數(shù)字孿生虛擬仿真在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程中的實踐

摘?要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新的技術(shù)、新的知識不斷地應(yīng)用在課程教學(xué)中，數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)就是其中的一種。本文對工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程和數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)進行了論述，而且詳細(xì)地分析了工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)，最后講解了數(shù)字孿生虛擬仿真在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的具體實踐措施和相關(guān)的案例，希望能夠使大眾更好地了解數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)，提高工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生虛擬仿真；工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程；實踐策略

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，各種新的技術(shù)、新的知識蜂擁而出。在我國的教育教學(xué)中，數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程中得到了有效的應(yīng)用，不僅推動了工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的改革，而且創(chuàng)新了工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的人才培養(yǎng)模式，有效地提高了我國人才培養(yǎng)質(zhì)量，促進了我國教育教學(xué)的高質(zhì)量發(fā)展。目前，隨著社會對人才需求越來越高，無論是職業(yè)教育還是大學(xué)教育，都積極地將教育與實踐結(jié)合在一起，并且在教學(xué)過程中也應(yīng)用了新的技術(shù)，有效地解決了教育教學(xué)中存在的難點。同時新技術(shù)、新知識的提出還能夠有效地提高學(xué)生的動手操作能力，使學(xué)生可以充分地利用教學(xué)資源，真正地提高自己的實踐操作能力，為自己的專業(yè)素養(yǎng)奠定扎實的基礎(chǔ)。在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程中，也積極地應(yīng)用了前沿科學(xué)技術(shù)，工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程本身是以機器人技術(shù)為核心，主要是講解工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)和理論知識，并且論述了工業(yè)機器人的設(shè)計、調(diào)試、安裝、系統(tǒng)等方面的知識。在該課程中將數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在其中，可以大幅度地提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

一、工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程現(xiàn)狀

工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程是一門多學(xué)科綜合性的課程，在機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)上，不僅包含了工業(yè)機器人控制、驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)、工業(yè)機器人軟件的設(shè)計和編程技術(shù)，而且涉及了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與人工智能等當(dāng)代前沿技術(shù)。開設(shè)這門課程的主要目的是為了讓學(xué)生了解和掌握工業(yè)機器人的一些結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、程序等相關(guān)方面的知識，使學(xué)生在學(xué)校就能夠具備良好的分析和解決工業(yè)機器人問題的能力。

目前，工業(yè)機器人雖然在我國市場上已經(jīng)有所應(yīng)用，但是所占的比例并不高，因此，在高校教學(xué)中應(yīng)該加強工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)。但是，大部分高校并沒有認(rèn)識到工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的重要性，在此方面的培養(yǎng)力度較弱，而且沒有形成一套完善的教學(xué)體系。由于工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程比較復(fù)雜，學(xué)校如果不盡快優(yōu)化該課程的教學(xué)模式，就有可能影響工業(yè)機器人在市場上的發(fā)展。不僅如此，各大高校在開展工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)時，通常都是以理論課程為主。可是這門課程本身就涉及了非常多的數(shù)學(xué)運算，學(xué)生不僅僅要學(xué)習(xí)該課程的相關(guān)理論知識，而且需要學(xué)習(xí)一些與機器人有關(guān)的操作規(guī)程或者設(shè)置參數(shù)的知識，這對于學(xué)生來說學(xué)習(xí)難度較大。可是傳統(tǒng)的教學(xué)方式，過于重視理論知識的講授，學(xué)生都是被動接受教師所傳授的知識，學(xué)生對工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程相關(guān)的知識沒有任何學(xué)習(xí)的主動性，甚至有一部分學(xué)生產(chǎn)生了厭學(xué)心理。因此，工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)模式急需變革，通過把理論教學(xué)和實踐教學(xué)結(jié)合在一起，讓學(xué)生能夠更加直觀地進行學(xué)習(xí)。

二、數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)

