虛擬仿真技術在工業機器人課程中的應用

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A

文章編碼：1672-7274（2025）07-0140-03

Application of Virtual Simulation Technology in Industrial Robot Course

XUE Yangyang，AN Yanxia （JinzhongCollege of Information，Jinzhong O3o8oo，China）

Abstract：This paper explores the application of virtual simulation technology in the courseof industrial robots. By constructing a digital twin environment，it realizes the visualization of teaching scenarios，the reversibility of operation processes，and the controlabilityof training costs.Itsolves the pain points oftraditional teaching，such as large investment inteaching equipment，highrisks inpracticaloperation，andtheabstractionofknowledge.It provides a solution for cultivating compound technical talents in the field of intelligent manufacturing.

Keywords： virtual simulation technology; industrial robots; course application

0 引言

虛擬仿真技術能通過建立三維動態模型和虛實融合的場景，為工業機器人課程教學的創新提供新的技術支持。這種基于VR/AR、數字孿生的新生技術，能突破傳統實訓教學需要實體設備的限制，使機械結構的可視化解析和算法邏輯的動態推演得以實現。在實驗實踐部分虛擬仿真技術支持離線編程、故障診斷以及多機器人協同作業的仿真驗證。虛擬仿真技術在工業機器人課程中的應用優勢體現在保障教學安全性、降低教學成本、提升學生學習趣味性以及拓展教學模式四個方面，由此可見，虛擬仿真技術能夠提高學生工程思維、創新能力和崗位適應能力，為智能制造領域培養復合型技術人才提供技術的支撐。

1 虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術是以計算機技術構建三維動態模型模擬真實操作環境的數字化手段，其核心技術包含VR/AR技術及數字孿生框架。該技術通過數學建模與物理引擎計算，實現工業機器人構造、運動軌跡及工作環境的數字化重構，有效突破傳統實訓依賴實體設備與場地的局限。在教學實踐中，其核心價值體現在“虛實融合”的創新模式：可直觀拆解機器人機械結構與控制系統，動態演示生產線布局與工藝參數設置，并通過故障模擬強化應急處置能力[1]。相較于傳統教學，該技術具備三大優勢：一是依托可擴展的虛擬資源庫靈活配置教學場景，支持云端協作突破空間限制；二是通過操作過程數據采集優化教學評價體系；三是通過無實體損耗的反復訓練降低教學成本，規避實操安全隱患。這種沉浸式、可迭代的教學模式，既契合工業機器人課程跨學科、強實踐的特性，又通過增強體驗感與安全性，推動職業教育向智能化轉型，為智能制造人才培養提供創新性解決方案。

2 虛擬仿真技術在工業機器人課程中的優勢

2.1增強教學過程中的安全保障

虛擬仿真技術通過構建“理論-虛擬-現實”三位一體的教學體系，有效解決了工業機器人實訓中的安全與成本難題。針對傳統教學中設備易損、操作風險高等痛點，該技術依托數字孿生實現機器人運動機理的可視化呈現，將伺服控制、編程邏輯等抽象知識轉化為可交互的三維動態模型。在安全訓練環節，基于物理引擎的精準建模可模擬機械臂超速碰撞、程序邏輯紊亂等高風險場景，配合智能操作識別系統實時攔截危險指令，形成“操作-反饋-修正”的閉環訓練鏈路。通過建立涵蓋機械故障、電氣異常等多維度的虛擬應急庫，學生可在無風險環境中掌握參數調試、故障診斷等核心技能。這種教學模式不僅使人均實訓成本下降近七成，更通過操作行為大數據分析實現教學方案的動態優化，在保障安全性的同時顯著提升技能培養效率，為智能制造人才培育提供了創新性解決方案。

2.2增強課堂趣味性與參與感

虛擬仿真技術通過沉浸式互動場景來激發學生的學習熱情。傳統工業機器人課程主要以教師講解理論知識和設備操作為主，這種單一的教學模式容易使學生出現注意力不集中的問題。通過虛擬仿真平臺，教師可以使用3D建模和動態渲染技術來展示機器人結構、運動軌跡這類抽象內容。例如學生在設計完機器人動作路徑之后，他們可以馬上通過虛擬現實技術看到真實運行效果，或者戴上VR設備體驗人機協同作業的現場感。此外教師還能利用虛擬仿真平臺設計更有趣的教學任務，比如讓機器人完成書法寫作或音樂演奏這樣的創意項目。這種寓教于樂的教學方式不但突破了傳統課堂的沉悶氣氛，還能通過可視化操作幫學生更快理解復雜原理。

