虛擬仿真技術在高校機器人實踐教學中的應用研究

閻漢生

【關鍵詞】虛擬仿真技術;高校;機器人實踐教學;應用

2014年中國工業機器人銷量達4萬余臺，在全球工業.機器人市場份額中占據首位。工業機器人行業快速發展也使得相關行業人才需求矛盾日益突出，既具備豐富理論知識同時又具有實踐動手能力的復合型人才極度匱乏。高校必須承擔起人才培養的重任，當前，雖然有諸多高校開設了工業機器人課程，以求更好地滿足社會生產對于相關領域人才的需求，但是相較于歐美以及日本等國家來說，我國工業機器人教育起步相對較晚，師資力量薄弱，且工業機器人設備價格昂貴，降低了學生實踐操作質量效果。而借助虛擬仿真教學，則可以有效解決工業機器人不足的問題，教學資源能夠得到更加科學合理的分配，保證學生有充足時間進行課后練習，而且虛擬仿真技術的應用還可以避免各類安全隱患，降低教學成本，提高教學質量。

虛擬仿真技術從廣義上說，是在面對復雜關鍵問題時。為預測做的一種替代性原理模型，可以動態模擬出該問題的主要組成部分及其關系變化，實驗成本低、時間速率可調，通常能支持多次重復性試驗，找出影響問題的主要變量。從狹義上說，虛擬仿真技術是一種采用計算機圖形圖像技術為主的結合傳感器、控制器等自動化技術，通過構建虛擬模型、虛擬環境、虛擬設備而形成的虛擬仿真系統，按照預定實驗程序參數運行。可視化展示過程和實驗結果。其主要優點是避免真實試驗的破壞性、危險性、難再現和高投入問題，可以通過變量的調整，快速展示各種可能的實驗結果，從而更好地優化真實試驗的各項條件，獲得更有效的結果。

（一）激發學生創造力，提升學習主觀能動性

在高校機器人教學過程中，虛擬仿真技術可以結合不同的教學內容，為學生構建不同類型的三維實訓場景，學生在學習機器人實踐知識時，結合自身的能力水平以及知識儲備情況，選擇自己感興趣的知識提前進行自主學習。同時，虛擬仿真技術的交互性比較強，學生可以快速掌握操作的技巧和方法，針對學習過程中所遇到的種種問題進行驗證，并且快速獲得直觀結果，有效降低學生理解知識的難度，激發學生創造力，提高學習主觀能動性。

（二）降低教學成本，提高實踐操作安全性

實踐教學的關鍵就在于讓學習者自主動手實踐，但是機器人實踐教學不同于其他學科，教學過程中對所需要的專業機器人設備，提出的專業性要求比較高，且該設備的造價也較高，對于資金不充裕的高校來說其配備的教學設備數量有限，可能無法滿足每個學生上機訓練的需求，這樣不僅會影響訓練效果，還會降低學生的實踐學習積極性。而虛擬仿真技術的應用則可以有效解決該問題，虛擬仿真技術可以創設三維實訓場景，有效彌補實踐設備不足的問題，滿足學生實踐學習需求。同時。針對部分學生在課堂上沒有完全理解的實踐操作知識，在課下也可以借助虛擬仿真技術進行多次練習，對于相關知識的理解和掌握能夠更加深入。此外，傳統實操教學過程中可能會出現學生對于實操知識掌握不夠牢固。導致機器人碰撞或者是其他不良情況發生，這樣不僅影響實操的正確性，還會降低實操的安全性。

（三）有效搭建實際崗位情境，幫助學生深入掌握崗位要求

對于高校學生來說，在校學習的一系列知識都要運用到未來的職場上，并在實際工作中應用，這樣才能展現出所學知識的作用與價值。虛擬仿真技術可以為學生搭建實際崗位情境，模擬仿真焊接、碼垛、搬運、噴涂、裝配等多種實際工作，脫離現場條件的束縛，讓學生直觀地感受到自己未來走上工作崗位之后，應當具備哪些方面的技能，幫助學生明確自身當前知識學習過程中存在的缺陷和不足，樹立未來努力發展的目標，實現學校教學內容與實際崗位工作能力的運用，為學生未來的發展奠定更好的基礎。

（一）減少設備重復建設的需求

工業機器人應用范圍極為廣泛，如焊接、碼垛、搬運以及油漆等工作，都可以借助工業機器人完成，加之世界上工業機器人種類眾多，不同類型機器人在操作及使用方面也存在顯著差異，且工業機器人系統造價高昂，在高校機器人實踐教學中，將所有種類機器人和應用環境配備齊全顯然是一件難度極大的事情，這也與我國對建設資源節約型、環境友好型社會的追求背道而馳。虛擬仿真技術在機器人實踐教學的應用可以有效降低設備的重復建設，有利于構建節約型社會。

