虛擬仿真技術(shù)在高校機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

閻漢生

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真技術(shù);高校;機(jī)器人實(shí)踐教學(xué);應(yīng)用

2014年中國工業(yè)機(jī)器人銷量達(dá)4萬余臺(tái)，在全球工業(yè).機(jī)器人市場份額中占據(jù)首位。工業(yè)機(jī)器人行業(yè)快速發(fā)展也使得相關(guān)行業(yè)人才需求矛盾日益突出，既具備豐富理論知識同時(shí)又具有實(shí)踐動(dòng)手能力的復(fù)合型人才極度匱乏。高校必須承擔(dān)起人才培養(yǎng)的重任，當(dāng)前，雖然有諸多高校開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人課程，以求更好地滿足社會(huì)生產(chǎn)對于相關(guān)領(lǐng)域人才的需求，但是相較于歐美以及日本等國家來說，我國工業(yè)機(jī)器人教育起步相對較晚，師資力量薄弱，且工業(yè)機(jī)器人設(shè)備價(jià)格昂貴，降低了學(xué)生實(shí)踐操作質(zhì)量效果。而借助虛擬仿真教學(xué)，則可以有效解決工業(yè)機(jī)器人不足的問題，教學(xué)資源能夠得到更加科學(xué)合理的分配，保證學(xué)生有充足時(shí)間進(jìn)行課后練習(xí)，而且虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用還可以避免各類安全隱患，降低教學(xué)成本，提高教學(xué)質(zhì)量。

虛擬仿真技術(shù)從廣義上說，是在面對復(fù)雜關(guān)鍵問題時(shí)。為預(yù)測做的一種替代性原理模型，可以動(dòng)態(tài)模擬出該問題的主要組成部分及其關(guān)系變化，實(shí)驗(yàn)成本低、時(shí)間速率可調(diào)，通常能支持多次重復(fù)性試驗(yàn)，找出影響問題的主要變量。從狹義上說，虛擬仿真技術(shù)是一種采用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)為主的結(jié)合傳感器、控制器等自動(dòng)化技術(shù)，通過構(gòu)建虛擬模型、虛擬環(huán)境、虛擬設(shè)備而形成的虛擬仿真系統(tǒng)，按照預(yù)定實(shí)驗(yàn)程序參數(shù)運(yùn)行?？梢暬故具^程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其主要優(yōu)點(diǎn)是避免真實(shí)試驗(yàn)的破壞性、危險(xiǎn)性、難再現(xiàn)和高投入問題，可以通過變量的調(diào)整，快速展示各種可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而更好地優(yōu)化真實(shí)試驗(yàn)的各項(xiàng)條件，獲得更有效的結(jié)果。

（一）激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力，提升學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性

在高校機(jī)器人教學(xué)過程中，虛擬仿真技術(shù)可以結(jié)合不同的教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生構(gòu)建不同類型的三維實(shí)訓(xùn)場景，學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)器人實(shí)踐知識時(shí)，結(jié)合自身的能力水平以及知識儲(chǔ)備情況，選擇自己感興趣的知識提前進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)的交互性比較強(qiáng)，學(xué)生可以快速掌握操作的技巧和方法，針對學(xué)習(xí)過程中所遇到的種種問題進(jìn)行驗(yàn)證，并且快速獲得直觀結(jié)果，有效降低學(xué)生理解知識的難度，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力，提高學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性。

（二）降低教學(xué)成本，提高實(shí)踐操作安全性

實(shí)踐教學(xué)的關(guān)鍵就在于讓學(xué)習(xí)者自主動(dòng)手實(shí)踐，但是機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)不同于其他學(xué)科，教學(xué)過程中對所需要的專業(yè)機(jī)器人設(shè)備，提出的專業(yè)性要求比較高，且該設(shè)備的造價(jià)也較高，對于資金不充裕的高校來說其配備的教學(xué)設(shè)備數(shù)量有限，可能無法滿足每個(gè)學(xué)生上機(jī)訓(xùn)練的需求，這樣不僅會(huì)影響訓(xùn)練效果，還會(huì)降低學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)積極性。而虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用則可以有效解決該問題，虛擬仿真技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)三維實(shí)訓(xùn)場景，有效彌補(bǔ)實(shí)踐設(shè)備不足的問題，滿足學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)需求。同時(shí)。針對部分學(xué)生在課堂上沒有完全理解的實(shí)踐操作知識，在課下也可以借助虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行多次練習(xí)，對于相關(guān)知識的理解和掌握能夠更加深入。此外，傳統(tǒng)實(shí)操教學(xué)過程中可能會(huì)出現(xiàn)學(xué)生對于實(shí)操知識掌握不夠牢固。導(dǎo)致機(jī)器人碰撞或者是其他不良情況發(fā)生，這樣不僅影響實(shí)操的正確性，還會(huì)降低實(shí)操的安全性。

