“虛實(shí)結(jié)合”工業(yè)機(jī)器人設(shè)備在高職教育中的應(yīng)用

吳芬

摘? ?要：“虛實(shí)結(jié)合”工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備，具有真實(shí)的示教器、控制器、虛擬的本體（機(jī)械結(jié)構(gòu)）以及系統(tǒng)軟件。該設(shè)備在南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)（工業(yè)機(jī)器人方向）人才培養(yǎng)中、在專業(yè)核心課程教學(xué)中，都發(fā)揮了重要作用。學(xué)生使用該設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練，能在較短的時(shí)間內(nèi)，較好地掌握工業(yè)機(jī)器人操作、編程、調(diào)試等技能。與真實(shí)機(jī)器人設(shè)備相比，該實(shí)訓(xùn)設(shè)備投入資金少，需要場(chǎng)地面積小，技能訓(xùn)練安全性高、效果較好。文章對(duì)此進(jìn)行了分析與研究。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;虛實(shí)結(jié)合;技能

1? ? 國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

在智能制造大背景下，工業(yè)機(jī)器人正在國(guó)內(nèi)引發(fā)一股熱潮，其應(yīng)用除了傳統(tǒng)的汽車、機(jī)械、電子電氣、航空等領(lǐng)域，目前在家電、食品、物流等領(lǐng)域也快速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用水平是一個(gè)國(guó)家科技水平和制造業(yè)水平的重要體現(xiàn)，是先進(jìn)制造業(yè)中不可或缺的技術(shù)和手段[1]。

國(guó)內(nèi)大中城市，不少已建立了專門的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園（工業(yè)區(qū)）。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展迫切需要大量懂操作、會(huì)編程、擅維護(hù)的高素質(zhì)、高技能的專門人才。各地區(qū)生產(chǎn)和使用工業(yè)機(jī)器人的企業(yè)，特別是沿海工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用人才的需求量很大。國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀是，許多企業(yè)想引入機(jī)器人方面的專業(yè)技術(shù)人員，但是國(guó)內(nèi)早先開(kāi)設(shè)機(jī)器人專業(yè)的高等院校很少，近5年，有學(xué)校培養(yǎng)了一些與工業(yè)機(jī)器人相關(guān)的專業(yè)人才，但畢業(yè)生數(shù)量與市場(chǎng)需求相比，缺口很大。

2? ? 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用人才培養(yǎng)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2016年年末，全國(guó)有200多家高職院校已開(kāi)設(shè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)或相近專業(yè)，還有不少院校計(jì)劃在不久的將來(lái)開(kāi)設(shè)該專業(yè)。

要想培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用人才，肯定離不開(kāi)定位明確的培養(yǎng)目標(biāo)、專門的實(shí)訓(xùn)設(shè)備、專業(yè)的師資、創(chuàng)新的課程體系等。企業(yè)對(duì)于專業(yè)人才的具體要求，較大程度上可以轉(zhuǎn)化為高等院校相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)。專業(yè)教學(xué)與訓(xùn)練，要依托院校已有的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備。目前，真實(shí)工業(yè)機(jī)器人設(shè)備、價(jià)格昂貴、占地較大，巨大的資金投入和場(chǎng)地建設(shè)是各院校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)建設(shè)面臨的大問(wèn)題。

3? ? 南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)（工業(yè)機(jī)器人方向）人才培養(yǎng)

3.1? 人才培養(yǎng)目標(biāo)

南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院于2016年3月修改機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，將工業(yè)機(jī)器人列為該專業(yè)的專業(yè)方向，課程體系隨之做了調(diào)整。修改后的人才方案指出（培養(yǎng)目標(biāo)），本專業(yè)著眼中國(guó)制造2025，培養(yǎng)德、智、體、美全面發(fā)展，掌握機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)必備的基本理論和基本方法，具備工業(yè)機(jī)器人編程與操作、機(jī)電設(shè)備（工業(yè)機(jī)器人）安裝與調(diào)試、技術(shù)支持與管理等專業(yè)能力，具有批判性思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)新實(shí)踐等職業(yè)核心能力，能從事工業(yè)機(jī)器人及其相關(guān)機(jī)電設(shè)備的編程與操作、安裝與調(diào)試、技術(shù)支持與管理等工作的具有一定創(chuàng)新能力的高素質(zhì)技術(shù)技能人才。本專業(yè)主要面向機(jī)電設(shè)備（工業(yè)機(jī)器人）應(yīng)用領(lǐng)域，畢業(yè)生初次入職時(shí)能夠從事工業(yè)機(jī)器人編程與操作，機(jī)電設(shè)備（工業(yè)機(jī)器人）安裝與調(diào)試，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)支持與服務(wù)等工作;在工作1～3年積累一定工作經(jīng)驗(yàn)后，能夠勝任工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成等升遷崗位的工作。

