工業(yè)機(jī)器人模擬仿真技術(shù)在應(yīng)用型大學(xué)教育中的應(yīng)用探究

郭士茹，劉效含，陳 楠，王誠林

(長春電子科技學(xué)院，長春 130114)

在工業(yè)4.0和中國制造2025的大時代背景下，工業(yè)機(jī)器人的智能制造成為主導(dǎo)。為此，國內(nèi)各大高校紛紛開始進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人相關(guān)專業(yè)課程的開設(shè)與設(shè)計。但由于我國工業(yè)機(jī)器人的研究起步較晚，且與課程內(nèi)容的相關(guān)配套實踐設(shè)備成本較高，使得很多高校在工業(yè)機(jī)器人理論與實踐的印證方面仍存在一定的不足，工業(yè)機(jī)器人模擬仿真技術(shù)在應(yīng)用型大學(xué)教育中的作用開始顯現(xiàn)。

1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程特點

從高校專業(yè)設(shè)置角度來說，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)課程涉及力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制理論和運(yùn)動學(xué)相關(guān)學(xué)科的知識，屬于帶有明確綜合性特點的專業(yè)課程，還涉及跨專業(yè)領(lǐng)域，電氣工程、自動化等專業(yè)的學(xué)生可以通過對工業(yè)機(jī)器人相關(guān)應(yīng)用課程知識的學(xué)習(xí)，對已經(jīng)掌握的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、自動控制原理等理論性課程進(jìn)行深度理解與掌握，并學(xué)會如何實現(xiàn)理論知識與實踐操作的有機(jī)融合[1]。通過工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用課程的學(xué)習(xí)能夠使學(xué)生掌握其基本組織結(jié)構(gòu)、工作原理以及控制方式，使學(xué)生建立扎實的理論基礎(chǔ)。相比傳統(tǒng)教育，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程的開設(shè)能夠為高校相關(guān)專業(yè)學(xué)生帶來不同的學(xué)習(xí)體驗，同時確保學(xué)生能夠?qū)σ颜莆蘸臀磥砑磳W(xué)習(xí)的知識進(jìn)行更新，如電氣控制、機(jī)械制圖、傳感器技術(shù)、可編程控制器等課程都是工業(yè)機(jī)器人相關(guān)課程的基礎(chǔ)知識內(nèi)容，這也說明了工業(yè)機(jī)器人課程具有跨專業(yè)性和復(fù)雜性的特點。

2 工業(yè)機(jī)器人模擬仿真教學(xué)在應(yīng)用型大學(xué)教育中存在的問題

2.1 實驗設(shè)備老舊

由于大部分高校經(jīng)費不足，而工業(yè)機(jī)器人仿真模擬教學(xué)相關(guān)設(shè)備造價較高，致使高校沒有充足的資金購置與教學(xué)內(nèi)容相匹配的實驗設(shè)備。設(shè)備數(shù)量不足且大部分較為老舊，缺乏維護(hù)維修資金，現(xiàn)有實驗設(shè)備與目前工業(yè)上所應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人在整體技術(shù)水平方面存在較大差距，無法滿足學(xué)生的實踐需求。

2.2 創(chuàng)新型實驗缺乏

高校設(shè)計的大部分實驗項目是為了驗證相關(guān)理論知識，為驗證型實驗或設(shè)計型實驗，每一個實驗都需要依據(jù)實驗指導(dǎo)書的步驟進(jìn)行操作，學(xué)生的實踐技能無法得到充分提升。此外，學(xué)生在實踐課程中，對于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)作的區(qū)域可達(dá)性、設(shè)計可實現(xiàn)性都無法得到實際驗證。相關(guān)程序的編寫和調(diào)試需要耗費很長的周期，程序化的步驟和相關(guān)技術(shù)流程也較為繁瑣，實驗設(shè)備過于老舊，與企業(yè)實際要求脫軌，無法為學(xué)生理論知識提供驗證[2]。