（三）有效搭建實(shí)際崗位情境，幫助學(xué)生深入掌握崗位要求

對于高校學(xué)生來說，在校學(xué)習(xí)的一系列知識都要運(yùn)用到未來的職場上，并在實(shí)際工作中應(yīng)用，這樣才能展現(xiàn)出所學(xué)知識的作用與價(jià)值。虛擬仿真技術(shù)可以為學(xué)生搭建實(shí)際崗位情境，模擬仿真焊接、碼垛、搬運(yùn)、噴涂、裝配等多種實(shí)際工作，脫離現(xiàn)場條件的束縛，讓學(xué)生直觀地感受到自己未來走上工作崗位之后，應(yīng)當(dāng)具備哪些方面的技能，幫助學(xué)生明確自身當(dāng)前知識學(xué)習(xí)過程中存在的缺陷和不足，樹立未來努力發(fā)展的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)學(xué)校教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際崗位工作能力的運(yùn)用，為學(xué)生未來的發(fā)展奠定更好的基礎(chǔ)。

（一）減少設(shè)備重復(fù)建設(shè)的需求

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用范圍極為廣泛，如焊接、碼垛、搬運(yùn)以及油漆等工作，都可以借助工業(yè)機(jī)器人完成，加之世界上工業(yè)機(jī)器人種類眾多，不同類型機(jī)器人在操作及使用方面也存在顯著差異，且工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)造價(jià)高昂，在高校機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)中，將所有種類機(jī)器人和應(yīng)用環(huán)境配備齊全顯然是一件難度極大的事情，這也與我國對建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的追求背道而馳。虛擬仿真技術(shù)在機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用可以有效降低設(shè)備的重復(fù)建設(shè)，有利于構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)。

（二）提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的需求

傳統(tǒng)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)中，由于受到了教學(xué)設(shè)備以及師資的制約，許多高校的實(shí)踐教學(xué)都只能分批次進(jìn)行，學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手機(jī)會(huì)因此受到了極大的制約，部分學(xué)生可能在學(xué)期結(jié)束后，對于許多知識還處于一知半解的狀態(tài)，這樣就容易使得學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)知識時(shí)容易產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的挫敗感，實(shí)踐教學(xué)效果差，學(xué)生在將來走向社會(huì)之后，所學(xué)的知識無法適應(yīng)工作崗位需求，增加學(xué)生就業(yè)的難度，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用后相關(guān)問題將會(huì)得到有效解決，學(xué)生可以在虛擬仿真技術(shù)的支持之下，自主探索自身感興趣的機(jī)器人知識。針對自己在課堂上沒有準(zhǔn)確理解的知識，在課下反復(fù)多次練習(xí)，保證學(xué)習(xí)質(zhì)量效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

（三）滿足技能競賽的需求

工業(yè)機(jī)器人屬于典型的機(jī)電一體化設(shè)備，當(dāng)前，為了更好地提升學(xué)生的實(shí)操能力，促使高校的教育教學(xué)工作更好地適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需要，機(jī)器人技能大賽的開展頻率大幅度增加，這種競賽等級不同，各個(gè)高校的機(jī)器人種類以及應(yīng)用環(huán)境有著明顯的差異，技能大賽多元化的需求越來越高，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用就顯得十分重要了。通過虛擬仿真軟件的操作和應(yīng)用，學(xué)生可以在各自校內(nèi)充分模擬訓(xùn)練承辦方的實(shí)體機(jī)器人系統(tǒng)，比賽前期再到承辦校經(jīng)過短期的指導(dǎo)訓(xùn)練，即可滿足現(xiàn)場競賽的需求。

