基于虛擬仿真的“機器人技術基礎”課程教學研究

摘"要：“機器人技術基礎”課程主要介紹機器人各項技術領域的基礎內容，為后續各門專業課的深入學習服務，培養學生在機器人技術方面分析與解決問題的能力，是一門理論與實踐并重的課程。本文通過分析“機器人技術基礎”課程的教學特點，結合目前在教學過程中常用的虛擬仿真技術，探討了如何豐富“機器人技術基礎”課程的教學資源，給出了該門課程教學過程中常用的虛擬仿真技術的切入點，同時將虛擬仿真技術融入大學生機器人學科競賽中，為“機器人技術基礎”課程教學改革提供思路。

關鍵詞：虛擬仿真；機器人技術基礎；課程改革

Abstract：The"course"\"Fundamentals"of"Robotics"Technology\""mainly"introduces"the"basic"content"of"various"technical"fields"of"robotics，serving"the"indepth"learning"of"subsequent"professional"courses，and"cultivating"students'"ability"to"analyze"and"solve"problems"in"robotics"technology.It"is"a"course"that"emphasizes"both"theory"and"practice.This"article"analyzes"the"teaching"characteristics"of"the"course"\"Fundamentals"of"Robotics"Technology\""and"combines"the"commonly"used"virtual"simulation"technology"in"the"teaching"process"tonbsp;explore"how"to"enrich"the"teaching"resources"of"the"course.It"also"provides"the"entry"point"for"the"commonly"used"virtual"simulation"technology"in"the"teaching"process"of"this"course.At"the"same"time，virtual"simulation"technology"is"integrated"into"the"college"robotics"competition，providing"ideas"for"the"teaching"reform"of"the"course"\"Fundamentals"of"Robotics"Technology\".

Keywords：Virtual"Simulation;Fundamentals"of"Robotics"Technology;Course"Reform

1"概述

“機器人技術基礎”課程是一門典型的工科專業基礎課。當前，在高校中機器人工程、智能制造、人工智能等新興專業和機械工程、自動化、電子信息工程、計算機科學與技術等傳統專業都開設“機器人技術基礎”這一課程。這些專業都與機器人技術有著緊密的聯系，培養的學生需要掌握機器人技術的基礎知識和應用技能。

虛擬仿真技術是通過專業的軟件和技術，構建出“機器人技術基礎”課程的各項虛擬教學資源。利用該資源模擬真實的機器人工作環境，包括機器人結構、傳感器、控制器等各個部分，讓學生在虛擬環境中進行實踐操作。李能菲等［1］通過RobotStudio虛擬仿真軟件進行機器人教學和場景再現等教學操作，讓學生對教學具有直觀的認知，了解并且熟悉機器人訓練操作方式，提高學生的學習速度。姜虹等［2］分析了虛擬仿真機器人環境的應用對智能機器人教學的影響，從多個角度提出具體的教學實施策略。劉相權［3］在MATLAB環境下，用Robotics"Toolbox建立了該機器人的運動學模型，繪制了機器人末端運動軌跡，并進行模型的求解。郝建豹［4］在機械加工、小家電加工、陶瓷產品生產行業，對基于虛擬仿真建設的工業4.0智能制造生產線的架構、工序等情況進行了詳細說明，并對虛擬仿真技術的發展進行了展望。

2"“機器人技術基礎”課程特點

機器人技術涉及機械、電子、控制、計算機等多個學科領域的知識，因此，“機器人技術基礎”課程具有較強的綜合性，需要學生具備較全面的知識基礎。該課程在教學中主要有以下三個特點。

（1）實踐性強。機器人技術是一門實踐性很強的技術，“機器人技術基礎”注重實踐教學，需要學生通過大量的實踐操作來掌握相關技能。通過實驗、課程設計等實踐環節，讓學生親自動手操作、設計機器人，加深對理論知識的理解和掌握。

（2）創新性高。機器人技術隨著科技進步，不斷創新和發展的領域，需要學生具備較強的創新意識和能力。“機器人技術基礎”課程鼓勵學生進行自主探索和創新設計，通過創新實踐項目等方式，培養學生的創新能力和解決實際問題的能力。

（3）團隊協作性高。“機器人技術基礎”課程注重培養學生的團隊協作能力，通過分組實驗、課程設計等方式，讓學生在團隊中相互協作，共同完成任務。

總體來說，“機器人技術基礎”課程是一門綜合性強、實踐性強、創新性要求高、團隊協作要求高的課程，對于培養學生的機器人技術應用能力和綜合素質具有重要意義。

3"基于虛擬仿真的“機器人技術基礎”課程教學改革方向

3.1"虛擬仿真技術應用于課程教學的意義

從“機器人技術基礎”課程特點可知，該課程需要設計大量的實踐實驗環節去進行教學，以培養學生綜合應用、解決問題的能力。但傳統的實驗教學往往是基于實物的，受到設備數量、實驗場地等因素的限制。而虛擬仿真技術可以打破這些限制，實現多人同時在線實驗，還可以對實驗過程進行回放、分析和評估，幫助學生更好地理解和掌握實驗內容。將虛擬仿真技術應用于“機器人技術基礎”課程教學有以下意義：

