虛擬仿真在高職工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用研究

◆仇高賀

虛擬仿真在高職工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用研究

◆仇高賀

機(jī)器人技術(shù)是工業(yè)4.0中關(guān)鍵技術(shù)之一，如何培養(yǎng)高職學(xué)生快速掌握工業(yè)機(jī)器人技術(shù)成為高職機(jī)電專業(yè)的首要任務(wù)。本文闡述虛擬仿真教學(xué)的必要性，介紹虛擬仿真教學(xué)的主要內(nèi)容，通過虛擬仿真技術(shù)建立機(jī)器人工作虛擬場景，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工作路徑規(guī)劃等工作，通過虛實(shí)結(jié)合的演練，讓學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，取得了很好教學(xué)效果。

工業(yè)機(jī)器人；高職教育

自2013年起，中國市場工業(yè)機(jī)器人銷量超過日本，成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人市場。但在機(jī)器人使用密度上，中國仍然遠(yuǎn)低于全球平均水平。中國努力實(shí)現(xiàn)從制造大國向制造業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，2015年國務(wù)院制定頒布了 《中國制造發(fā)展綱要》，明確提出將機(jī)器人作為優(yōu)先發(fā)展目標(biāo)，如何培養(yǎng)符合工業(yè)4.0要求的技術(shù)性人才成為高職培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的首要任務(wù)，而目前高職工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中普遍存在資源不足的情況，如何在這種情況下培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用型人才，筆者認(rèn)為虛擬仿真技術(shù)是一項(xiàng)可行性方案。

一、虛擬仿真教學(xué)的必要性

1.建立資源節(jié)約型社會的需求

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用范圍很廣泛，如焊接、碼垛、搬運(yùn)、油漆等工作， 再加上工業(yè)機(jī)器人種類眾多，包括世界四大工業(yè)機(jī)器人KUKA、ABB、FANUC、YASNAC的操作與使用上往往也存在許多差異。由于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)造價(jià)昂貴，將所有種類機(jī)器人和應(yīng)用環(huán)境都配齊顯然是不現(xiàn)實(shí)的事情，也與國家建設(shè)節(jié)約型社會本意背道而馳。

2.人才培養(yǎng)的需求

由于真實(shí)的實(shí)訓(xùn)場地和設(shè)備數(shù)量的制約，實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)只能分批次進(jìn)行，限制了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作的機(jī)會，造成學(xué)生課程結(jié)束后普遍感覺還沒有掌握相關(guān)知識，加上部分高職學(xué)生學(xué)習(xí)能力較差，知識遷移能力弱，如果沒有對不同類型機(jī)器人和工作場景的實(shí)操，他們畢業(yè)后遇到與學(xué)校不同的機(jī)器人和工作場景就會不知所措。因此工業(yè)機(jī)器人的培訓(xùn)必須跟上就業(yè)市場的變化，否則畢業(yè)生恐難找到合適工作，難以適應(yīng)自動(dòng)化和智能化的工作，而虛擬仿真教學(xué)是工業(yè)機(jī)器人培養(yǎng)方案實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證的最佳途徑，能夠減少項(xiàng)目培訓(xùn)時(shí)間，降低項(xiàng)目培訓(xùn)成本，可以反復(fù)模擬，及時(shí)糾正學(xué)生錯(cuò)誤，以及控制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等諸多優(yōu)勢。

3.參加技能大賽的需求

工業(yè)機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，目前全國高職系統(tǒng)機(jī)電相關(guān)的職業(yè)技能大賽中越來越多地加入了工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的部分，而每個(gè)舉辦學(xué)校的機(jī)器人種類和應(yīng)用環(huán)境有所區(qū)別，虛擬仿真技術(shù)除了可以滿足實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)需求外，還可針對各類技能大賽不同應(yīng)用的要求，自行建模，無須購買實(shí)際設(shè)備，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和參加技能大賽的興趣。