（一）虛擬仿真與現(xiàn)場實(shí)際操作存在差異

如上文所述，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用雖然可以有效解決學(xué)生機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)存在的一系列問題，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，不可否認(rèn)的是虛擬仿真和現(xiàn)場實(shí)操還存在有明顯的差異，許多學(xué)生在實(shí)操中遇到與虛擬仿真環(huán)境不同時(shí)，由于自身知識儲(chǔ)備不足，學(xué)生解決問題的能力比較差，因此軟件操作中部分學(xué)生會(huì)因?yàn)榇中拇笠狻⑷狈Π踩庾R的問題，導(dǎo)致在實(shí)際操作過程出現(xiàn)不遵守操作規(guī)程的行為，這樣就極大地降低了操作質(zhì)量效果。

（二）虛擬仿真無法兼顧所有教學(xué)設(shè)備

當(dāng)前，我國機(jī)器人工業(yè)顯然發(fā)展迅速，但實(shí)際上高校機(jī)器人專業(yè)教學(xué)實(shí)施的時(shí)間并不是很長，在教學(xué)過程中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，解決了實(shí)操設(shè)備不足的問題，降低了實(shí)操危險(xiǎn)性，有效激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，但實(shí)際上虛擬仿真技術(shù)也并非萬能，其在具體應(yīng)用過程中也存在有諸多缺陷和不足，虛擬仿真技術(shù)無法兼顧到所有教學(xué)設(shè)備，學(xué)生的學(xué)習(xí)需求無法全方位被滿足。

（三）缺乏高素質(zhì)的師資隊(duì)伍

優(yōu)質(zhì)師資隊(duì)伍是做好高校機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的核心所在。在實(shí)際教學(xué)中教師對于學(xué)生知識的學(xué)習(xí)有著重要的引導(dǎo)作用，但是由于高校虛擬仿真技術(shù)的實(shí)施時(shí)間并不是很長，在師資隊(duì)伍方面還存在有諸多缺陷，部分教師雖然有著豐富的理論知識，但實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)普遍不足;部分教師對于虛擬仿真技術(shù)的了解認(rèn)識不足，在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中無法為其提供針對性的指導(dǎo)，導(dǎo)致教學(xué)效果較差。

高校機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)中，要想有效發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的作用與價(jià)值，可以從以下方面著手：

（一）機(jī)器人虛擬工作場景的搭建

在應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)時(shí)，學(xué)生可以使用多種軟件按照不同的方式來搭建虛擬工作場景。第一類是類似FANUC的Roboguide，其內(nèi)置了一些典型的工業(yè)機(jī)器人工作場景的虛擬模型，可直接調(diào)用，如搬運(yùn)機(jī)器人。第二類是使用通用三維建模軟件如Creo、SolidEdge等軟件設(shè)計(jì)機(jī)器人的工作場景。這樣在進(jìn)行機(jī)器人實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目建設(shè)的同時(shí)。還可以鍛煉部分優(yōu)秀學(xué)生的三維建模能力。不過此類自建模型一般還需要導(dǎo)入專業(yè)交互軟件，才能作為虛擬場景使用。

（二）機(jī)器人虛擬通訊的連接

以UG NX為例，說明仿真系統(tǒng)如何與機(jī)器人進(jìn)行虛擬通訊。首先在UG NX里建立機(jī)器人的虛擬工作場景。對本機(jī)IP進(jìn)行固定設(shè)置，然后在博途軟件中，新增一個(gè)PLC設(shè)備，例如1200型。設(shè)置好PLC的PROFINET接口IP地址，同時(shí)開啟允許遠(yuǎn)程對象的PUTGET通信訪問，即可將PLC程序下載到PLCSIM仿真軟件。此外，該模式還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的協(xié)同作業(yè)。以上的操作步驟有助于學(xué)生深刻理解關(guān)鍵的通信協(xié)議和PLC控制技術(shù)，可有效提高學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用能力。對于高風(fēng)險(xiǎn)的操作，例如焊接機(jī)器人的實(shí)際操作中，掌握通訊方法更為重要。借助虛擬仿真技術(shù)將虛實(shí)結(jié)合，學(xué)生首先可以在虛擬仿真環(huán)境中準(zhǔn)確了解焊接的原理和操作方法，然后在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行演練，可以有效減少各種事故發(fā)生的可能性，提高學(xué)生實(shí)習(xí)的質(zhì)量。

