“虛實結合”工業機器人設備在高職教育中的應用

吳芬

摘? ?要：“虛實結合”工業機器人實訓設備，具有真實的示教器、控制器、虛擬的本體（機械結構）以及系統軟件。該設備在南京機電職業技術學院機電一體化技術專業（工業機器人方向）人才培養中、在專業核心課程教學中，都發揮了重要作用。學生使用該設備進行訓練，能在較短的時間內，較好地掌握工業機器人操作、編程、調試等技能。與真實機器人設備相比，該實訓設備投入資金少，需要場地面積小，技能訓練安全性高、效果較好。文章對此進行了分析與研究。

關鍵詞：工業機器人;虛實結合;技能

1? ? 國內工業機器人發展現狀

在智能制造大背景下，工業機器人正在國內引發一股熱潮，其應用除了傳統的汽車、機械、電子電氣、航空等領域，目前在家電、食品、物流等領域也快速發展。工業機器人的應用水平是一個國家科技水平和制造業水平的重要體現，是先進制造業中不可或缺的技術和手段[1]。

國內大中城市，不少已建立了專門的機器人產業園（工業區）。機器人產業的快速發展迫切需要大量懂操作、會編程、擅維護的高素質、高技能的專門人才。各地區生產和使用工業機器人的企業，特別是沿海工業發達地區，對工業機器人應用人才的需求量很大。國內的現狀是，許多企業想引入機器人方面的專業技術人員，但是國內早先開設機器人專業的高等院校很少，近5年，有學校培養了一些與工業機器人相關的專業人才，但畢業生數量與市場需求相比，缺口很大。

2? ? 工業機器人應用人才培養

據統計，在2016年年末，全國有200多家高職院校已開設工業機器人技術或相近專業，還有不少院校計劃在不久的將來開設該專業。

要想培養工業機器人應用人才，肯定離不開定位明確的培養目標、專門的實訓設備、專業的師資、創新的課程體系等。企業對于專業人才的具體要求，較大程度上可以轉化為高等院校相關專業人才培養目標。專業教學與訓練，要依托院校已有的實驗實訓設備。目前，真實工業機器人設備、價格昂貴、占地較大，巨大的資金投入和場地建設是各院校工業機器人技術專業建設面臨的大問題。

3? ? 南京機電職業技術學院機電一體化技術專業（工業機器人方向）人才培養

3.1? 人才培養目標

南京機電職業技術學院于2016年3月修改機電一體化技術專業人才培養方案，將工業機器人列為該專業的專業方向，課程體系隨之做了調整。修改后的人才方案指出（培養目標），本專業著眼中國制造2025，培養德、智、體、美全面發展，掌握機電一體化技術專業必備的基本理論和基本方法，具備工業機器人編程與操作、機電設備（工業機器人）安裝與調試、技術支持與管理等專業能力，具有批判性思維、團隊協作、創新實踐等職業核心能力，能從事工業機器人及其相關機電設備的編程與操作、安裝與調試、技術支持與管理等工作的具有一定創新能力的高素質技術技能人才。本專業主要面向機電設備（工業機器人）應用領域，畢業生初次入職時能夠從事工業機器人編程與操作，機電設備（工業機器人）安裝與調試，工業機器人技術支持與服務等工作;在工作1～3年積累一定工作經驗后，能夠勝任工業機器人系統集成等升遷崗位的工作。

3.2? 專業核心課程

在確定了教育目的之后，通過什么樣的課程設置來反映和落實教育目的則是最重要的問題，這是因為課程是反映教育目的的具體內容和載體，也是學校教育活動的中介，學校的一切教學活動都是以課程為中介展開的[2]。

自動化工程系機電一體化技術專業（工業機器人方向）新的人才培養方案中，“工業機器人技術”“工業機器人操作與編程”“機電設備安裝與調試”“工業機器人離線編程與仿真”“工業機器人綜合實訓”都屬于工業機器人方向的專業核心課程，具體如表1所示。

這幾門課程之間，知識的學習與技能的訓練有著較強的內部關聯性。此外，這些課程的開設，都離不開工業機器人設備。系部工業機器人方向每年招生約200人，要安排這么多學生的實習實訓，對于工業機器人設備數量要求多，這需要學院投入大量的資金及場地進行實訓室建設。對于南京機電職業技術學院而言，投入巨額資金購買設備和建造寬敞的實訓場所不是一件容易的事。

進一步來說，南京機電職業技術學院即使投入巨資購買較多數量的機器人設備，這些設備的正常使用與維護也需要專人負責。在日常教學過程中，由于學生缺乏機器人相關的知識與經驗，新手直接操作真實機器人可能會造成這些設備故障或損壞。更嚴重的是，學生在操作機器人設備過程中可能會發生安全事故，造成人身傷害或者財產損失。因此，出于對學生的身心健康以及生命安全等因素考慮，真實的機器人設備在學院教學科研中很少使用。設備使用率低下，在很大程度上成了擺設。這既浪費了人力、物力、財力，也沒有實現專業人才培養目標的要求，專業建設也沒有達到預期的成效。

