基于虛擬仿真技術的機器人專業教學方法探索

許侃雯，李 洋，2，吳群彪，2，方海峰，2

（1.江蘇科技大學 蘇州理工學院，江蘇 張家港 215600；2.江蘇科技大學 機電與動力工程學院，江蘇 張家港 215600）

0 引言

立足國家“新工科”發展思路，構筑“互聯網+”教育新模式，學校越來越強調對學生實踐能力和創新能力的培養[1]。以機器人工程專業為例，隨著畢業班學生的實踐課程如機器人系統集成實踐等課程的加入，機器人實驗室數臺工業機器人實物難以滿足實際的實驗課和實踐課的需求，且學生使用工業機器人的過程中由于操作不當，存在較大的安全隱患，導致設備出現損壞甚至傷害學生。基于以上情況，筆者的學校展開將虛擬現實（VR）和增強現實（AR）技術引入到機器人工程專業課程教學中，利用現代的前沿技術改變傳統的教學模式，使學生能更好地融入機器人工程專業相關課程的實驗和實踐中，感受機器人的魅力。

虛擬現實技術（VR）融合多種先進技術，包括數字圖像處理、多媒體和人工智能，借助于電腦模擬出三維環境的虛擬空間世界；增強現實技術（AR）是指利用計算機生成的二維、三維的物體或者信息資源，經過手機或者其他設備的攝像頭，疊加到真實場景中，從而達到真實的感官體驗[2-3]。筆者認為應該將虛擬仿真技術將其引入教學實踐中。基于虛擬仿真技術的研究基礎，結合筆者的學校機器人工程專業的教學實際，展開在機器人工程專業相關課程的教學思考及方法探索，讓抽象問題具體化，強化學生對工業機器人機械結構、控制系統、實際應用等知識點的理解，將虛擬仿真技術應用到機器人工程核心專業課及實踐課程的教學應用中去，提高工業機器人專業學生的獨立思考能力和綜合應用能力[4-7]。

1 高校機器人工程專業教學現狀

對于機器人工程專業，大型工業機器人儀器、設備在其實驗課和實踐課中占據至關重要的地位。首先，它是高校培養應用型技能人才的重要保障；其次，也是測評高校人才培養質量的重要指標；同時，它也是學生參與創新創業項目、學科和技能競賽的必要支撐條件。不僅如此，對于多數工科院校，大都存在機器人實驗器材由于長期使用造成的損壞，并且實驗設備相對老舊、沒有及時更新換代；同時，由于學院經費問題，無力購買足量的昂貴的機器人實驗設備等問題。進而造成不能保證每一個學生都能順利使用機器人實驗設備與儀器的問題，導致不少機器人工程專業的實驗課程只能利用仿真分析軟件進行教學，甚至被迫停止或者中斷。

此外，對于我校機器人專業實踐課程現狀，其所需的機器人儀器、設備需較大的占地面積，部分實驗設備無力購買，致使部分機器人課程無力開展；且由于學生沒有經過專業培訓，操作不當，在拆裝某機器人工作站的過程中導致其損壞，造成學院的巨大損失，致使該實踐課程的教學方式僅由老師演示、學生觀察的現狀，學生無法在實踐中得到實操經驗，達不到實踐課程目標，致使學生的動手操作能力和實際操作能力得不到較好的發展，進而造成畢業班學生的畢業設計質量一般的現狀。

2 虛擬仿真在機器人課程中的優勢

2.1 提高教學安全性

工業機器人相關實驗設備在操作前需要對學生進行“注意事項”的講解，如：操作機器人時必須佩戴頭盔；禁止扳動機器人和摔傷示教器，禁止倚靠設備；手動操作時，禁止頭部靠近工具末端進行示教作業；發現機器人異常動作或機器人處于危險狀態時立即按下最近急停按鈕等。采用RobotStudio、RobotGuide 或Unity等虛擬仿真軟件在電腦上模擬實際工作站，可在操作前及時發現機器人未按照正常路徑動作等問題并及時改正，避免機器人因操作不當造成的損壞，以及避免機器人傷人事件的發生，保證教學的安全性。

2.2 提高教學趣味性

針對傳統機器人專業教學中存在的枯燥、死板的教學模式，學生對機器人編程等相對危險實驗產生抵觸學習的情緒，機器人工程專業引入虛擬仿真技術教學使學生體驗置身其中的感覺，其創建的三維畫面彌補二維的不足，使知識點更加形象化、具體化，讓學生身臨其境體驗機器人教學的趣味性，引發學生學習機器人的興趣，提高教學效果。

2.3 降低教學成本

機器人本體價格在數萬元不等，另外相關組件一套也在萬元以上，在拆裝實驗中需非常規范精細化的操作，不可能實現人人動手進行拆裝，且多數學生裝回后的機器人無法動作或產生精度問題，導致學校的損失；另外，一臺具有綜合功能的技能考核實訓臺的價格更是高達數十萬元，該實訓臺的數量與學生人數不成比例。故采用機器人實物進行教學，成本太高且難以滿足學生實際需要。開發工業機器人拆裝、測繪與技能操作等虛擬仿真實驗，可以有效解決學生“聽”實驗、“看”實驗的困境，讓人人參與實驗，全面了解機器人組成及其工作過程，理解機器人控制系統、機械系統和傳感系統等，節約教學成本，提升教學質量。

2.4 延伸并拓展傳統教學

我校將進一步推進課程的持續性建設，將結合企業實際工程需要不斷將新內容引入虛擬仿真技術教學，同時將機器人專業領域的發展的最新成果引入教學，促進教學內容的加速更新，使教學內容更加富有新時代的特征。同時，將虛擬仿真技術引入創新創業項目、學科和技能競賽，采用互聯網共享資源模式，帶動行業兄弟院校，促進行業領域乃至更廣范圍的工業機器人技術實踐教學水平得到大幅提升。