4.保護(hù)學(xué)生安全的需要

機(jī)器人教學(xué)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容需要配備相對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)對象，如氣動(dòng)裝置、傳送帶、焊機(jī)等，在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過程中不但有設(shè)備的損耗，工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)行過程中的一些誤操作易造成學(xué)生人身傷害，為保護(hù)學(xué)生人身安全，通過虛擬仿真教學(xué)既可以解決安全問題，又可以增加學(xué)生練習(xí)的機(jī)會。

正因如此，目前世界主要的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)商都會提供離線編程與仿真工具，以幫助用戶在個(gè)人電腦上進(jìn)行機(jī)器人自動(dòng)化方案的開發(fā)及驗(yàn)證。同時(shí)，這些平臺也往往會開放相應(yīng)的軟件接口（API），以支持開發(fā)功能性插件，從而使平臺也能針對不同工業(yè)應(yīng)用場景做虛擬仿真優(yōu)化訓(xùn)練。

二、虛擬仿真在教學(xué)中的應(yīng)用

圖1 工業(yè)機(jī)器人虛擬工作場景建立

虛擬仿真技術(shù)就是建立與工業(yè)機(jī)器人真實(shí)工作場景類似的虛擬環(huán)境，在工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目中采用項(xiàng)目式教學(xué)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要的內(nèi)容和流程如下：

1.建立機(jī)器人應(yīng)用的虛擬環(huán)境

學(xué)生可以使用集成軟件來建立虛擬工作環(huán)境，如ABB公司RobotStudio軟件建立工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真工作環(huán)境，如建立碼垛工業(yè)機(jī)器人工作場景（如圖1所示）。也可以使用通用三維建模軟件如solidworks、UG、Pro/E等軟件建立工業(yè)機(jī)器人的虛擬工作場景，這樣既可以演練學(xué)生的三維建模的能力，又可以進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人操作項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)。

2.建立機(jī)器人虛擬通訊

以Solidworks建立虛擬通訊為例，學(xué)生通過Solidworks建立虛擬工作場景后，通過軟件插件MELFA-Works建立與三菱工業(yè)機(jī)器人的通信協(xié)議，通過與RT-Toolbox2和GX-works進(jìn)行聯(lián)合仿真，需要建立兩者的通訊鏈接，讓學(xué)生理解三菱Q系列PLC通信協(xié)議，主PLC如何協(xié)調(diào)控制其他PLC，實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人的協(xié)調(diào)操作，虛擬仿真設(shè)定通訊鏈接演練有助于促使學(xué)生理解工業(yè)機(jī)器人通信協(xié)議和建立通訊的方法，并將PLC相關(guān)的知識點(diǎn)融入其中，提升了學(xué)生的知識綜合應(yīng)用能力。由于機(jī)器人操作本身帶有一定危險(xiǎn)性，特別是焊接機(jī)器人實(shí)際操作，通過虛實(shí)結(jié)合，在虛擬仿真環(huán)境中先上學(xué)生理解原理和方法，然后再在真實(shí)環(huán)境中演練，可以減少發(fā)生意外事故的頻率。建立聯(lián)合仿真通信協(xié)議過程（如圖2所示）。

