工業機器人虛擬工作站離線編程技術的教學與實施

張曉芳 秦婧 李頲

摘 要：文章闡述了工業機器人設備投入經費大，資金短缺問題，提出了構建工業機器人虛擬工作站及實施離線仿真編程的總體方案。并從案例選取、仿真系統開發、教學內容重組、仿真教學實施等幾個方面闡述了工業機器人虛擬工作站離線編程教學的具體實施途徑。通過虛擬工作站離線編程的訓練，降低教學成本，提高教學質量，提升學生技能。

關鍵詞：工作機器人虛擬工作站;RobtStudio;離線編程;仿真教學

0? ? 引言

“制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。”工業機器人技術是實現工業4.0的優先發展目標[1]。工業機器人技術是機械、電氣、軟件等多學科的融合，是智能制造的關鍵執行環節。培養工業機器人應用技術人才是國家發展戰略重要舉措。針對工業機器人應用領域人才供不應求情況，需大力推進產教深度融合，提升工學結合育人水平，系統化地培養工業機器人應用的高端人才，應多渠道多手段進行工業機器人技術崗位所需的知識和技能培養[2]。特別是信息技術廣泛應用的時代，《國家職業教育改革方案》（職教20條）、《關于實施中國特色高水平高職學校和專業建設計劃的意見》（“雙高計劃”）都提出，“運用現代信息技術改進教學方式方法，推進虛擬工廠等網絡學習空間建設和普遍應用”。國家虛擬仿真實驗教學項目提出要深化虛擬仿真教學項目的開發和建設，將教學信息化作為高等教育系統性變革的內生變量。深化信息技術與工業機器人技術教學深度融合，突出以學生為中心的教學理念，提升教學成效。

1? ? 各校工業機器人技術專業實訓條件現狀

截止到2020年，江蘇省內開設工業機器人專業的高職院校共計40多所。工業機器人技術專業建設投入巨大，用于教學的一臺多自由度工業機器人就需要十幾萬，且實訓設備維護成本高[3]，除常州機電職業技術學院、無錫職業技術學院、南京工業職業技術學院、南京信息職業技術學院等省內一流高職院校專業硬件基礎好，大多數院校存在設備數量難以滿足教學需求的問題。對于更高層次的工業機器人工作站集成系統一套動輒上百萬，且只能滿足個別培優教學，無法滿足普適教學。為了解決工業機器人專業缺少相應硬件條件支持的瓶頸問題，可采用模擬真實工業機器人應用場景的虛擬工作站等技術手段來彌補。目前對于仿真教學案例，研究還不夠成熟，案例之間相互獨立，知識技能點分散，缺乏系統性;案例的選取達不到工程應用要求的深度，使學生對知識技能點體會比較淺薄，不夠深刻，滿足不了實際企業對人才的要求。因此本課題在研究工業機器人應用的基礎上，有序、系統地構建典型工業機器人虛擬工作站，通過仿真教學的研究來培養學生工業機器人編程及系統應用能力[4]。

2? ? 工業機器人虛擬工作站離線編程的總體方案

本文所涉及的工業機器人虛擬工作站仿真編程是基于RobotStudio軟件開發的。RobotStudio是瑞士ABB公司配套的軟件，它同時兼備仿真和編程功能。支持機器人的整個生命周期，使用圖形化編程、編輯和調試機器人系統來創建機器人的運行，并模擬優化現有的機器人程序[5]。在這個軟件中，機器人是以1：1 仿真建模，在此平臺進行的程序開發可實現與實際平臺一致的效果。

先通過調研，校企深度合作，選取典型的工業機器人應用場景作為虛擬工作站案例;接著在Solidworks和RobtStudio中對工業機器人工作站進行數字建模和離線編程設計，解決技術難點;然后重組教學內容，把各知識點和技能點有效融入各個典型案例中;最后對工業機器人仿真教學的實施手段和形式進行研究，建設仿真教學的立體式教學資源，構建線上線下融合的教學方式。