2.3減少教學所需的費用開支

虛擬仿真技術對于工業機器人課程的教學成本的降低起到了效果。在進行傳統的實訓時，學校需要花大價錢買實體機器人和相關工具，并且還要構建工作站。同時，維護設備、升級設備以及場地費用都會花費很高的費用。而虛擬仿真平臺可以利用數字建模代替實物，還能調用多品牌機器人的參數，不需要重復買硬件。而教學資源也可以在網上共享和反復使用，這可以在很大程度上提高教學資源的利用率。另外學生在虛擬環境中也不需要考慮設備損壞、原料消耗等問題，可以極大地減少后續的維護成本。虛擬仿真技術減少教學資金投入的優點可以讓學校把教學資金更多地投入到教師培訓和課程開發上，進而提高教學資源分配率。

2.4對傳統教學模式的補充與拓展

虛擬仿真技術驅動工業機器人教學向“線上-線下”融合模式轉型，有效破解傳統課堂設備資源不足與個性化教學實施難題。云端虛擬實訓平臺支撐學生自主開展機械裝配、編程調試等基礎訓練，同時通過操作數據智能分析，為教師提供精準教學指導。數字孿生技術精準復現汽車焊接、電子裝配等工業場景，將PLC控制、伺服系統等理論內容轉化為三維交互任務，加速知識向技能的轉化過程。“虛擬預演-實機驗證”分段式教學設計，支持學生在虛擬環境完成工藝優化、故障處理等高風險訓練，再通過實體設備驗證操作，實現安全試錯與低成本實操的協同。引入人工智能輔助模塊后，平臺可實時識別操作偏差并動態調整訓練難度，通過數字孿生與物理實體的雙向映射，形成“感知-分析-決策”一體化實踐體系，全面提升學生復雜工況應對能力與工程問題解決水平，為智能制造輸送復合型技術人才[2]。

3 虛擬仿真技術在工業機器人專業教學的應用

3.1虛擬仿真技術在理論課堂中的運用

虛擬仿真技術通過構建高沉浸感虛擬教學場景，有效破解工業機器人專業教學中抽象概念具象化不足、動態原理演示缺失等難題。首先，該技術采用三維可視化建模與交互式操作設計，將機器人機械結構拆解為可自由組合的模塊化組件，支持動態透視觀察與部件聯動演示，使伺服電機、減速器、傳感器等核心元件的協同工作機制得以直觀呈現。在運動學教學中，系統可實時模擬坐標系轉換、奇異位姿規避等復雜算法，通過動態軌跡顯示與碰撞預警功能，幫助學生深度理解矩陣運算與逆運動學原理的實踐應用。其次，針對傳統教學與產業需求脫節問題，平臺創新采用案例導入式教學法，將碼垛工作站氣動回路故障、焊接工位路徑沖突等真實生產問題轉化為虛擬實訓項目。學生需運用流體力學、自動控制等理論知識分析故障成因，并在仿真環境中驗證改進方案，實現知識遷移能力的系統性培養。在教學模式革新方面，構建了“預習-研學-鞏固”三階遞進體系：課前通過仿真任務引導學生自主探究理論要點；課堂依托動態拆解演示突破教學重難點；課后借助參數可調的虛擬實驗平臺強化知識內化。這種虛實融合的教學設計，將原本枯燥的機電系統拓撲、多軸控制算法等知識轉化為可操作的3D交互體驗，顯著提升學習效能。最后，平臺搭載的智能反饋系統通過參數化建模與數據驅動機制，支持末端負載、關節慣量等變量的自由調整，同步生成運動軌跡對比圖譜與異常波動提示。系統結合知識圖譜技術自動關聯理論薄弱環節，為差異化教學提供依據，形成“參數調節-現象觀察-理論驗證”的完整學習閉環。這種將抽象原理轉化為可感知現象、將試錯成本轉化為經驗積累的教學范式，不僅降低了高危實訓風險，更通過工程思維與創新能力的雙重培養，為智能制造領域輸送具備實踐素養與創新潛質的復合型人才提供了有力支撐。