3.2? 專業(yè)核心課程

在確定了教育目的之后，通過(guò)什么樣的課程設(shè)置來(lái)反映和落實(shí)教育目的則是最重要的問(wèn)題，這是因?yàn)檎n程是反映教育目的的具體內(nèi)容和載體，也是學(xué)校教育活動(dòng)的中介，學(xué)校的一切教學(xué)活動(dòng)都是以課程為中介展開(kāi)的[2]。

自動(dòng)化工程系機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)（工業(yè)機(jī)器人方向）新的人才培養(yǎng)方案中，“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”“工業(yè)機(jī)器人操作與編程”“機(jī)電設(shè)備安裝與調(diào)試”“工業(yè)機(jī)器人離線編程與仿真”“工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)”都屬于工業(yè)機(jī)器人方向的專業(yè)核心課程，具體如表1所示。

這幾門課程之間，知識(shí)的學(xué)習(xí)與技能的訓(xùn)練有著較強(qiáng)的內(nèi)部關(guān)聯(lián)性。此外，這些課程的開(kāi)設(shè)，都離不開(kāi)工業(yè)機(jī)器人設(shè)備。系部工業(yè)機(jī)器人方向每年招生約200人，要安排這么多學(xué)生的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人設(shè)備數(shù)量要求多，這需要學(xué)院投入大量的資金及場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)訓(xùn)室建設(shè)。對(duì)于南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院而言，投入巨額資金購(gòu)買設(shè)備和建造寬敞的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所不是一件容易的事。

進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院即使投入巨資購(gòu)買較多數(shù)量的機(jī)器人設(shè)備，這些設(shè)備的正常使用與維護(hù)也需要專人負(fù)責(zé)。在日常教學(xué)過(guò)程中，由于學(xué)生缺乏機(jī)器人相關(guān)的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，新手直接操作真實(shí)機(jī)器人可能會(huì)造成這些設(shè)備故障或損壞。更嚴(yán)重的是，學(xué)生在操作機(jī)器人設(shè)備過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生安全事故，造成人身傷害或者財(cái)產(chǎn)損失。因此，出于對(duì)學(xué)生的身心健康以及生命安全等因素考慮，真實(shí)的機(jī)器人設(shè)備在學(xué)院教學(xué)科研中很少使用。設(shè)備使用率低下，在很大程度上成了擺設(shè)。這既浪費(fèi)了人力、物力、財(cái)力，也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，專業(yè)建設(shè)也沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的成效。

3.3? 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室建設(shè)

南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)共分兩期。第一期3個(gè)實(shí)訓(xùn)室：工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室、工業(yè)機(jī)器人裝調(diào)實(shí)訓(xùn)室、工業(yè)機(jī)器人工作站實(shí)訓(xùn)室已于2016年12月建設(shè)完成并投入使用。這些設(shè)備主要面向?qū)W生的專業(yè)教學(xué)、實(shí)訓(xùn)，以機(jī)器人基礎(chǔ)應(yīng)用為主。第二期以“四大家族”品牌的大中型機(jī)器人（工作站）設(shè)備和西門子電氣設(shè)備為主，主要面向部分學(xué)生的高技能訓(xùn)練和面向企業(yè)技術(shù)人員的中、高端培訓(xùn)。

南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院于2016年年底完成了工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室建設(shè)（約60 m2，有實(shí)訓(xùn)設(shè)備21套），該實(shí)訓(xùn)室使用南京旭上數(shù)控技術(shù)有限公司研發(fā)生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，設(shè)備由虛擬的機(jī)器人本體（實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)軟件），真實(shí)的機(jī)器人控制系統(tǒng)、真實(shí)的示教器等裝置組成，如圖1所示。

該實(shí)訓(xùn)設(shè)備中，虛擬的機(jī)器人本體（實(shí)訓(xùn)軟件）設(shè)有入門訓(xùn)練場(chǎng)景、基礎(chǔ)應(yīng)用場(chǎng)景、工作站場(chǎng)景，學(xué)生可以根據(jù)自己的專業(yè)能力進(jìn)行選擇性練習(xí)。該軟件還支持從外部導(dǎo)入三維模型，教師可以使用該功用增加教學(xué)案例的多樣性，也可以根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品或者特定要求，對(duì)學(xué)生進(jìn)行“量身打造”式訓(xùn)練。

該實(shí)訓(xùn)設(shè)備的示教器可以根據(jù)客戶要求進(jìn)行選配。如圖2所示。目前，ABB，KUKA，F(xiàn)ANUC，YASKAWA機(jī)器人示教器是已有產(chǎn)品，可以直接通過(guò)數(shù)據(jù)線纜和實(shí)訓(xùn)設(shè)備中其他部件連接并使用。其他品牌的機(jī)器人示教器，企業(yè)可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行定制化開(kāi)發(fā)。