3 虛擬仿真技術在機器人專業教學的應用

鑒于虛擬仿真技術在機器人專業的教學中優勢較為明顯，其發展極大推動教學活動，接下來對其的具體應用進行分析與探索。

3.1 課堂理論教學中的具體應用

理論課教學仍是機器人工程專業教學的重中之重，傳統模式下機器人專業的理論教學主要還是書本與多媒體課件的結合，書本知識的理論化講解及一些多媒體的動圖、視頻的觀看，學生對其缺乏興趣。比如：講解工業機器人時，老師僅能對其機械結構、控制系統、傳感器系統等做大致的講解，并給學生觀看相關工業機器人焊接、搬運、碼垛等視頻，教學效果不理想。但運用虛擬仿真技術后，該問題便迎刃而解。比如講解機器人本體結構，虛擬的機器人實物將展現在學生面前，讓學生全方位、多角度的了解不用種類的工業機器人，并可對其進行分解與拆裝，加深學生對工業機器人本體結構的了解，了解其機身及臂部、腕部及手部和傳動及行走機構等；比如講解機器人的軌跡規劃，無需再給學生講解插補方式的分類，如直接插補、圓弧插補等，學生難以理解。老師可在虛擬仿真軟件中直接添加機器人工作站，調用不同種類的機器人，對其進行相應的編程，講授具體的軌跡指令，直接讓學生觀察末端執行器的軌跡，并對其進行優化分析，提升學生的創新能力；比如講解工業機器人，虛擬仿真技術可讓不同的工業機器人將呈現在學生面前，如：焊接機器人、噴涂機器人和裝配機器人等，讓學生近距離接觸工業機器人，感受工業機器人的魅力。虛擬仿真技術可改變傳統模式下的理論教學，讓學生身臨其境的感受機器人的虛擬環境，加深學生對機器人的興趣，激發其創新熱情。針對后疫情時代，學生因疫情原因無法到班級開展線下教學，多數采用線上教學的情況，教師可采用線上教學的形式給學生直接展示虛擬仿真機器人工作臺，結合理論課的教學，使得授課效果顯著。

3.2 實驗課程教學中的具體應用

由于學校經費、資源有限，實驗課程教學中人員設備比過于懸殊，十多位同學使用一臺機器人進行操作的情況比較常見；若將學生進行分組進行實驗，又大大加重教師的工作量，上述兩種情況下教學效果極不理想，亟需改進。運用虛擬仿真技術能很好解決這一問題，在軟件中導入相關工業機器人數字模型，建立虛擬仿真平臺。比如對勃朗特工業機器人進行拆裝維護的實驗，包括機器人機械結構認知、機器人本體及控制器拆卸與安裝和機器人基本操作等。拆卸與安裝的實驗中，學生很容易由于操作不當引起零件的缺失和混亂，導致拆卸后的機器人部件無法還原成，造成機器人損壞的嚴重后果；機器人基本操作的實驗中，學生實際使用示教器進行調試，會存在安全問題，實驗有一定的危險性。運用虛擬仿真技術可改變傳統模式下的實驗教學，避免零件遺漏或者機器人傷人的事件發生。通過虛擬仿真技術來模擬實際拆卸與安裝的全過程，學生沉浸其中的了解工業機器人本體的基本機械結構，清楚各部分的工作原理。同時，在保證學生安全的前提下，虛擬仿真技術能夠更好地將理論與實際相結合，具備解決復雜工程應用問題的基礎，提升學生的綜合能力。

3.3 實踐課程教學中的具體應用

機器人專業的實踐課程是本專業極為重要的環節，我校提出基礎實踐能力、綜合實踐能力和應用職業技能的“三遞進”實踐培養模式。對于大一、大二學生進行基礎能力訓練，吸引學生進入實驗室，培養與激發實踐動手興趣；對于大二、大三學生通開展工程機器人、水中機器人、智能車等校內賽，分項選拔，進行有專業特色的綜合實驗；對于大三、大四學生構建工程創新中心實驗室，集教學和科研于一體，并與相關教育培訓機構等合作，進行職業技能與科研能力拓展。但由于疫情原因，學生出校相對不便，且由于學校場地、設備限制，多數高校校內不具備開展實踐課程教學的水平，導致學生無法深入了解機器人的核心實踐課程，如：機器人系統集成實踐、機器人工程專業綜合課程實踐等，導致學生動手操作等能力無法得到提升。但運用虛擬仿真技術能很好解決這一問題，提高機器人專業學生的實踐能力。以FUNAC 工業機器人技能考核實訓臺的操作為例，該實踐課程包括機器人基本操作、坐標系標定、激光雕刻模塊變成和搬運模塊編程等，引入虛擬仿真技術均可完成操作。對于生產實習環節，虛擬仿真技術可創建不同的工作站場景，學生可根據自己的興趣和喜好選擇場景進行實訓，為以后的畢業設計提供幫助，為工作與就業打下良好基礎。使單純的教學轉變為培養學生的實操能力，起到良好的教學效果。圖1 和圖2 分別為虛擬仿真技術下的分揀機器人和搬運機器人。

圖1 分揀機器人仿真工作站

圖2 搬運機器人仿真工作站

4 結語

機器人工程專業的課程具有較強的綜合實踐性，傳統教學模式對學生的發展造成了極大的限制。將虛擬仿真技術應用到機器人專業的理論教學、實驗教學和實踐教學中，達到強化學生理論學習成效的同時，提升學生的實踐動手能力，提前融入畢業設計的實踐中，使學生具備從事機器人技術相關工作的資格，培養學生分析解決實際生產問題的能力，培養學生的專業創新思維和工程意識。