（二）提升人才培養質量的需求

傳統機器人實踐教學中，由于受到了教學設備以及師資的制約，許多高校的實踐教學都只能分批次進行，學生的實踐動手機會因此受到了極大的制約，部分學生可能在學期結束后，對于許多知識還處于一知半解的狀態，這樣就容易使得學生在學習相關知識時容易產生比較強烈的挫敗感，實踐教學效果差，學生在將來走向社會之后，所學的知識無法適應工作崗位需求，增加學生就業的難度，虛擬仿真技術應用后相關問題將會得到有效解決，學生可以在虛擬仿真技術的支持之下，自主探索自身感興趣的機器人知識。針對自己在課堂上沒有準確理解的知識，在課下反復多次練習，保證學習質量效果達到標準要求。

（三）滿足技能競賽的需求

工業機器人屬于典型的機電一體化設備，當前，為了更好地提升學生的實操能力，促使高校的教育教學工作更好地適應時代發展需要，機器人技能大賽的開展頻率大幅度增加，這種競賽等級不同，各個高校的機器人種類以及應用環境有著明顯的差異，技能大賽多元化的需求越來越高，虛擬仿真技術的應用就顯得十分重要了。通過虛擬仿真軟件的操作和應用，學生可以在各自校內充分模擬訓練承辦方的實體機器人系統，比賽前期再到承辦校經過短期的指導訓練，即可滿足現場競賽的需求。

（一）虛擬仿真與現場實際操作存在差異

如上文所述，虛擬仿真技術的應用雖然可以有效解決學生機器人實踐教學存在的一系列問題，但在實際應用過程中，不可否認的是虛擬仿真和現場實操還存在有明顯的差異，許多學生在實操中遇到與虛擬仿真環境不同時，由于自身知識儲備不足，學生解決問題的能力比較差，因此軟件操作中部分學生會因為粗心大意、缺乏安全意識的問題，導致在實際操作過程出現不遵守操作規程的行為，這樣就極大地降低了操作質量效果。

（二）虛擬仿真無法兼顧所有教學設備

當前，我國機器人工業顯然發展迅速，但實際上高校機器人專業教學實施的時間并不是很長，在教學過程中虛擬仿真技術的應用，解決了實操設備不足的問題，降低了實操危險性，有效激發了學生學習興趣，但實際上虛擬仿真技術也并非萬能，其在具體應用過程中也存在有諸多缺陷和不足，虛擬仿真技術無法兼顧到所有教學設備，學生的學習需求無法全方位被滿足。

（三）缺乏高素質的師資隊伍

優質師資隊伍是做好高校機器人實踐教學的核心所在。在實際教學中教師對于學生知識的學習有著重要的引導作用，但是由于高校虛擬仿真技術的實施時間并不是很長，在師資隊伍方面還存在有諸多缺陷，部分教師雖然有著豐富的理論知識，但實踐經驗普遍不足;部分教師對于虛擬仿真技術的了解認識不足，在學生學習過程中無法為其提供針對性的指導，導致教學效果較差。

高校機器人實踐教學中，要想有效發揮虛擬仿真技術的作用與價值，可以從以下方面著手：

（一）機器人虛擬工作場景的搭建

在應用虛擬仿真技術時，學生可以使用多種軟件按照不同的方式來搭建虛擬工作場景。第一類是類似FANUC的Roboguide，其內置了一些典型的工業機器人工作場景的虛擬模型，可直接調用，如搬運機器人。第二類是使用通用三維建模軟件如Creo、SolidEdge等軟件設計機器人的工作場景。這樣在進行機器人實訓項目建設的同時。還可以鍛煉部分優秀學生的三維建模能力。不過此類自建模型一般還需要導入專業交互軟件，才能作為虛擬場景使用。

（二）機器人虛擬通訊的連接

以UG NX為例，說明仿真系統如何與機器人進行虛擬通訊。首先在UG NX里建立機器人的虛擬工作場景。對本機IP進行固定設置，然后在博途軟件中，新增一個PLC設備，例如1200型。設置好PLC的PROFINET接口IP地址，同時開啟允許遠程對象的PUTGET通信訪問，即可將PLC程序下載到PLCSIM仿真軟件。此外，該模式還可以實現機器人的協同作業。以上的操作步驟有助于學生深刻理解關鍵的通信協議和PLC控制技術，可有效提高學生對知識的綜合應用能力。對于高風險的操作，例如焊接機器人的實際操作中，掌握通訊方法更為重要。借助虛擬仿真技術將虛實結合，學生首先可以在虛擬仿真環境中準確了解焊接的原理和操作方法，然后在真實環境中進行演練，可以有效減少各種事故發生的可能性，提高學生實習的質量。

（三）機器人虛擬工作路徑的規劃

機器人路徑規劃的目的是為了完成某個任務的相關動作，對機器人各關節設計的運動序列。簡而言之就是找一條從起始位置到目標位置的無碰撞路徑，諸多路徑中其中又以運動距離較短的路徑為較優選擇。以抓取機器人的虛擬仿真為例，機器人的動作序列分為：抓取、提升、旋轉、降低、放置等系列操作。在其機械臂運動的空間路徑上，要設置不同的角度、速度變量。設置不合理，容易導致機器人碰撞損壞，甚至威脅人身安全。利用虛擬仿真技術，可以在計算機虛擬環境中，測試路徑規劃是否安全、合理。從虛擬仿真系統中，學生可以更好地觀察機器人的運動軌跡，直觀了解機器人的實時工作姿態，查看機器人動力學狀態，進而更準確地判斷機器人軌跡規劃的合理性。部分學生邏輯思維并不是十分的嚴密。知識運用不夠熟練，但他們還是躍躍欲試。因此，為更好地發揮虛擬仿真技術的作用，在機器人實踐教學中，可以先讓學生在虛擬環境中學會如何進行路徑規劃，以便為后期的學習奠定良好的基礎。