3.3? 虛擬仿真實訓室建設

南京機電職業技術學院工業機器人實訓中心建設共分兩期。第一期3個實訓室：工業機器人虛擬仿真實訓室、工業機器人裝調實訓室、工業機器人工作站實訓室已于2016年12月建設完成并投入使用。這些設備主要面向學生的專業教學、實訓，以機器人基礎應用為主。第二期以“四大家族”品牌的大中型機器人（工作站）設備和西門子電氣設備為主，主要面向部分學生的高技能訓練和面向企業技術人員的中、高端培訓。

南京機電職業技術學院于2016年年底完成了工業機器人虛擬仿真實訓室建設（約60 m2，有實訓設備21套），該實訓室使用南京旭上數控技術有限公司研發生產的工業機器人教學實訓設備，設備由虛擬的機器人本體（實訓系統軟件），真實的機器人控制系統、真實的示教器等裝置組成，如圖1所示。

該實訓設備中，虛擬的機器人本體（實訓軟件）設有入門訓練場景、基礎應用場景、工作站場景，學生可以根據自己的專業能力進行選擇性練習。該軟件還支持從外部導入三維模型，教師可以使用該功用增加教學案例的多樣性，也可以根據企業產品或者特定要求，對學生進行“量身打造”式訓練。

該實訓設備的示教器可以根據客戶要求進行選配。如圖2所示。目前，ABB，KUKA，FANUC，YASKAWA機器人示教器是已有產品，可以直接通過數據線纜和實訓設備中其他部件連接并使用。其他品牌的機器人示教器，企業可以根據用戶需要進行定制化開發。

該實訓設備考慮了各院校專業教學及考核需要，具有工業機器人的理論考試并自動評分、技能考核的功能。

3.4? 專業核心課程教學實施

在教學安排上，“工業機器人技術”和“工業機器人操作與編程”課程都開設在大二上學期，但“操作與編程”課程比“工業機器人”課程開設時間晚。這兩門課程的教學與訓練都安排在虛擬仿真實訓室，能直觀展示各品牌機器人的結構及運動;可以進行機器人系統設定、坐標系切換、程序編寫與修改、程序手動與自動運行等;具有焊接、碼垛、倉庫、機床上下料等典型工作場景。上課時，學生每2～3人一套實訓設備。使用工業機器人實訓設備教學時，學生有充足的練習時間，課程能較好地訓練他們操作、編程、調試等技能。

真實的工業機器人實訓設備的控制操作，需要嚴格遵守機器人安全操作規程，一旦違規操作就可能發生危險，對學生或設備造成傷害[3]。本工業機器人實訓設備，機器人本體虛擬（實訓軟件），學生通過示教器對機器人進行操作，不會因錯誤操作步驟或方法造成機器人本體損壞，也不會因細小疏忽發生人身傷害等事故。那些初學者最容易犯的錯誤，使用機器人實訓設備時，都可以避免。

該實訓設備上編制的程序可以導入真實的機器人設備中，只做少量調整就能在真實機器人設備中運行，控制真實的機器人工作。虛實設備銜接緊密，這對于學生后續課程的學習和畢業后的工作都有較好的幫助。

“工業機器人綜合實訓”課程開設在大二下學期，通過前面相關課程的學習訓練，學生對機器人結構組成、驅動傳動、控制傳感等系統已有較清晰了解，對FANUC，ABB機器人系統設定、坐標系統、示教器設置及使用、編程與調試有較好掌握。在此基礎上，該實訓課程的教學在真實機器人（工作站）設備上進行是比較順利和有安全保障的。

4? ? 解決的主要問題

真實的工業機器人設備，例如FANUC機器人，單機的價格20～30萬左右，一個60 m2的實訓室，通常只適合放置2臺真實機器人設備。同樣的資金與場地投入，難以解決實訓設備少、場地小的困境。虛擬仿真實訓室的建設，以較小的資金與場地投入，較好地解決了教學實訓設備短缺、教學效果一般的問題。對于開設工業機器人專業的院校而言，該實訓設備可以解決他們過度依賴真實機器人設備的現狀。

從南京機電職業技術學院工業機器人實訓中心建設和教學實踐可以看出，“虛實結合”的工業機器人設備可以與真實的工業機器人設備很好地協作，在技能訓練過程中，發揮各自的優勢和長處。該設備目前已經進入多家大專院校的實驗實訓室，具有一定的行業影響力和較好的應用前景。

[參考文獻]

[1]侯遠.工業機器人專業人才培養模式創新研究[J].科技資訊，2019（11）：100-101.

[2]張忠華.關于大學課程設置的三個問題[J].大學教育科學，2011（6）：30-34.

[3]卞秀輝.虛擬仿真技術在高職工業機器人專業教學中的應用[J].南方論壇，2018（11）：27-28

Abstract：The “virtual and reality combination” industrial robot training equipment has a real teaching device， controller， virtual mechanical structure and system software. This equipment has played an important role in the professional core curriculum teaching in the training of mechatronic technology major （industrial robot direction） in Nanjing Institute of Mechatronic Technology. These students use the equipment for training who can master the skills of industrial robot operation， programming and debugging in a shorter time. Compared with a real robot equipment， the training equipment needs less investment， requires a small field area，and has higher safety and good effect. This paper analyzes and studies this.

Key words：industrial robots; virtual and reality combination; skills