（三）機(jī)器人虛擬工作路徑的規(guī)劃

機(jī)器人路徑規(guī)劃的目的是為了完成某個(gè)任務(wù)的相關(guān)動(dòng)作，對機(jī)器人各關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)序列。簡而言之就是找一條從起始位置到目標(biāo)位置的無碰撞路徑，諸多路徑中其中又以運(yùn)動(dòng)距離較短的路徑為較優(yōu)選擇。以抓取機(jī)器人的虛擬仿真為例，機(jī)器人的動(dòng)作序列分為：抓取、提升、旋轉(zhuǎn)、降低、放置等系列操作。在其機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的空間路徑上，要設(shè)置不同的角度、速度變量。設(shè)置不合理，容易導(dǎo)致機(jī)器人碰撞損壞，甚至威脅人身安全。利用虛擬仿真技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，測試路徑規(guī)劃是否安全、合理。從虛擬仿真系統(tǒng)中，學(xué)生可以更好地觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，直觀了解機(jī)器人的實(shí)時(shí)工作姿態(tài)，查看機(jī)器人動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，進(jìn)而更準(zhǔn)確地判斷機(jī)器人軌跡規(guī)劃的合理性。部分學(xué)生邏輯思維并不是十分的嚴(yán)密。知識運(yùn)用不夠熟練，但他們還是躍躍欲試。因此，為更好地發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的作用，在機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)中，可以先讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)會(huì)如何進(jìn)行路徑規(guī)劃，以便為后期的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。

（四）仿真演練機(jī)器人故障的排除

實(shí)際工作中應(yīng)用機(jī)器人時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障，學(xué)生在機(jī)器人實(shí)操時(shí)也并非一帆風(fēng)順，他們也會(huì)因?yàn)椴僮鞣椒ú划?dāng)或者是其他類型的問題，導(dǎo)致操作不順暢。因此在機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)中還需要幫助學(xué)生獲取一定的故障處理能力，這樣在實(shí)踐學(xué)習(xí)以及后期走上工作崗位之后，才能順利、有效地處理類似問題。虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢之一就在于其可以人為設(shè)置一定障礙，幫助學(xué)生感知在障礙情況下應(yīng)當(dāng)如何采取措施并予以解決，借此加深學(xué)生對于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行原理的理解和認(rèn)識。如果沒有虛擬仿真技術(shù)，真實(shí)物理設(shè)備正常使用中的故障一般是隨機(jī)、難以重復(fù)的，而一旦出了故障，設(shè)備維修難度大、時(shí)間長，也會(huì)導(dǎo)致教學(xué)進(jìn)程的暫停。人工設(shè)置物理故障，也容易發(fā)生預(yù)料之外的故障，甚至損壞設(shè)備。在虛擬仿真的系統(tǒng)里，教師可以任意設(shè)置虛擬元器件為故障狀態(tài)，讓學(xué)生通過自主分析或引導(dǎo)提示，查找到該故障點(diǎn)，并加以排除?；謴?fù)機(jī)器人的正常工作狀態(tài)。這種演練一定程度上可以訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)備調(diào)試和故障排除的能力。

