“互聯(lián)網(wǎng)+”時代工業(yè)機器人虛擬仿真實驗教學(xué)研究

袁正　馬國清　張磊　蘆帥　馮慧　呂勇

【摘要】在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代背景下，本文對工業(yè)機器人虛擬仿真實驗教學(xué)的途徑進行探索，分別從專業(yè)教學(xué)知識體系的建設(shè)、實踐教學(xué)體系的構(gòu)建等方面入手，選取真實工程案例、模擬實際工作過程，采用線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，建立了完備的虛擬實驗教學(xué)平臺，為工業(yè)機器人領(lǐng)域的人才培養(yǎng)提供了新的途徑。

【關(guān)鍵詞】互聯(lián)網(wǎng)+? 工業(yè)機器人? 虛擬仿真

【中圖分類號】G642 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）11-0226-01

引言

伴隨著全世界新一輪“工業(yè)革命”的興起，我國于全國兩會的“政府工作報告”中提出“中國制造2025”的宏大計劃[1]。在這一計劃引領(lǐng)下，如何優(yōu)化產(chǎn)業(yè)對接將成為國內(nèi)各高校設(shè)置學(xué)科的重要依據(jù)。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代背景下，工業(yè)機器人作為一種新型的高科技產(chǎn)物應(yīng)運而生，其可以通過人工智能代替人力勞動，從而大幅提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量，進而促進工業(yè)發(fā)展更優(yōu)化，具有非常廣闊的市場前景 [2]。隨著我國工業(yè)機器人市場的迅猛發(fā)展，該領(lǐng)域內(nèi)高素質(zhì)人才的缺失已然成為限制該產(chǎn)業(yè)擴展的主要瓶頸[3]。目前，煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院正著手開展焊接工業(yè)機器人虛擬仿真實驗教學(xué)項目，通過建立虛擬仿真實驗平臺以解決現(xiàn)場教學(xué)設(shè)備成本高、實驗消耗大、實操風(fēng)險高等問題，將自身的教學(xué)、科研成果與合作單位共享，并借助企業(yè)支持，開發(fā)滿足社會與生產(chǎn)力發(fā)展需求的實驗教學(xué)資源。

1.虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建

虛擬教學(xué)平臺是以數(shù)學(xué)理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其相關(guān)專業(yè)知識為基礎(chǔ)，以計算機和物理效應(yīng)設(shè)備為工具，采用“邊寫邊做”思想創(chuàng)建的，平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1專業(yè)教學(xué)知識體系的建設(shè)

一項完整教學(xué)項目的實施，需要建立合適的專業(yè)教學(xué)知識體系與之匹配。項目組通過走訪當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)企業(yè)，并結(jié)合專業(yè)人員的反饋意見，對專業(yè)教學(xué)知識體系進行建設(shè)，如圖2所示。項目分別從知識能力、學(xué)科專業(yè)兩個模塊出發(fā)，確定了以機械工程、計算機科學(xué)與技術(shù)、控制科學(xué)與工程、材料科學(xué)與工程為核心的學(xué)科專業(yè)群，構(gòu)建了以機械學(xué)、力學(xué)、機器人學(xué)、計算機技術(shù)、控制理論、電子技術(shù)、測量技術(shù)等為核心的課程體系，著重培養(yǎng)學(xué)生的機械設(shè)計能力、運動分析能力、工藝規(guī)劃能力、電氣設(shè)計能力、程序設(shè)計能力、測試測量能力，使其具有滿足各個崗位需求的綜合素質(zhì)。

1.2實踐教學(xué)體系的構(gòu)建

項目實踐教學(xué)以學(xué)習(xí)小組為主體，采用“真實工程案例”與“虛擬現(xiàn)實”相融合的教學(xué)方式，結(jié)合啟發(fā)式、自主式等教學(xué)方法，使學(xué)生學(xué)習(xí)機器人應(yīng)用的整體流程并掌握各個設(shè)計環(huán)節(jié)的有效方法。

