基于VR技術的高職院校工業機器人虛擬仿真實訓平臺建設研究

摘要：隨著我國制造業轉型升級和智能化進程的加速，工業機器人市場規模持續增長。與此同時，掌握機器人相關操作及系統集成等技術的技能人才缺口也在逐年加大。建設基于VR技術的工業機器人虛擬仿真實訓平臺，是高職院校工業機器人技術專業提升人才培養質量的重要途徑。文章闡述了建設工業機器人虛擬仿真實訓平臺的意義，介紹了建設內容以及基于虛仿平臺的實訓項目開發。工業機器人虛擬仿真實訓平臺為學生提供沉浸式學習環境，集理論教學、實操訓練于一體，使學生能夠熟練掌握工業機器人理論知識和操作技能，并培養學生的職業能力和創新意識，為機器人產業提供有力的人才支撐。

關鍵詞：VR技術；工業機器人；虛擬仿真實訓平臺

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.07.005

中圖分類號：G 712，TP 18，TP 242.2 " " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）07-00-03

Research on the Construction of Virtual Simulation Training Platform for Industrial Robots in Higher Vocational Colleges Based on VR Technology

KONG Qing， WANG Dongsheng， LI Xueru， MENG Fanwen

（Jining Polytechnic， Jining 272000， China）

Abstract： The industrial robot market shows continuous growth with the "manufacturing’s transformation and upgrading and the process of intelligence’s accelerating. At the same time， the shortage of skilled talents in mastering robot related operations and system integration technologies is also increasing year by year. Building a virtual simulation training platform for industrial robots based on VR technology is an important way to improve the quality of talent cultivation for industrial robot technology majors in higher vocational colleges. This article elaborates on the significance of building a virtual simulation training platform for industrial robots， introduces the construction content and the development of training projects based on virtual simulation platforms. The virtual simulation training platform for industrial robot provides students with an immersive learning environment， integrates theoretical teaching and practical training， enables them to proficiently master the theoretical knowledge and operational skills of industrial robots， cultivates their professional abilities and innovative awareness and provides strong talent support for the robot industry.

Key words： VR technology; industrial robot; virtual simulation training platform

1 " 研究背景

隨著制造業轉型升級和智能化進程的加速，我國機器人產業蓬勃發展，工業機器人消費量連續九年位居全球首位。機器人產業快速發展的同時，行業相關人才需求也在不斷增長，市場上機器人專業技術人才緊缺。

工業機器人應用領域廣泛，已從汽車和電子行業拓展至冶金、輕工、金屬加工、石油化工、食品飲料、醫藥等行業。《“機器人+”應用行動實施方案》的發布無疑將進一步拓寬工業機器人的應用領域。為了應對未來機器人產業的諸多挑戰，國家相繼出臺了多種政策，在《“十四五”機器人產業發展規劃》中明確要求“加強機器人科技人才培養，支持高校和科研院所培養專業技術和復合型高端人才”[1]。由于高職院校專業實訓硬件設施不足，給學生技術實踐能力培養造成了阻礙[2]。隨著VR技術的發展，建設虛擬仿真實訓室可以有效解決這一問題。基于VR技術的虛擬仿真實訓平臺可以為工業機器人技術專業學生提供虛擬交互設備，讓學生進行全面的實踐訓練[3]，從而提升人才培養質量。

2 " 建設虛擬仿真實訓平臺的意義

2.1 創新教學模式，提升教學效果

在課堂上由于無法直觀感受機器人的機構和功能，學生會出現注意力轉移。即使面對機器人實物，學生也僅能了解硬件的外觀。利用VR技術，學生在虛擬空間中就可以零距離接觸工業機器人的硬件，對硬件組成的各個電子元器件也可以進行直觀的了解與實操，甚至在教師的引導下可以對硬件進行在一些特定情況下的故障排查與手動操作，取得較好的實踐教學效果。

2.2 構建工作場景，培養職業能力

工業機器人實訓屬于高耗時、高成本、高集成的綜合訓練，傳統的工業機器人實訓室是在一塊場地中布置幾臺機器人設備，簡單的模擬工業機器人的典型應用，實際訓練中存在實踐操作條件不具備，缺乏工作場景支撐等問題。利用沉浸和交互式的VR虛擬仿真實訓，可以為學生搭建企業真實生產場景，使學生直觀簡便、全身心投入到學習和訓練環境中，反復練習，不斷提升工業機器人技術相關的職業能力。

2.3 節約硬件成本，保護學生安全

由于真實的實訓室受場地和設備數量的限制，實訓只能分組進行，學生動手實操的時間大大縮短。在實驗實訓過程中不但有設備的損耗，而且工業機器人在運行過程中的一些誤操作易造成學生人身傷害[4]。在虛擬仿真實訓平臺上學生可以自由練習，避免出現因設備不足造成學生訓練機會少的情況，同時也解決了學生安全問題。

2.4 優化學習過程，打造培養高地

基于虛擬仿真平臺的實訓內容可以根據企業崗位能力要求、工作形式的變化隨時更新，這就可以保證教師緊密跟隨企業需求教學，讓學生更好地適應企業工作現場工作內容的變化。以企業現場工作過程為基礎的實訓練習，可以讓學生完美地體驗“學中做，做中學”，從而激發學生對專業知識學習的積極性，全面提升學生的實踐技能。