在2011年3月，數(shù)字孿生這個詞匯就已經(jīng)提出。在2012年，開始對數(shù)字孿生技術(shù)進行研究。數(shù)字孿生這項技術(shù)包含了信息技術(shù)、感知技術(shù)、建模技術(shù)和計算技術(shù)，該技術(shù)能夠在虛擬的環(huán)境中建立一個高保真的模型，該模型能夠與物理空間中完全一致，充分地實現(xiàn)了信息的及時交互。在物理空間中進行數(shù)據(jù)的反饋與融合，可以對物體的行為進行實時的模擬，并對其進行監(jiān)控與預(yù)測，從而在物理空間中做出各種決策時提供有效的幫助，使物理空間與虛擬空間真正地實現(xiàn)交互與映射。數(shù)字孿生技術(shù)的主要推動力就是數(shù)字孿生數(shù)據(jù)和信息，而這些數(shù)據(jù)和信息主要包括虛擬實體信息、知識信息、物理實體信息等，有效地幫助虛擬物體與物理實體實現(xiàn)了互通互聯(lián)，而且實現(xiàn)了虛擬實體和物理實體以及服務(wù)之間的交互優(yōu)化。實施數(shù)字孿生技術(shù)是一個具體的過程，必須由虛擬空間和物理空間進行相互促進。在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，需要安裝一個具有智能感知系統(tǒng)的物理模型，這樣一來就可以使物理實體和模擬空間構(gòu)建出相同的數(shù)字孿生體，并且可以對一些有用的數(shù)據(jù)和知識進行及時的保存。通過往虛擬空間中注入實時的數(shù)據(jù)和信息，就可以借助數(shù)字孿生技術(shù)進行仿真操作，從而得到更加真實的仿真數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生技術(shù)又被稱為數(shù)字化雙胞胎，在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程中將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)機器人設(shè)計、仿真、測試、驗證等各個環(huán)節(jié)，從而在虛擬空間中構(gòu)建出與物理實體相對應(yīng)的模型。同時在應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的過程中，還可以準(zhǔn)確地預(yù)判出工業(yè)機器人有可能會出現(xiàn)的問題，確保工作人員可以及時地對設(shè)計方案進行優(yōu)化與完善，進一步縮短了工業(yè)機器人安裝與調(diào)試時間。

三、工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容與方法

（一）教學(xué)內(nèi)容

在任何一個學(xué)科中，教學(xué)目標(biāo)都是教學(xué)內(nèi)容的核心。教師在給學(xué)生講解工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的相關(guān)知識點時，就需要制定出更加清晰科學(xué)的教學(xué)目標(biāo)，這樣才能夠為人才培養(yǎng)提供明確的方向，既可以將工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的相關(guān)知識傳授給學(xué)生，又能夠強化學(xué)生的實踐操作能力，為社會培養(yǎng)出優(yōu)秀的技術(shù)性人才，使學(xué)生在日后的工作崗位中能夠充分應(yīng)用自己所學(xué)的知識。教師在講解工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的知識點時，要以學(xué)校的實際情況為基礎(chǔ)，將理論與實踐充分的結(jié)合在一起，從而實現(xiàn)理實一體化的教學(xué)目標(biāo)。當(dāng)教師給學(xué)生講解工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的理論知識以后，就需要給學(xué)生安排相應(yīng)的實踐課程，使學(xué)生在實踐過程中將所掌握的理論知識全部消化，并進一步提高學(xué)生的實踐操作水平。除此以外，隨著時代的發(fā)展，工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的知識也發(fā)生了新的變化，那么教師的教學(xué)目標(biāo)也要進行完善。