該實(shí)訓(xùn)設(shè)備考慮了各院校專業(yè)教學(xué)及考核需要，具有工業(yè)機(jī)器人的理論考試并自動(dòng)評(píng)分、技能考核的功能。

3.4? 專業(yè)核心課程教學(xué)實(shí)施

在教學(xué)安排上，“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”和“工業(yè)機(jī)器人操作與編程”課程都開(kāi)設(shè)在大二上學(xué)期，但“操作與編程”課程比“工業(yè)機(jī)器人”課程開(kāi)設(shè)時(shí)間晚。這兩門課程的教學(xué)與訓(xùn)練都安排在虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室，能直觀展示各品牌機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng);可以進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)定、坐標(biāo)系切換、程序編寫與修改、程序手動(dòng)與自動(dòng)運(yùn)行等;具有焊接、碼垛、倉(cāng)庫(kù)、機(jī)床上下料等典型工作場(chǎng)景。上課時(shí)，學(xué)生每2～3人一套實(shí)訓(xùn)設(shè)備。使用工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備教學(xué)時(shí)，學(xué)生有充足的練習(xí)時(shí)間，課程能較好地訓(xùn)練他們操作、編程、調(diào)試等技能。

真實(shí)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備的控制操作，需要嚴(yán)格遵守機(jī)器人安全操作規(guī)程，一旦違規(guī)操作就可能發(fā)生危險(xiǎn)，對(duì)學(xué)生或設(shè)備造成傷害[3]。本工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備，機(jī)器人本體虛擬（實(shí)訓(xùn)軟件），學(xué)生通過(guò)示教器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操作，不會(huì)因錯(cuò)誤操作步驟或方法造成機(jī)器人本體損壞，也不會(huì)因細(xì)小疏忽發(fā)生人身傷害等事故。那些初學(xué)者最容易犯的錯(cuò)誤，使用機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備時(shí)，都可以避免。

該實(shí)訓(xùn)設(shè)備上編制的程序可以導(dǎo)入真實(shí)的機(jī)器人設(shè)備中，只做少量調(diào)整就能在真實(shí)機(jī)器人設(shè)備中運(yùn)行，控制真實(shí)的機(jī)器人工作。虛實(shí)設(shè)備銜接緊密，這對(duì)于學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)后的工作都有較好的幫助。

“工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)”課程開(kāi)設(shè)在大二下學(xué)期，通過(guò)前面相關(guān)課程的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)、控制傳感等系統(tǒng)已有較清晰了解，對(duì)FANUC，ABB機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)定、坐標(biāo)系統(tǒng)、示教器設(shè)置及使用、編程與調(diào)試有較好掌握。在此基礎(chǔ)上，該實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)在真實(shí)機(jī)器人（工作站）設(shè)備上進(jìn)行是比較順利和有安全保障的。

4? ? 解決的主要問(wèn)題

真實(shí)的工業(yè)機(jī)器人設(shè)備，例如FANUC機(jī)器人，單機(jī)的價(jià)格20～30萬(wàn)左右，一個(gè)60 m2的實(shí)訓(xùn)室，通常只適合放置2臺(tái)真實(shí)機(jī)器人設(shè)備。同樣的資金與場(chǎng)地投入，難以解決實(shí)訓(xùn)設(shè)備少、場(chǎng)地小的困境。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)，以較小的資金與場(chǎng)地投入，較好地解決了教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備短缺、教學(xué)效果一般的問(wèn)題。對(duì)于開(kāi)設(shè)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的院校而言，該實(shí)訓(xùn)設(shè)備可以解決他們過(guò)度依賴真實(shí)機(jī)器人設(shè)備的現(xiàn)狀。

從南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐可以看出，“虛實(shí)結(jié)合”的工業(yè)機(jī)器人設(shè)備可以與真實(shí)的工業(yè)機(jī)器人設(shè)備很好地協(xié)作，在技能訓(xùn)練過(guò)程中，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)處。該設(shè)備目前已經(jīng)進(jìn)入多家大專院校的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室，具有一定的行業(yè)影響力和較好的應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]張忠華.關(guān)于大學(xué)課程設(shè)置的三個(gè)問(wèn)題[J].大學(xué)教育科學(xué)，2011（6）：30-34.

[3]卞秀輝.虛擬仿真技術(shù)在高職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].南方論壇，2018（11）：27-28

Abstract：The “virtual and reality combination” industrial robot training equipment has a real teaching device， controller， virtual mechanical structure and system software. This equipment has played an important role in the professional core curriculum teaching in the training of mechatronic technology major （industrial robot direction） in Nanjing Institute of Mechatronic Technology. These students use the equipment for training who can master the skills of industrial robot operation， programming and debugging in a shorter time. Compared with a real robot equipment， the training equipment needs less investment， requires a small field area，and has higher safety and good effect. This paper analyzes and studies this.

Key words：industrial robots; virtual and reality combination; skills