工業(yè)機器人模擬仿真技術在應用型大學教育中的應用探究

郭士茹，劉效含，陳 楠，王誠林

(長春電子科技學院，長春 130114)

在工業(yè)4.0和中國制造2025的大時代背景下，工業(yè)機器人的智能制造成為主導。為此，國內(nèi)各大高校紛紛開始進行工業(yè)機器人相關專業(yè)課程的開設與設計。但由于我國工業(yè)機器人的研究起步較晚，且與課程內(nèi)容的相關配套實踐設備成本較高，使得很多高校在工業(yè)機器人理論與實踐的印證方面仍存在一定的不足，工業(yè)機器人模擬仿真技術在應用型大學教育中的作用開始顯現(xiàn)。

1 工業(yè)機器人技術課程特點

從高校專業(yè)設置角度來說，工業(yè)機器人技術專業(yè)課程涉及力學、機械結構設計、控制理論和運動學相關學科的知識，屬于帶有明確綜合性特點的專業(yè)課程，還涉及跨專業(yè)領域，電氣工程、自動化等專業(yè)的學生可以通過對工業(yè)機器人相關應用課程知識的學習，對已經(jīng)掌握的機械結構設計、自動控制原理等理論性課程進行深度理解與掌握，并學會如何實現(xiàn)理論知識與實踐操作的有機融合[1]。通過工業(yè)機器人應用課程的學習能夠使學生掌握其基本組織結構、工作原理以及控制方式，使學生建立扎實的理論基礎。相比傳統(tǒng)教育，工業(yè)機器人技術課程的開設能夠為高校相關專業(yè)學生帶來不同的學習體驗，同時確保學生能夠?qū)σ颜莆蘸臀磥砑磳W習的知識進行更新，如電氣控制、機械制圖、傳感器技術、可編程控制器等課程都是工業(yè)機器人相關課程的基礎知識內(nèi)容，這也說明了工業(yè)機器人課程具有跨專業(yè)性和復雜性的特點。

2 工業(yè)機器人模擬仿真教學在應用型大學教育中存在的問題

2.1 實驗設備老舊

由于大部分高校經(jīng)費不足，而工業(yè)機器人仿真模擬教學相關設備造價較高，致使高校沒有充足的資金購置與教學內(nèi)容相匹配的實驗設備。設備數(shù)量不足且大部分較為老舊，缺乏維護維修資金，現(xiàn)有實驗設備與目前工業(yè)上所應用的工業(yè)機器人在整體技術水平方面存在較大差距，無法滿足學生的實踐需求。

2.2 創(chuàng)新型實驗缺乏

高校設計的大部分實驗項目是為了驗證相關理論知識，為驗證型實驗或設計型實驗，每一個實驗都需要依據(jù)實驗指導書的步驟進行操作，學生的實踐技能無法得到充分提升。此外，學生在實踐課程中，對于工業(yè)機器人運作的區(qū)域可達性、設計可實現(xiàn)性都無法得到實際驗證。相關程序的編寫和調(diào)試需要耗費很長的周期，程序化的步驟和相關技術流程也較為繁瑣，實驗設備過于老舊，與企業(yè)實際要求脫軌，無法為學生理論知識提供驗證[2]。

2.3 師資力量不足

工業(yè)機器人屬于一種高端且復雜性較高的設備，要想通過實踐課程強化學生對工業(yè)機器人構造以及運行原理的理解，就必須通過較為復雜的實驗加以驗證，同時也需要具備豐富行業(yè)經(jīng)驗且全面掌握工業(yè)機器人理論知識和操作技巧的教師提供支持。但目前很多高校教師缺乏崗位實際操作經(jīng)驗，對工業(yè)機器人相關知識與技術的掌握僅限于理論領域，教師在開展實踐課程時，往往只能依據(jù)實驗指導書進行操作，無法真正將理論與實踐有機融合，學生的知識無法得到拓展，只能依照指導書的步驟進行流程化操作，嚴重影響了學生自主學習與思考能力、解決問題能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[3]。

3 工業(yè)機器人模擬仿真技術在應用型大學教育中的應用

工業(yè)機器人模擬仿真是依據(jù)實際的工業(yè)機器人系統(tǒng)原理，結合計算機模擬仿真技術、機器人基礎理論和圖形技術在電腦上進行工業(yè)機器人運行環(huán)境和運行步驟的三維立體圖形展示。通過程序代碼實現(xiàn)對工業(yè)機器人動作、系統(tǒng)的操作，通常在工業(yè)機器人生產(chǎn)前會進行仿真試驗，這樣能夠有效降低故障發(fā)生幾率，提高工業(yè)機器人質(zhì)量，縮短生產(chǎn)時間。工業(yè)機器人模擬仿真技術在大學教育中的應用，能夠促使學生借助仿真模擬實現(xiàn)實踐操作對理論知識的印證，積累豐富的操作經(jīng)驗。

將工業(yè)機器人模擬仿真技術引入應用型大學教育中能夠促使專業(yè)實踐與信息化教學模式有效融合，通過模擬仿真進行工業(yè)機器人專業(yè)課程的輔助教學和實踐操作，能夠有效將課程理論知識轉(zhuǎn)化為立體互動的展示內(nèi)容，使學生體驗工業(yè)機器人在不同場景下的運行模擬[4]。

例如，在執(zhí)行工業(yè)機器人碼垛任務時，學生可以通過工業(yè)機器人仿真工作站的建立實現(xiàn)模擬仿真軟件中相應軟件包程序的編寫，并進行工業(yè)機器人運行與操作程序的編寫，以實際工作任務為目標完成碼垛。此外，還可以使用工業(yè)機器人執(zhí)行焊接等具有一定危險性的任務。學生可以在模擬仿真中深刻理解理論知識，學生在實際學習和實踐過程中不會受到時間、空間、場地的限制，可借助VR虛擬技術模擬實際操作，如對不同生產(chǎn)線所使用的各型號機器人作出模擬，節(jié)省成本的同時也能夠有效防止實訓中由于操作誤差而帶來的各種風險。另外，對于工作區(qū)域的可達性，家具設計的可靠性，機器人編程和調(diào)試時間以及程序優(yōu)化等繁瑣的實驗驗證，都能夠通過工業(yè)機器人模擬仿真技術的應用得到有效解決，有效避免了由于經(jīng)費不足而無法購置先進的工業(yè)機器人相關設備，同時也大大節(jié)省了設備維修維護的成本[5]。

在實際應用中，教師要合理設計項目任務，鼓勵學生運用模擬系統(tǒng)練習并熟練操作機器人編程調(diào)試。此外，要注意最大程度上還原工業(yè)機器人制造生產(chǎn)和實際運行的狀態(tài)及其工作場景，為學生積累實踐經(jīng)驗提供支持[6]。

4 結語

在國家的大力支持下，企業(yè)和相關科研機構不斷推進工業(yè)機器人相關技術的研究，取得了一定的創(chuàng)新成果，整體技術水平顯著提升。今后還要不斷培養(yǎng)機器人專業(yè)的優(yōu)秀人才，包括研發(fā)、操作及維修人才，以滿足我國對工業(yè)機器人相關人才的市場需求。各大應用型高校應加快改進工業(yè)機器人相關專業(yè)課程的建設與設計，為我國智能制造業(yè)提供更多優(yōu)秀人才。