工業機器人的虛擬仿真技術在信息化課程教學中的有效應用＊

夏中堅

（江蘇省淮陰商業學校，江蘇 淮安 223001）

先進的制造工業中，工業機器人作為發展的重要手段，具有不可替代性，同時衡量了這個國家的制造水平與科技水平。目前，我國處于工業技術轉型并且加快發展的關鍵時期，機器人產業作為工業機器人的重點部分，正是我國工業生產降低成本、免受環境制約等重要發展的良好選擇。近年來，工業機器人行業得到了快速的發展，市場對其的需求量非常大。工業機器人的發展帶動了機器人領域的發展。但是在機器人領域發展中，缺失技術水平高、綜合能力強、素質比較高的專業人才，產業發展遇到瓶頸時，專業人才缺失，無疑會對發展造成巨大影響。所以，多個國內的中專與大專院校也開展了工業機器人專業，為國家重點培養目前緊缺型人才。但是由于和發達國家相比較，我國工業機器人的人才培養起步較晚，各院校對于專業的發展、實訓課程的建設等還處于探索階段，再加上每個學校對工業機器人昂貴設備的投入差距，導致專業發展良莠不齊。因此，通過虛擬的仿真技術，能夠提升教學在實操訓練中的質量[1]。例如美國ABB 機器人公司研發的RobotStudio 仿真軟件，界面相互交錯，操作易懂便利，能夠對實際的工作環境進行模擬，滿足老師與學生們在教學過程中實驗的要求，解決了實操困難的重要問題。

1 虛擬仿真技術在信息化教學中的作用

1.1 能夠有效減少教學成本，提高操作安全性

因我國目前在機器人教學實驗中建設成本比較昂貴，光是工業機器人一臺設備就要四五十萬，一個實訓室的建設至少要200 萬以上。所以這對實訓場地和資金的要求都比較高。而如果使用虛擬仿真軟件，雖然前期投入有點大，但是從長期考慮，這不僅能夠在一定程度上滿足學生的實訓要求，而且還降低了教學成本的投入，最重要的是能夠滿足一個學生一臺機器的操作訓練，確保每一個學生在學習中均能享受到相同的教學效果與訓練，同時能夠避免操作訓練中機器人產生碰撞等危險情況產生，保證了操作課程中的安全性與準確性。

1.2 能夠激發學生的學習興趣和創造力，培養學生主動學習的意識

工業機器人RobotStudio 仿真軟件能夠有效構建虛擬三維實訓場景，模擬真實場景，有利于學生提前熟悉實際操作的環境與內容。由于其交互性強，學生能夠快速掌握操作的技巧，對學習過程中出現的問題進行驗證，并得到直觀的結果，因此極大地激發了學生的學習創造力，培養了學生學習的主觀能動性。

1.3 能夠搭建實際的操作情境，實現實際工作環境的無縫對接

工業機器人RobotStudio 仿真軟件能夠模擬仿真焊接、碼垛、搬運、噴涂、裝配等多種現場的工作，學生可脫離現場條件的束縛模擬搭建實際崗位情境，通過仿真操作可了解實際崗位要求，培養自身提前適應崗位的能力，實現實訓教學內容與實際工作崗位能力的無縫對接。

2 RobotStudio仿真軟件在信息化教學中的應用實例

在仿真軟件教學中采用任務驅動法，將學生分成若干個小組，分組讓機械手在機器人工作臺上繪制三角形或矩形的場景，從而進行模擬。仿真過程分為布局基本工作站、建立機器人虛擬系統及工件坐標、建立并調試示教路徑、再現示教路徑四個部分[2]，如圖1所示。

圖1 直線路徑示教及再現的仿真過程

第一，機器人使用的工具為畫筆，合理導入工作臺模型。第二，依據布局來設置機器人系統，建立機器人虛擬操控器，讓機器人具備電器操控特點，并且在工作臺中設立三個工作坐標點。第三，使用機器人“手動線性”進行操作，利用設定好的定位來調整機器人位置，之后確定教學，手動線性對話的設計如圖2所示。使用MvoeJ 與MoveL指令展開教學編程，直線軌跡指令如圖3所示。第四，把教學路徑和虛擬控制器進行同步，啟動仿真軟件同時實現教學路徑圖。下圖4為直線軌跡與教學再現的實現成果。

圖2 精確手動線性對話框

圖3 直線軌跡指令參數

圖4 直線軌跡的示教及再現

利用工業機器人虛擬仿真軟件RobotStudio為學生提供現場化教學的同時還能重現仿真教學，讓學生們能更容易理解工業機器人的概念，把握其在工作中的基本需求，掌握程序指令使用的調節與編程，更了解工業機器人的使用方式[3]，為將來的工作打下堅固的基礎的同時，還更加了解工業機器人的實際操作過程。另外，通過軟件的仿真，也能讓學生熟悉工業機器人的模擬操作，避免在實際操作過程中因為誤操作而撞壞昂貴的設備，導致不必要的損失。

3 虛擬仿真技術在使用過程中存在的問題及解決策略

3.1 存在問題

3.1.1 與現場設備的實際操作還是存在一定的差距

但虛擬仿真畢竟不是真實的設備，它也代替不了真實的設備，它和現場實際操作存在著一定程度的差距，比如在軟件操作中學生最容易忽視的就是安全意識，通過軟件操作，很容易忽視安全意識，容易麻痹大意，還有很容易忽視工業機器人的安全操作規程，等等。因此，遇到這樣的問題，同學們就會欠缺解決突發事件的能力。

3.1.2 難以滿足所有不同型號設備的教學需求

一些學校設立的工業機器人操作實驗室，因日常教學與比賽的原因，會建設類型不同的工業機器人教學訓練室，在利用仿真軟件過程中，只能使用某一個單一型號的教學軟件，它難以兼顧不同品牌的機器人。

3.2 解決策略

3.2.1 虛實結合，有效開展信息化教學

教師在教學過程中，不能一味地只追求信息化教學，要把仿真虛擬技術和實際機器操作有效地結合起來，并把它們之間的差異表述明確，研究透徹，給學生樹立良好的學習習慣，也向同學們強調實際操作的重要性。要讓學生嚴格按照實際操作規范進行訓練，具備較強的安全操作認知，讓學生們順利實現虛擬操作和實際操作之間的融合。

3.2.2 以點概面，建設工業機器人專業的信息化課程體系

RobotStudio 仿真機器人軟件在使用過程中，不能和其他的仿真軟件進行兼容，成為了面臨的最大問題。對于這個問題，必須設立一個統一的虛擬仿真操作教學課程，以該軟件作為學習基礎，提高學生對其他品牌機器人的理解和操作能力。因此，老師要通過數據化資源平臺努力建設不同品牌的仿真機器人教學課程，并且在不同的虛擬仿真機器人軟件中進行操作之前，均需要了解其特點，同時對其進行歸納與總結，拓寬學生對知識的認知面[4]。

4 結語

RobotStudio 虛擬仿真軟件可以進行機器人教學和場景再現等教學操作，讓學生們對虛擬仿真操作具有更強的理解能力，對教學也具有直觀的認知，了解并且熟悉機器人訓練操作方式，提高學生的學習速度，同時還能確保學生們理解掌握其中的重點，突破教學難題。此外，利用這種教學方式，能夠確保學生們的安全，同時還能避免在實際操作過程中對機器人造成的損失與破壞。實操教學和仿真教學相互結合，提升了教學的整體效果。