圖2 通信協(xié)議建立過程圖

圖3 機(jī)器人虛擬示教過程

3.機(jī)器人虛擬路徑規(guī)劃

以碼垛機(jī)器人虛擬仿真為例，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn) “抓起上升→旋轉(zhuǎn)到垛盤上→下降放到垛盤上”等一系列步驟。機(jī)器人動(dòng)作路線為：上升過程從工作空間的最低點(diǎn)到最高點(diǎn)→回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)90°→下降過程從工作空間最高點(diǎn)到最低點(diǎn)。機(jī)器人路徑規(guī)劃目的是尋求機(jī)器人最佳工作路徑，其中最重要的是保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)不會發(fā)生干涉和避免與障礙物發(fā)生碰撞，一般高職學(xué)生思維不是很嚴(yán)密，喜歡 “大膽”動(dòng)手蠻干，如果沒有虛擬仿真往往會造教學(xué)事故，輕則機(jī)器人損壞，重則會傷及學(xué)生。所以，必須先讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)會如何進(jìn)行路徑規(guī)劃，機(jī)器人示教，機(jī)器人虛擬示教（如圖3所示）。虛擬環(huán)境中學(xué)生很容易理解機(jī)器人基于關(guān)節(jié)坐標(biāo)和直角坐標(biāo)的軌跡規(guī)劃目的和方法，并通過Solidworks軟件進(jìn)行碼垛軌跡規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與分析，從虛擬軟件很容易看到機(jī)器人規(guī)矩路線，可以直觀地觀察機(jī)器人工作姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡，得到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的實(shí)時(shí)狀況，學(xué)生可以準(zhǔn)確判定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方案的合理性及軌跡規(guī)劃及控制算法的可行性，有效地提高了工業(yè)機(jī)器人的教學(xué)的質(zhì)量。

4.虛擬仿真過程中故障排除演練

虛擬仿真在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的另一個(gè)好處就是可以人為設(shè)定一定故障，讓學(xué)生通過排除這些故障點(diǎn)，更加深入理解工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行原理。每種故障報(bào)警方式對應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)對象，當(dāng)變量超出了限定值時(shí)，故障報(bào)警裝置就會發(fā)出聲響，只有學(xué)生排除了故障，變量恢復(fù)到正常范圍內(nèi)時(shí)，虛擬報(bào)警才會解除，才能恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。虛擬故障排除鍛煉了學(xué)生調(diào)試設(shè)備的能力和邏輯判斷能力。

5.虛擬仿真教學(xué)階段過程

在實(shí)際仿真教學(xué)實(shí)踐中，筆者認(rèn)為最好將仿真教學(xué)分成四階段式。首先，講解工業(yè)機(jī)器人工作原理及仿真目標(biāo)，一邊講理論一邊通過計(jì)算機(jī)仿真軟件實(shí)時(shí)展示，邊教邊練，讓學(xué)生從空洞的理論教學(xué)中解脫出來，給學(xué)生一個(gè)直觀的認(rèn)識。其次，在虛擬聯(lián)系過程中，重點(diǎn)讓學(xué)生演練機(jī)器人操作流程及注意事項(xiàng)。再次，學(xué)生通過仿真操作、教師要巡回指導(dǎo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題，及時(shí)排查，否則學(xué)生會有挫敗感，及時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。最后，要讓學(xué)生分組實(shí)際操作，作為鼓勵(lì)可以讓完成仿真模擬的學(xué)生直接進(jìn)入真實(shí)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)際操作，這樣通過虛實(shí)結(jié)合，既調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與仿真模擬的積極性，又將教學(xué)目標(biāo)更好、更快完成。

虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用可以做到交互性、逼真性，讓學(xué)生能夠更好理解工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、軟硬件通信協(xié)議、傳感器技術(shù)等相關(guān)的教學(xué)知識點(diǎn)，使學(xué)生沉浸在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，通過虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)，達(dá)到提高教學(xué)效果、減少教學(xué)成本、增強(qiáng)教學(xué)安全等綜合效果。充分發(fā)揮虛擬仿真教學(xué)的特色，通過虛擬仿真動(dòng)畫、虛擬環(huán)境的建設(shè)，故障排查等方式，提升工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)效果，讓學(xué)生盡快掌握相關(guān)的知識點(diǎn)，為國家輸出符合工業(yè)4.0要求的復(fù)合型高職人才。

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（編輯：秦俊嫄）

本文系浙江省教育技術(shù)研究規(guī)劃課題（廳級科研項(xiàng)目）“仿真技術(shù)在高職機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究”（編號：JB076）的研究成果。

仇高賀，男，碩士，溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系教師，高級工程師。研究方向：機(jī)械制造及自動(dòng)化。

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1671-0568（2015）32-0077-02