控，后續通過VR編輯器系統持續輸出VR教學內容。整個平臺通過虛擬仿真云系統實現互聯互通。虛擬現實技術的實訓教學平臺包含的軟件中，工業機器人VR實訓軟件、成績分析統計平臺需自主開發；VR中控系統、VR編輯器系統、云系統，這三個軟件作為配套支撐軟件，可采購現成軟件產品。系統構建框架分成硬件層、基礎層、中間層和應用層四層，其中硬件層由路由器、高性能電腦、VR頭盔和服務器組成；基礎層是云系統；中間層是VR中控系統和VR編輯器系統；應用層為工業機器人VR實習軟件、成績分析統計平臺和其他VR實訓應用。

通過對實訓教學平臺的課堂管理軟件進行研究。實訓平臺建成后，將包含多套VR設備。在課堂教學中，老師需要實現對這些VR設備的管控。因此，該課堂管理軟件應當包含查看學生機狀態、老師統一打開虛擬實訓軟件、查看學生操作畫面等功能。為了保證實訓平臺的自我迭代能力，虛擬教學內容不落后于時代發展，實訓平臺還應當具有課件開發的能力。進行軟件方案的設計過程中，需要注意設計方案必須從課堂需求出發，正確體現實操流程。進行系統軟件研究前，首先進行文獻研究，查閱虛擬現實技術以及工業機器人技術的相關文獻和資料，然后進行實踐調研工作，獲取真實工業機器人工作站設備的參數和外形尺寸數據，同時詳細地了解工業機器人拆裝，工業機器人調試以及工業機器人示教與編程等操作的工藝以及詳細的步驟流程，接著進行方案設計，方案設計主要是整理出課堂教學需求，實驗知識點以及實操的步驟流程，最后進行軟件開發，首先進行人機界面的開發，然后采用3DMAX建模軟件進行工業機器人本體模型以及各個工業機器人系統工作站的結構建模，并確保建模模型與真實情況盡可能相符，最后將模型導入Unity3D軟件進行優化以及交互設計開發等。

（二）VR實訓的實施

虛擬現實教學軟件由教學模式和考核模式兩部分組成。教學模式是指工業機器人相關專業的實訓教學；考核模式是對操作者完成實訓知識點的考核統計，可作為學生的階段性學習測試。

教師在實操教學中，采取小班教學方式，可將學生4～6人分為一組進行實訓，首先向學生介紹并演示正確的操作方法之后，由學生帶上VR設備后，通過行走小范圍移動或VR手柄空間定位瞬移，根據操作信息提示通過使用虛擬手柄、選擇合適的虛擬工具，完成實訓任務。學生可以在課前課后查閱實訓指導書或者觀看實訓正確操作視頻，熟悉操作流程。實訓平臺上有操作提示功能，學生操作時可以選擇該功能，并跟隨提示進行操作練習，同時系統還有錯誤提示功能，幫助學生及時糾正錯誤，學生通過不斷地練習能夠熟練地掌握操作技能。

同時教師在教學過程中可以采用PPT、動畫、微課等多種手段輔助教學，發揮VR教學的多元化功能，學生也在全新的學習體驗中更透徹更深刻的理解和掌握知識。

五、結束語

虛擬現實技術可以構建真實立體的三維場景，場景生動逼真，使人如同身臨其境，讓學生能夠全身心地體驗到工業機器人的實操環境，有利于提升學生的操作技能，提高了課堂的安全性，有利于課堂管理，減輕了教師的工作壓力。在工業機器人實訓課程建設中，引入虛擬現實技術構建“虛擬機器人工作站”，這種新形式突破了課時時間、空間及實訓場地的限制，有效地降低了教學成本，能夠有效解決實訓設備短缺的問題，同時保證了操作的真實性，避免了實物操作下的危險性及設備的損壞風險。另外，通過搭建其它品牌機器人及其工作站，能夠讓學生得到更全面的學習和鍛煉，增強學生的能力適應性，在提升學生學習興趣的同時提高了實訓教學的教學質量和教學效率。隨著新設備和新技術的出現，平臺也可以進行再次開發，以滿足教學需求。

[基金項目：武漢城市學院教研項目（2022CYYBJY005）；2022年地方高校國家級大學生創新創業訓練項目（202213235004）]

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（作者單位：武漢城市學院 湖北武漢 430083）

[作者簡介：童小琴，碩士研究生，武漢城市學院講師。]

（責編：賈偉）