3? ? 工業機器人虛擬工作站的離線編程教學具體實施途徑

3.1? 產教融合找定位，甄選設計工業機器人虛擬工作站教學案例

深化產教融合、工學結合，真正實現工作機器人專業設置與產業需求對接、課程內容與職業標準對接、教學過程與生產過程對接[6]。因此我們將智能制造工廠的典型工作案例轉化為仿真案例，培養學生工業機器人離線編程、工作站系統設計能力。案例選取具有典型性，案例之間各有側重點，各個案例構成系統的工業機器人應用場景。擬構建工業機器人典型應用的切割、涂膠、焊接、搬運、機床上下料等幾個虛擬工作站教學案例。通過對仿真案例的設計，實現對工業機器人工作站結構和空間驗證、工業節拍驗證和機器人技術研究，驗證項目可實施性，反作用于生產實際。

3.2? 校企合作攻難點，開發工業機器人虛擬工作站仿真系統

虛擬工作站仿真系統開發主要包含數字建模和工業機器人離線編程兩部分，這也是工業機器人虛擬工作站仿真教學的核心內容。需要老師熟悉RobtStudio等軟件的數字建模和機器人編程技術。加強教師培訓和企業實踐，鼓勵教師參與企業技術革新、技術服務，鼓勵老師參加“1+X”證書試點及數字孿生新技術的培訓和學習，通過深度學習，提高專業教師的職業能力[7]。通過校企合作、團隊協作，攻破工業機器人虛擬工作站仿真的技術難點，共同完成教學內容的開發，工業機器人虛擬工作站仿真系統的開發步驟如圖1所示。

3.3 工學結合促改革，重組各虛擬工作站仿真教學內容

突破了虛擬工作站構建與離線編程技術難點后，針對各個案例的側重點和典型性，對各知識點和技能點進行有效梳理，把這些融入到各個案例中，各虛擬工作站涉及的教學內容如表1所示。

3.4? 學習通泛在學習為載體，研究工業機器人虛擬工作站仿真教學實施

為進一步提升教學質量，需加強學習通工業機器人資源建設和基于學習通泛在學習指導。教師將切割、涂膠、焊接、搬運、機床上下料等幾個典型的工業機器人虛擬工作站仿真系統的開發過程錄制成視頻和制作活頁操作手冊，并整合各種線上和實體資源，在學習通上構建以本班級為單位的在線學習課程。引導學生泛在自主學習。課前學生通過學習通在線資源的學習，嘗試體驗操作;課堂利用翻轉課堂形式，老師對學生虛擬工作站操作步驟中遇到的困難進行個別輔導，靈活應用學習通的搶答、主題討論、測試、學習反饋等功能構建信息化課堂教學，實現個性化指導;課后學生通過學習通完成老師布置的拓展任務，教師通過學習通可對學生的學習效果進行評價，學生也可對教學提出反饋和建議，便于老師進一步優化，形成完善有效的教學實施與評價系統。

4? ? 結語

工業機器人仿真教學解決實訓設備數量不能滿足實訓教學需求的問題。學生可利用電腦隨時隨地進行離線編程，通過反復練習，在降低教學成本的同時提高本專業教學質量。

學生通過學習通智慧教室學習工業機器人虛擬工作站系統開發設計，可大大提高課堂效率，充分利用課后時間，每個同學都有機會獲取資源并進行有效學習，進一步激發學生學習的興趣和創新性，為后續崗位能力的提升打好堅實的基礎。

將工業機器人虛擬工作站仿真系統教學資源放置學習通云平臺，實現資源共享，為其他高職院校的教師提供了豐富的數字化教學資源和泛在學習的范式。

[參考文獻]

[1]李偉.智能制造時代高等職業教育現代化探析[J].職業技術教育，2020（28）：46-51.

[2]蔣慶斌，陳小艷，周斌.工業機器人行業人才需求與高職院校專業設置分析研究[J].職業技術教育，2018（2）：27-30.

[3]譚智.高職工業機器人技術人才培養實訓體系研究[J].教育現代化，2019（86）：36-37.

[4]蔣正炎，檀祝平.高職工業機器人技術專業課程教學資源開發路徑研究[J].中國職業技術教育，2018（11）：47-52.

[5]劉甘霖，王慧.RobotStudio在工業機器人離線仿真中的應用[J].科技經濟導刊，2019（31）：19.

[6]蔣慶斌，陳小艷，周斌.工業機器人應用領域1+X證書體系構建研究[J].中國職業技術教育，2020（23）：41-44，50.

[7]陳益飛.基于1+X證書制度的高職工業機器人技術專業人才培養途徑探索與實踐[J].湖北工業職業技術學院學報，2020（5）：1-5.

（編輯 傅金睿）