3 " 工業機器人虛擬仿真實訓平臺建設內容

工業機器人虛擬仿真實訓平臺主要包括兩部分，一是工業機器人編程操作模塊，二是工業機器人安裝調試模塊。該平臺對接“PLC控制系統”“工業機器人現場編程”“工業機器人裝調與維修”等課程實訓，并服務于“工業機器人故障診斷”“工控組態”等高階課程實訓，實現遞進式的實踐教學過程，同時該虛擬仿真實訓項目也適用于“1+X”職業技能等級證書中工業機器人操作與運維、工業機器人集成應用和工業機器人裝調等項目。

3.1 工業機器人編程操作模塊

工業機器人編程操作虛擬仿真模塊主要有工業機器人的基本操作、TCP標定、軌跡描圖、軌跡繪圖、水平搬運、零件碼垛、自動流水線等機器人單功能工作站，圖1所示為碼垛工作站VR實訓模塊。仿真訓練具有開放性，用戶可以使用虛擬示教器自由操作機器人，自由設計程序指令。

該模塊實訓方式有VR虛擬場景操作、PPT課件學習及視頻動畫觀看。學生通過VR眼鏡進行基本操作和功能訓練，可以從原理上理解工業機器人的基本操作、自由設計程序指令等。該模塊中的的工業機器人訓練教學部分可實現訓練仿真操作、知識點學習、步驟提示、注意事項、錯誤提示、操作提示等功能；工業機器人訓練考核模塊側重編程操作的階段學習測試，可實現基本操作和考核知識點統計功能，可記錄階段學習測試的相關信息：正確率、實訓時長、錯誤詳細信息等。

同時，結合“1+X”工業機器人操作與運維、工業機器人編程等職業技能等級證書要求，可完成工業機器人職業技能等級證書考試模型的建模、基本操作和考試內容相關操作；具體內容包括：工業機器人訓練模式、機器人在線作業模式、機器人調試模式和訓練考核模式。學生可快速掌握工業機器人TCP和工具坐標系的標定，以及虛擬示教器的使用和工業機器人的調試方法。

3.2 工業機器人安裝調試模塊

工業機器人安裝調試虛擬仿真模塊包含機器人控制系統虛擬仿真、機器人本體拆卸虛擬仿真、機器人本體安裝虛擬仿真和機器人拆裝考核四大模塊。拆裝實訓有整機拆裝、底座拆裝、前臂拆裝和腕部拆裝。同時提供減速機原理的視頻展示、爆炸圖顯示和透明顯示。圖2所示為RV減速器拆裝VR實訓模塊。

該模塊實訓方式有VR虛擬場景操作、PPT課件學習及視頻動畫觀看。學生通過VR眼鏡進行拆裝訓練，可以從原理上理解工業機器人本體的組成，關節結構以及機器人運動控制系統，從而使學生能全面掌握工業機器人安裝、配置與調試技巧，掌握工業機器人的應用方法與技巧。同時，結合“1+X”工業機器人操作與運維、工業機器人裝調等職業技能等級證書要求，可完成工業機器人職業技能等級證書考試建模、基本操作和考試內容相關操作，從而實現對工業機器人的整體認知以及工業機器人關節的拆卸方法和對兩類減速器的全方位認知。

4 " 基于虛擬仿真實訓平臺的實訓項目開發

仿真實訓項目開發主要包括工業機器人編程操作和裝調虛擬仿真實訓項目的開發。通過工業機器人編程操作虛擬仿真實訓項目，學生能夠了解工業機器人教學中所使用的工具材料及設備、控制原理、設計PLC的I/O分配、線路安裝、六軸機器人單元的PLC程序設計、確定機器人運動的示教點、機器人程序編寫、程序調試、手動測試機器人自動運行、檢查、搬運、碼垛、裝配及其操作應用等工作。通過工業機器人裝調虛擬仿真實訓項目，學生能夠了解工業機器人裝配與調試的一般流程方法，能夠在高度模擬真實機器人的情況下獨立完成工業機器人的安裝、調試、運行等工作。如表1所示。

5 " 結束語

當前，在高質量發展的大環境和機器代人的大趨勢下，機器人行業對專業人才的要求越來越高，對高職院校工業機器人技術專業人才培養質量提出了更高要求?；赩R技術的工業機器人虛擬仿真實訓平臺突破了傳統實訓室時間、空間和危險的限制，采用沉浸式的VR教學場景最大限度地接近企業真實生產場景，給學生提供沉浸式的訓練環境，充分調動學生的學習積極性，大力提升學生的實踐技能，為我國現代制造業培養高端高素質人才，為建設教育強國、人才強國做出重要貢獻。

參考文獻

[1] 洪梓榕，傅繼軍，任聰．基于創新創業能力培養的高職院校機器人專業實踐基地建設探索[J]．蘭州石化職業技術學院學報，2022，22（02）：43-46.

[2] 周佳杰，肖莉莉．高職院校工業機器人虛擬仿真實訓室建設[J]．中阿科技論壇（中英文），2021（06）：158-160.

[3] 張德田．高職院校工業機器人技術專業虛擬仿真實訓室建設研究與實踐[J]．科技風，2020（15）：181.

[4] 仇高賀．虛擬仿真在高職工業機器人教學中的應用研究[J]．新課程研究，2015（15）：77-78.