（1）豐富實驗教學資源。利用虛擬仿真技術，可以制作出豐富多樣的教學資源，如機器人三維模型、動畫演示、交互式課件等。利用這些資源可以幫助學生更直觀地理解機器人的工作原理和操作方法，激發學生的學習興趣。

（2）創新實驗教學模式。通過虛擬仿真技術，可以設計出各種實驗項目，不再受限于實物數量，讓學生在虛擬環境中進行機器人的設計、搭建、調試和運行等操作，不斷探索和嘗試，培養學生的實踐能力和創新能力。

（3）推動線上線下混合式教學。線上教學可以充分利用虛擬仿真技術的優勢，提供豐富的教學資源和實驗環境；線下教學則可以通過實物操作和小組討論等方式，加深學生的理解和應用。結合線上虛擬仿真教學和線下實物教學，形成混合式教學模式。

3.2"“機器人技術基礎”虛擬仿真教學設計

“機器人技術基礎”此門課程在教學過程中一般包含機器人緒論、機器人結構、機器人運動學、機器人動力學、機器人控制、機器人語言和編程等章節內容，結合虛擬仿真技術可以制作不同的仿真視頻、實驗、實踐環節。文獻［5］以項目為導向，對機器人技術課程的虛擬仿真實驗教學改革進行了具體實踐與探索，構建了一個系統的理論與實踐有機融合的虛擬仿真實驗教學體系。表1為本門課程在實際授課過程中設計的一些虛擬仿真實驗。

在設計這些虛擬仿真實驗時，應注重實驗的交互性、真實感和可擴展性，以便學生能夠更好地沉浸在虛擬環境中，進行直觀、有趣且有效的學習。同時，實驗設計應與課程內容緊密結合，確保學生能夠通過實驗加深對理論知識的理解和掌握。圖1為我校機器人虛擬仿真實驗平臺入口，通過該平臺，學生可以完成機器人認知、工作原理、編程和仿真等方面的實踐。圖2、圖3為學生自己制作的機器人虛擬仿真工作站，通過工作站的設計、調試，學生能夠對機器人工作站的結構設計、運動學和動力學、機器人控制與編程進行實踐。

3.3"虛擬仿真技術對機器人學科競賽的促進作用

大學生參加機器人學科競賽能夠將“機器人技術基礎”“機械設計”“機器人控制”等多門專業課的知識綜合運用到作品設計和調試中，提高學生的學習興趣，培養動手能力和創新意識。運用虛擬仿真技術對學生參加機器人學科競賽允許學生在沒有實際硬件的情況下設計和測試機器人模型。這減少了制作實體原型所需的成本和時間，使學生能夠更快地迭代和優化設計。通過仿真軟件，學生可以模擬機器人在不同環境下的行為，預測其性能，并在實際競賽前發現并解決潛在問題。圖4為學生參加機器人學科競賽利用虛擬仿真進行設計的產品模型，并以此為基礎在仿真環境中進行模擬競賽，學生可以在仿真中快速測試不同算法的有效性，調整參數，以達到最佳性能，再將其應用到實際機器人上。虛擬環境為機器人控制算法（如路徑規劃、避障、物體識別等）的開發和驗證提供安全、可控的平臺。圖5為制作出來的實物作品。

結語

運用虛擬仿真技術構建虛擬仿真教學平臺，可以促進“機器人技術基礎”課程的教學改革，豐富教學資源，強化實踐教學環節，推動線上線下混合式教學。同時利用虛擬仿真技術，可以對學生的實驗過程、操作技能和創新能力等進行全面、客觀的評價，提高教學效果和質量。

參考文獻：

［1］李能菲，黃瓊，常輝.虛擬仿真在工業機器人自動生產線工作站教學中的應用［J］.無線互聯科技，2022，19（07）：146149.

［2］姜虹.機器人虛擬仿真教學在機器人教學中應用的探索［J］.高考，2019（02）：261.

［3］劉相權.MATLAB在機器人虛擬仿真實驗教學中的應用［J］.教育教學論壇，2018（15）：261262.

［4］郝建豹，曹銀華，譚華旭，等.虛擬仿真技術在機器人生產線設計中的應用［J］.廣東科技，2021，30（02）：4449.

［5］陳光榮，陳亞瓊.“機器人技術基礎”課程虛擬仿真實驗教學研究［J］.實驗室研究與探索，2022，42（10）：159164.

基金項目：武漢商學院2020年校級教研課題：基于虛擬仿真的線上“金課”建設研究——以《機器人技術基礎》課程為例（編號2020N014）；武漢商學院2022年度人才培養改革試點班——機器人工程專業中英國際創新人才培養改革試點班

作者簡介：周浩（1980—"），男，漢族，湖北鄂州人，碩士研究生，講師，研究方向：機器人運動規劃、系統集成技術等。