（五）虛擬仿真教學(xué)環(huán)節(jié)的分類

在設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)，要根據(jù)其內(nèi)涵，例如教師演示型、學(xué)生實(shí)操型、崗位展示型，據(jù)此分為以實(shí)帶虛、以虛助實(shí)、虛實(shí)結(jié)合三種交互形式。教師講授過程中，需要演示給學(xué)生觀看的部分，做成以虛助實(shí)類型;學(xué)生課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的部分，做成以實(shí)帶虛類型;職業(yè)崗位工作體驗(yàn)的部分，做成虛實(shí)結(jié)合類型。首先，在虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)中時(shí)，可以采用新形態(tài)VR/AR教材，學(xué)生在閱讀教材就能夠借助手機(jī)等設(shè)備掃描其二維碼，觀察虛仿軟件App呈現(xiàn)的三維結(jié)構(gòu)和功能仿真，同時(shí)學(xué)習(xí)課本理論知識。實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化發(fā)展，避免理論與實(shí)踐彼此相互隔離的情況發(fā)生，保證學(xué)生對于機(jī)器人實(shí)踐知識有更加直觀深入地了解和認(rèn)知。其次，在虛實(shí)聯(lián)系過程中，需要重點(diǎn)讓學(xué)生演練機(jī)器人操作流程及注意事項(xiàng)，這樣的話可以有效減少各類突發(fā)性事件發(fā)生的頻率，保證學(xué)生學(xué)習(xí)、操作的安全性。最后，虛擬技術(shù)應(yīng)用過程中。安全事件發(fā)生的頻率雖然大幅度降低，但是教師在安排學(xué)生進(jìn)行仿真操作時(shí)，也不能對學(xué)生不聞不問，而是要做好巡回指導(dǎo)，以便及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并解決問題，為學(xué)生答疑解惑，并準(zhǔn)確掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)情況，為后期教學(xué)工作的實(shí)施做好準(zhǔn)備。優(yōu)化教學(xué)中存在的缺陷與不足，教師還可以對表現(xiàn)優(yōu)異的學(xué)生予以適當(dāng)獎(jiǎng)勵(lì)，比如，對于認(rèn)真完成模擬操作的學(xué)生，可以讓其直接進(jìn)入到真實(shí)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境之中參與實(shí)際操作，通過虛實(shí)結(jié)合，使得學(xué)生學(xué)習(xí)、實(shí)操能力水平更好提升。

（六）師資團(tuán)隊(duì)的虛擬仿真技術(shù)能力提升

虛擬仿真技術(shù)要想在高校機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)中推廣應(yīng)用，也需要保證教師的能力素養(yǎng)達(dá)到了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，否則諸多工作都難以有效實(shí)施。教師的新技術(shù)應(yīng)用水平，對于學(xué)生的成長及發(fā)展有著重要的引導(dǎo)作用。在打造高素質(zhì)師資隊(duì)伍時(shí)，必須積極主動(dòng)與市場接軌，要保證教師對于市場上各項(xiàng)機(jī)器人的工業(yè)應(yīng)用情況有充分的了解和認(rèn)識，能夠結(jié)合市場需求，科學(xué)應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)傳授相關(guān)知識，提升學(xué)生的實(shí)踐能力。日常教學(xué)中需要做好教師的基礎(chǔ)培訓(xùn)工作。保證教師的能力水平處于不斷提升的狀態(tài)。時(shí)代在不斷的發(fā)展和進(jìn)步，機(jī)器人工業(yè)水平也可謂是日新月異，所以必須要實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)的常態(tài)化，保證教師可以充分的滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，優(yōu)化教育教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，通過教學(xué)能力比賽、新形態(tài)教材合作開發(fā)、虛擬仿真課程資源庫制作等形式，也能有效促進(jìn)教師對虛擬仿真技術(shù)的學(xué)習(xí)。當(dāng)然。這并不是要求每位專業(yè)課教師都能自己獨(dú)立開發(fā)虛擬仿真資源，而是指虛擬仿真課程的任課老師要積極配合教材開發(fā)和資源制作團(tuán)隊(duì)，提供高質(zhì)量的交互動(dòng)作腳本、高質(zhì)量的模型原型等素材。

綜上可見，虛擬仿真技術(shù)在高校機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)中有著多種優(yōu)勢，如一方面其可以創(chuàng)設(shè)三維虛擬工作情境，有效解決機(jī)器人數(shù)量不足的問題，教學(xué)成本得到了有效降低，教學(xué)質(zhì)量也有了明顯的提升。另一方面，采用虛擬仿真課程資源教學(xué)有利于提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、提高了教師的課堂效率。因此，對于高校來說，必須要正視虛擬仿真技術(shù)在機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)中的作用與價(jià)值，搭建好基礎(chǔ)教學(xué)設(shè)施，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)展需要。