（二）教學(xué)項目的實施

教師在正式給學(xué)生講解工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程之前，就需要在網(wǎng)絡(luò)上搜尋與此相關(guān)的視頻資料，從而拓展學(xué)生的視野，提高學(xué)生對工業(yè)機器人的學(xué)習(xí)熱情。教師也可以讓學(xué)生自主上網(wǎng)搜尋相關(guān)的資料，然后在課堂上與其他學(xué)生進行探討，使學(xué)生能夠?qū)I(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的知識進行深入的了解。在正式授課時，教師還可以將已經(jīng)設(shè)定好的教學(xué)目標(biāo)進行逐一的分解，并將其融入每一個項目教學(xué)之中，從而實現(xiàn)工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)目標(biāo)。在教學(xué)中，教師可以將接線路式教學(xué)法引入，利用各種任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生主動去分析工業(yè)機器人的相關(guān)知識點，并督促學(xué)生進行相應(yīng)的實踐，為學(xué)生以后進入工作崗位打好基礎(chǔ)。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生可以自主設(shè)計項目方案，并且逐一類化課程中所學(xué)的知識，將這些知識點應(yīng)用在實踐中，會自主地進行問題的探究和分析。在整個教學(xué)中，教師起到了良好的輔助作用，而學(xué)生則通過自主收集材料、觀看視頻、自主設(shè)計項目方案，在不知不覺中掌握了工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的相關(guān)知識點。在課后，教師還可以利用網(wǎng)絡(luò)平臺給學(xué)生布置一些實踐任務(wù)，學(xué)生也可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺及時向教師反饋自己的實踐情況，教師就可以根據(jù)每個學(xué)生的實踐情況來安排下節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容。在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)中，教師以工業(yè)機器人項目為主線，學(xué)生為主體，實現(xiàn)教學(xué)的多樣化。

（三）教學(xué)總結(jié)與反饋

教師以學(xué)校學(xué)情為基礎(chǔ)，對工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)方式進行完善與優(yōu)化，積極地引入先進的教學(xué)模式，實現(xiàn)理實一體化教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)生對工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)生興趣，使學(xué)生可以自主地學(xué)習(xí)與此相關(guān)的知識點，對該課程重要知識點掌握得更加牢固。大部分學(xué)生都具有非常強烈的成就感，當(dāng)掌握了一定的知識后，就會有進階的想法，此時教師就可以鼓勵學(xué)生關(guān)注一些國內(nèi)外與工業(yè)機器人有關(guān)的網(wǎng)站，促使學(xué)生進一步學(xué)習(xí)工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程相關(guān)的知識點，為后續(xù)的學(xué)習(xí)奠定堅實的基礎(chǔ)。

四、數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的實踐措施

通過采用虛實結(jié)合方法，就能夠在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程中將數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用進來，從而把現(xiàn)實中工業(yè)機器人的場景和環(huán)境都移動到實驗室中，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時可以利用電腦平臺對工業(yè)機器人的模型進行反復(fù)的搭建，使學(xué)生所學(xué)習(xí)到的知識應(yīng)用在具體的實踐中，從而有效地解決教育教學(xué)中專業(yè)人才技術(shù)人員培養(yǎng)存在的困難。

在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程中將數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用進來，能夠?qū)?shù)字孿生、工業(yè)機器人編程調(diào)試以可視化的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生能夠在虛擬場景中對工業(yè)機器人進行搭建、設(shè)計，甚至還可以對PLC程序進行仿真調(diào)試，進一步加大了該課程教學(xué)實訓(xùn)的效果。在數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)中，數(shù)據(jù)層所獲得的數(shù)據(jù)是其基本的要素，數(shù)據(jù)和信息來源則包括以下兩個部分：第一，通過對物理實體對象與環(huán)境進行分析而獲得的數(shù)據(jù)；第二，對各種模型進行仿真后所獲得的數(shù)據(jù)。在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程實踐操作中會出現(xiàn)各種各樣的動態(tài)數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)和信息的變化不斷推動實體模型和虛擬模型進行更新與完善。

五、數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程中的案例

（一）案例

在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程中將數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在其中，再結(jié)合物理實體中的設(shè)備就能夠研發(fā)出一套新的教學(xué)模式，不僅包括工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程中的基礎(chǔ)理論知識，而且具有機械加工、檢測、制造等方面的知識，使學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時可以借助教學(xué)平臺進行仿真實訓(xùn)。通過應(yīng)用數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)能夠?qū)υO(shè)計出來的工業(yè)機器人進行有效驗證，從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更加全面地了解工業(yè)機器人系統(tǒng)、編程，還可以全面地了解工業(yè)機器人從設(shè)計到驗證的全過程。