（四）仿真演練機器人故障的排除

實際工作中應用機器人時可能會出現各種各樣的故障，學生在機器人實操時也并非一帆風順，他們也會因為操作方法不當或者是其他類型的問題，導致操作不順暢。因此在機器人實踐教學中還需要幫助學生獲取一定的故障處理能力，這樣在實踐學習以及后期走上工作崗位之后，才能順利、有效地處理類似問題。虛擬仿真技術應用的優勢之一就在于其可以人為設置一定障礙，幫助學生感知在障礙情況下應當如何采取措施并予以解決，借此加深學生對于工業機器人系統運行原理的理解和認識。如果沒有虛擬仿真技術，真實物理設備正常使用中的故障一般是隨機、難以重復的，而一旦出了故障，設備維修難度大、時間長，也會導致教學進程的暫停。人工設置物理故障，也容易發生預料之外的故障，甚至損壞設備。在虛擬仿真的系統里，教師可以任意設置虛擬元器件為故障狀態，讓學生通過自主分析或引導提示，查找到該故障點，并加以排除。恢復機器人的正常工作狀態。這種演練一定程度上可以訓練學生的設備調試和故障排除的能力。

（五）虛擬仿真教學環節的分類

在設計虛擬仿真教學環節時，要根據其內涵，例如教師演示型、學生實操型、崗位展示型，據此分為以實帶虛、以虛助實、虛實結合三種交互形式。教師講授過程中，需要演示給學生觀看的部分，做成以虛助實類型;學生課程實驗、實訓環節的部分，做成以實帶虛類型;職業崗位工作體驗的部分，做成虛實結合類型。首先，在虛擬仿真技術應用于機器人實踐教學中時，可以采用新形態VR/AR教材，學生在閱讀教材就能夠借助手機等設備掃描其二維碼，觀察虛仿軟件App呈現的三維結構和功能仿真，同時學習課本理論知識。實現理實一體化發展，避免理論與實踐彼此相互隔離的情況發生，保證學生對于機器人實踐知識有更加直觀深入地了解和認知。其次，在虛實聯系過程中，需要重點讓學生演練機器人操作流程及注意事項，這樣的話可以有效減少各類突發性事件發生的頻率，保證學生學習、操作的安全性。最后，虛擬技術應用過程中。安全事件發生的頻率雖然大幅度降低，但是教師在安排學生進行仿真操作時，也不能對學生不聞不問，而是要做好巡回指導，以便及時地發現并解決問題，為學生答疑解惑，并準確掌握學生的學習動態情況，為后期教學工作的實施做好準備。優化教學中存在的缺陷與不足，教師還可以對表現優異的學生予以適當獎勵，比如，對于認真完成模擬操作的學生，可以讓其直接進入到真實的實訓環境之中參與實際操作，通過虛實結合，使得學生學習、實操能力水平更好提升。

（六）師資團隊的虛擬仿真技術能力提升

虛擬仿真技術要想在高校機器人實踐教學中推廣應用，也需要保證教師的能力素養達到了相應的標準要求，否則諸多工作都難以有效實施。教師的新技術應用水平，對于學生的成長及發展有著重要的引導作用。在打造高素質師資隊伍時，必須積極主動與市場接軌，要保證教師對于市場上各項機器人的工業應用情況有充分的了解和認識，能夠結合市場需求，科學應用虛擬仿真技術傳授相關知識，提升學生的實踐能力。日常教學中需要做好教師的基礎培訓工作。保證教師的能力水平處于不斷提升的狀態。時代在不斷的發展和進步，機器人工業水平也可謂是日新月異，所以必須要實現培訓的常態化，保證教師可以充分的滿足學生的學習需要，優化教育教學質量。同時，通過教學能力比賽、新形態教材合作開發、虛擬仿真課程資源庫制作等形式，也能有效促進教師對虛擬仿真技術的學習。當然。這并不是要求每位專業課教師都能自己獨立開發虛擬仿真資源，而是指虛擬仿真課程的任課老師要積極配合教材開發和資源制作團隊，提供高質量的交互動作腳本、高質量的模型原型等素材。

綜上可見，虛擬仿真技術在高校機器人實踐教學中有著多種優勢，如一方面其可以創設三維虛擬工作情境，有效解決機器人數量不足的問題，教學成本得到了有效降低，教學質量也有了明顯的提升。另一方面，采用虛擬仿真課程資源教學有利于提升學生學習的積極性、提高了教師的課堂效率。因此，對于高校來說，必須要正視虛擬仿真技術在機器人實踐教學中的作用與價值，搭建好基礎教學設施，滿足學生的學習發展需要。