2.3 師資力量不足

工業(yè)機(jī)器人屬于一種高端且復(fù)雜性較高的設(shè)備，要想通過實踐課程強(qiáng)化學(xué)生對工業(yè)機(jī)器人構(gòu)造以及運(yùn)行原理的理解，就必須通過較為復(fù)雜的實驗加以驗證，同時也需要具備豐富行業(yè)經(jīng)驗且全面掌握工業(yè)機(jī)器人理論知識和操作技巧的教師提供支持。但目前很多高校教師缺乏崗位實際操作經(jīng)驗，對工業(yè)機(jī)器人相關(guān)知識與技術(shù)的掌握僅限于理論領(lǐng)域，教師在開展實踐課程時，往往只能依據(jù)實驗指導(dǎo)書進(jìn)行操作，無法真正將理論與實踐有機(jī)融合，學(xué)生的知識無法得到拓展，只能依照指導(dǎo)書的步驟進(jìn)行流程化操作，嚴(yán)重影響了學(xué)生自主學(xué)習(xí)與思考能力、解決問題能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[3]。

3 工業(yè)機(jī)器人模擬仿真技術(shù)在應(yīng)用型大學(xué)教育中的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人模擬仿真是依據(jù)實際的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)原理，結(jié)合計算機(jī)模擬仿真技術(shù)、機(jī)器人基礎(chǔ)理論和圖形技術(shù)在電腦上進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行步驟的三維立體圖形展示。通過程序代碼實現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人動作、系統(tǒng)的操作，通常在工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)前會進(jìn)行仿真試驗，這樣能夠有效降低故障發(fā)生幾率，提高工業(yè)機(jī)器人質(zhì)量，縮短生產(chǎn)時間。工業(yè)機(jī)器人模擬仿真技術(shù)在大學(xué)教育中的應(yīng)用，能夠促使學(xué)生借助仿真模擬實現(xiàn)實踐操作對理論知識的印證，積累豐富的操作經(jīng)驗。

將工業(yè)機(jī)器人模擬仿真技術(shù)引入應(yīng)用型大學(xué)教育中能夠促使專業(yè)實踐與信息化教學(xué)模式有效融合，通過模擬仿真進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人專業(yè)課程的輔助教學(xué)和實踐操作，能夠有效將課程理論知識轉(zhuǎn)化為立體互動的展示內(nèi)容，使學(xué)生體驗工業(yè)機(jī)器人在不同場景下的運(yùn)行模擬[4]。

例如，在執(zhí)行工業(yè)機(jī)器人碼垛任務(wù)時，學(xué)生可以通過工業(yè)機(jī)器人仿真工作站的建立實現(xiàn)模擬仿真軟件中相應(yīng)軟件包程序的編寫，并進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行與操作程序的編寫，以實際工作任務(wù)為目標(biāo)完成碼垛。此外，還可以使用工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行焊接等具有一定危險性的任務(wù)。學(xué)生可以在模擬仿真中深刻理解理論知識，學(xué)生在實際學(xué)習(xí)和實踐過程中不會受到時間、空間、場地的限制，可借助VR虛擬技術(shù)模擬實際操作，如對不同生產(chǎn)線所使用的各型號機(jī)器人作出模擬，節(jié)省成本的同時也能夠有效防止實訓(xùn)中由于操作誤差而帶來的各種風(fēng)險。另外，對于工作區(qū)域的可達(dá)性，家具設(shè)計的可靠性，機(jī)器人編程和調(diào)試時間以及程序優(yōu)化等繁瑣的實驗驗證，都能夠通過工業(yè)機(jī)器人模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用得到有效解決，有效避免了由于經(jīng)費不足而無法購置先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人相關(guān)設(shè)備，同時也大大節(jié)省了設(shè)備維修維護(hù)的成本[5]。

在實際應(yīng)用中，教師要合理設(shè)計項目任務(wù)，鼓勵學(xué)生運(yùn)用模擬系統(tǒng)練習(xí)并熟練操作機(jī)器人編程調(diào)試。此外，要注意最大程度上還原工業(yè)機(jī)器人制造生產(chǎn)和實際運(yùn)行的狀態(tài)及其工作場景，為學(xué)生積累實踐經(jīng)驗提供支持[6]。

4 結(jié)語

在國家的大力支持下，企業(yè)和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)不斷推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究，取得了一定的創(chuàng)新成果，整體技術(shù)水平顯著提升。今后還要不斷培養(yǎng)機(jī)器人專業(yè)的優(yōu)秀人才，包括研發(fā)、操作及維修人才，以滿足我國對工業(yè)機(jī)器人相關(guān)人才的市場需求。各大應(yīng)用型高校應(yīng)加快改進(jìn)工業(yè)機(jī)器人相關(guān)專業(yè)課程的建設(shè)與設(shè)計，為我國智能制造業(yè)提供更多優(yōu)秀人才。