數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程中，需要學(xué)校配置一套完善的工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程實虛一體化的實訓(xùn)軟件，把物理實體設(shè)置為虛擬對象。實訓(xùn)軟件的功能非常齊全，其中物理空間中的實體模型，能夠精準(zhǔn)地映射到數(shù)字孿生模型之中，并且借助物理空間中的各種傳感器與數(shù)據(jù)孿生模型進行數(shù)據(jù)通信，從而實現(xiàn)智能感知，此時所獲得的數(shù)據(jù)包括歷史和實時的數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生模型中有各種知識儲備，學(xué)生在應(yīng)用的過程中可以直接調(diào)用數(shù)字孿生模型中的相關(guān)知識。同時當(dāng)學(xué)生在應(yīng)用過程中遇到一些復(fù)雜的算法時，也可以直接運用數(shù)字孿生模型來進行參數(shù)遷移。一些比較簡單的算法學(xué)生可以自己進行編制。

教師在給學(xué)生講解工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的相關(guān)知識點時，就可以讓學(xué)生自己使用電腦搭建數(shù)字孿生模型，開展數(shù)據(jù)鏈接和算法設(shè)計工作。當(dāng)學(xué)生對工業(yè)機器人設(shè)計完成以后，還可以借助數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)進行仿真驗證。在見證的過程中，實訓(xùn)軟件上會將重要的考核點標(biāo)注出來，當(dāng)學(xué)生的設(shè)計通過了所有的考核以后，還可以利用智能服務(wù)模塊與物理實體進行鏈接，通過在電腦端上對數(shù)字孿生模型進行操作就可以直接對智能制造、生產(chǎn)技術(shù)、物理實體進行控制，從而來驗證自己的學(xué)習(xí)效果。

（二）應(yīng)用效果分析

通過在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程中具體應(yīng)用數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以借助實訓(xùn)系統(tǒng)對自己所學(xué)的知識進行全面的訓(xùn)練，真正地實現(xiàn)培養(yǎng)與踐行一體化的教學(xué)方式，進一步強化了工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)效果。

教師在以往對學(xué)生進行工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的授課時，首先都會給學(xué)生講解相關(guān)的理論知識，再帶領(lǐng)學(xué)生進工廠進行實訓(xùn)。這種教學(xué)方式雖然也使學(xué)生具備了一定的實踐經(jīng)驗，但是沒有讓學(xué)生更好地掌握工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程方面的相關(guān)知識。在工廠進行實訓(xùn)的過程中大都是好幾個學(xué)生圍繞一臺設(shè)備進行操作，教師無法全面地了解學(xué)生在實踐中存在的問題，嚴(yán)重影響了工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量。通過在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)中將數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用進來，首先能夠使學(xué)生對工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程方面的知識進行全面的了解，而且通過電腦進行實訓(xùn)時，系統(tǒng)會設(shè)置相應(yīng)的考核指標(biāo)，學(xué)生的實踐操作必須要達(dá)到相應(yīng)的考核指標(biāo)才能做接下來的工作。其次，學(xué)生通過對三維模型和物理實體設(shè)備之間的數(shù)據(jù)和接口進行調(diào)試，可以有效地掌握該設(shè)備的調(diào)試方法。

通過對案例進行分析可知，數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用可以使學(xué)生深入地學(xué)習(xí)工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程方面的知識，并熟練地掌握此方面的技能，為以后進入企業(yè)開展實踐操作奠定良好基礎(chǔ)。

結(jié)語

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新興產(chǎn)業(yè)，學(xué)校也相應(yīng)地開設(shè)各種新的專業(yè)，工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程就是其中的一種。該課程的授課仍然使用傳統(tǒng)方式，教學(xué)效果不佳，但是將數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在授課中，可以有效地解決工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)中存在的問題，提高該課程教學(xué)質(zhì)量的同時促進了工業(yè)機器人的穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻：

［1］劉永剛，姚立權(quán)，朱虹.數(shù)字孿生虛擬仿真在智能制造生產(chǎn)線技術(shù)課程中的實踐［J］.科技資訊，2023，21（04）：203207.

［2］代浩岑，孫丹寧，趙文博.工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述［J］.新型工業(yè)化，2021，11（04）：56.

作者簡介：歐陽群鑫（1992—?）男，漢族，湖南益陽人，學(xué)士，助教，研究方向：機電一體化。