具體實施過程如下：步驟1：組建學(xué)習(xí)小組，即組建由學(xué)生、教師、教輔所構(gòu)成的學(xué)習(xí)團體;步驟2：選用多媒體教學(xué)、虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)、現(xiàn)場實踐訓(xùn)練相結(jié)合的教學(xué)方式，掌握焊接工業(yè)機器人設(shè)計的核心知識點;步驟3：在虛擬仿真教學(xué)過程中，充分利用虛擬情境，采用“教學(xué)-科研-應(yīng)用”三者合一的教學(xué)模式，使教學(xué)與實踐相結(jié)合，使學(xué)生實際操作水平得到進一步的提高;步驟4：鼓勵學(xué)生獨立思考，促進學(xué)生自主性學(xué)習(xí)、推進學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)和個性發(fā)展;步驟5：進行反思性評價，即對學(xué)習(xí)的目標(biāo)、過程、結(jié)果、互動與支持性情況等進行反思與評價。

2.項目教學(xué)方法

項目教學(xué)以工程實際案例為主體，讓學(xué)生在“虛擬仿真” 環(huán)境下完成項目中所涉及到的各個環(huán)節(jié)，并就流程中的關(guān)鍵工藝、設(shè)計、調(diào)試等內(nèi)容進行實物操作，從而達到“虛實結(jié)合”，最終掌握工業(yè)機器人應(yīng)用的基本流程，能夠開展相關(guān)工程項目的實踐，使之成為具有較強綜合實踐能力的工業(yè)機器人技術(shù)人才。

教學(xué)具體環(huán)節(jié)如下：環(huán)節(jié)一：通過視頻資源的學(xué)習(xí)，了解機器人工作站的設(shè)計流程;環(huán)節(jié)二：通過虛擬場景再現(xiàn)，認識并學(xué)習(xí)機器人工作站的布局以及各個模塊的功能和選型; 環(huán)節(jié)三：利用Power MILL Robot Interface軟件進行機器人的運動仿真與軌跡規(guī)劃;環(huán)節(jié)四：將離線代碼下載到實際焊接機器人中，進行在線調(diào)試;環(huán)節(jié)五：在實驗室進行機器人的現(xiàn)場調(diào)試，考查學(xué)生的最終調(diào)試情況。

3.平臺優(yōu)勢

本項目對工業(yè)機器人虛擬仿真實驗教學(xué)的途徑進行了初步探索，其虛擬實驗教學(xué)平臺相比傳統(tǒng)的教學(xué)模式具有以下幾點優(yōu)勢：（1）整合線上、線下資源，節(jié)約實驗成本。（2）虛擬現(xiàn)實技術(shù)、視頻教學(xué)平臺技術(shù)等在教學(xué)過程中得到有效利用，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量與效率。（3）基于項目式教學(xué)方法，實現(xiàn)了教學(xué)-科研-應(yīng)用相結(jié)合的互助型體系建設(shè)。

結(jié)語

“中國制造2025”的宏大計劃為在我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型上提出了新的、更高的要求。工業(yè)機器人技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用可以有效提高工業(yè)產(chǎn)能和效率，同時也需要大量的相關(guān)專業(yè)人才。本文以煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院項目建設(shè)為例，對工業(yè)機器人虛擬仿真實驗教學(xué)的途徑進行了深入探索，項目計劃依托“數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺”，將虛擬仿真實驗從校內(nèi)共享蔓延至煙臺并輻射全國，可以為相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的兄弟院校提供教學(xué)資源與技術(shù)指導(dǎo)。

參考文獻：

[1]劉曉玲， 莊西真.高技能人才培養(yǎng)：“中國制造2025”與職業(yè)教育的最佳結(jié)合點[J].職教論壇， 2016（1）：62-66.

[2]朱季澤.工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化， 2018（15）：59-60+69.

[3]呂明珠.基于Robotmaster的工業(yè)機器人虛擬仿真實驗平臺設(shè)計[J].電氣開關(guān)， 2017（06）：26-29.

作者簡介：

袁正（1989-），男，博士研究生，講師，主要從事機械工程相關(guān)領(lǐng)域的教學(xué)與研究工作。

張磊（1976-），女，博士研究生，副教授，主要從事機械原理與設(shè)計的教學(xué)工作。