3.2虛擬仿真技術在實驗課程教學中的應用

虛擬仿真技術通過高精度建模與實時數據反饋，重構了工業機器人實驗課程的教學范式。首先，該技術突破傳統實驗室的空間與設備限制，將機器人操作編程、工作站調試等核心技能拆解為可重復操作的模塊化實驗單元。以RobotStudio為代表的仿真平臺，完整復現真實工業機器人工作站的機型選型、坐標系標定、路徑規劃及調試流程，學生可在虛擬環境中自主完成從參數設置到運動仿真的全鏈條操作。其次，教學設計層面，平臺內嵌典型生產場景案例庫，涵蓋物料搬運、精密焊接、裝配作業等工業場景。學生通過參數迭代與方案比選，深度理解離線編程與現場調試的協同機制，構建“虛擬預演-真機驗證”的完整工程思維。系統支持多機器人協同作業與復雜產線動態仿真，學生可基于節拍優化、參數匹配等實踐環節，掌握系統聯調技術。特有的故障模擬模塊覆蓋機械卡死、信號干擾等20類常見異常，通過系統性應急處理訓練提升安全防護設計能力。最后，教學評價體系依托操作精度、編程效率、任務達成率等12項核心指標，構建多維度能力評估模型。這種虛實融合的教學模式，在降低設備損耗與操作風險的同時，通過沉浸式工程情境激發創新思維，形成“數字素養-工程實踐”雙輪驅動的人才培養路徑，為智能制造領域輸送具備數字化能力與現場經驗的復合型技術人才提供了可復制的解決方案。

3.3虛擬仿真技術在實踐課程教學中的應用

虛擬仿真技術通過構建虛實融合的教學場景，有效破解了工業機器人實訓課程在時空限制、設備資源不足及高風險操作等方面的教學難題。首先，該技術基于高精度數學模型創建搬運碼垛、噴膠打磨等典型工業場景的虛擬工作站，支持學生在安全環境下系統掌握機器人編程、調試及系統集成等核心技能。例如在搬運碼垛教學中，教師利用三維仿真軟件搭建虛擬操作平臺，指導學生完成離線編程、運動路徑規劃及參數優化，并通過虛擬環境驗證程序可行性，既緩解實體設備短缺問題，又實現理論與實踐的深度耦合。其次，在教學設計層面，虛擬仿真技術將復雜工程任務拆解為模塊化訓練單元。以氣動回路搭建為例，可將任務分解為元件選型、回路設計等環節，學生通過FluidSIM等軟件逐步完成虛擬裝配與調試，在此過程中培養工程思維與問題解決能力。實訓平臺搭載的實時數據記錄功能完整保存操作軌跡、參數修改及程序架構，結合軌跡回放、碰撞預警等可視化反饋，形成涵蓋過程評估與結果考核的多維評價體系，有效解決傳統實操考核主觀性強的問題[3]。最后，虛擬環境為創新實踐提供了開放空間。學生可自主設計專用夾具、優化機械臂動態參數等高階訓練項目，通過數字李生技術驗證創新方案的可行性，顯著提升系統集成能力。這種“虛擬預演-實機驗證”的教學模式不僅契合智能制造領域數字化轉型趨勢，更通過模擬真實生產場景的工況變化，強化學生對機器人運動控制原理的認知深度。虛實結合的實訓方法使教學活動突破物理邊界，在降低設備損耗與操作風險的同時，通過沉浸式工程體驗培育學生的創新能力，為輸送具備數字素養與現場適應力的復合型人才奠定堅實基礎。

4 結束語

虛擬仿真技術通過三維建模與虛實聯動，顯著提升工業機器人課程教學效率與學習體驗。當前應用仍存在技術融合淺層化問題，如虛擬場景與真實工況銜接不足、動態交互深度欠缺等。需深化技術與教學融合機制研究，重點突破數字李生精準映射、多模態數據交互等核心技術，構建“認知-仿真-實操”遞進式教學體系。應開發開放型虛擬實驗平臺，集成典型工業場景案例庫，支持參數化定制與故障模擬訓練，通過云端協作實現教學資源動態優化。該技術賦能教育需注重產教協同創新，推動虛擬訓練標準與行業認證體系銜接，從而全面提升學生工程實踐能力與崗位適應性，為智能制造人才培養提供數字化支撐。

參考文獻

[1]柯林嘉，潘明來.仿真技術在工業機器人教學中的應用研究[J].模具制造，2023，23（11）：103-105

[2]許郢.虛擬仿真技術在工業機器人智能制造中的應用[J].電氣傳動自動化，2023，45（04）：50-53.

[3]楊利靜.基于虛擬仿真技術的工業機器人混合式教學模式研究[J].科教文匯，2023（12）：87-90.