工业机器人的虚拟仿真技术在信息化课程教学中的有效应用＊

夏中坚

（江苏省淮阴商业学校，江苏 淮安 223001）

先进的制造工业中，工业机器人作为发展的重要手段，具有不可替代性，同时衡量了这个国家的制造水平与科技水平。目前，我国处于工业技术转型并且加快发展的关键时期，机器人产业作为工业机器人的重点部分，正是我国工业生产降低成本、免受环境制约等重要发展的良好选择。近年来，工业机器人行业得到了快速的发展，市场对其的需求量非常大。工业机器人的发展带动了机器人领域的发展。但是在机器人领域发展中，缺失技术水平高、综合能力强、素质比较高的专业人才，产业发展遇到瓶颈时，专业人才缺失，无疑会对发展造成巨大影响。所以，多个国内的中专与大专院校也开展了工业机器人专业，为国家重点培养目前紧缺型人才。但是由于和发达国家相比较，我国工业机器人的人才培养起步较晚，各院校对于专业的发展、实训课程的建设等还处于探索阶段，再加上每个学校对工业机器人昂贵设备的投入差距，导致专业发展良莠不齐。因此，通过虚拟的仿真技术，能够提升教学在实操训练中的质量[1]。例如美国ABB 机器人公司研发的RobotStudio 仿真软件，界面相互交错，操作易懂便利，能够对实际的工作环境进行模拟，满足老师与学生们在教学过程中实验的要求，解决了实操困难的重要问题。

1 虚拟仿真技术在信息化教学中的作用

1.1 能够有效减少教学成本，提高操作安全性

因我国目前在机器人教学实验中建设成本比较昂贵，光是工业机器人一台设备就要四五十万，一个实训室的建设至少要200 万以上。所以这对实训场地和资金的要求都比较高。而如果使用虚拟仿真软件，虽然前期投入有点大，但是从长期考虑，这不仅能够在一定程度上满足学生的实训要求，而且还降低了教学成本的投入，最重要的是能够满足一个学生一台机器的操作训练，确保每一个学生在学习中均能享受到相同的教学效果与训练，同时能够避免操作训练中机器人产生碰撞等危险情况产生，保证了操作课程中的安全性与准确性。

1.2 能够激发学生的学习兴趣和创造力，培养学生主动学习的意识

工业机器人RobotStudio 仿真软件能够有效构建虚拟三维实训场景，模拟真实场景，有利于学生提前熟悉实际操作的环境与内容。由于其交互性强，学生能够快速掌握操作的技巧，对学习过程中出现的问题进行验证，并得到直观的结果，因此极大地激发了学生的学习创造力，培养了学生学习的主观能动性。

1.3 能够搭建实际的操作情境，实现实际工作环境的无缝对接

工业机器人RobotStudio 仿真软件能够模拟仿真焊接、码垛、搬运、喷涂、装配等多种现场的工作，学生可脱离现场条件的束缚模拟搭建实际岗位情境，通过仿真操作可了解实际岗位要求，培养自身提前适应岗位的能力，实现实训教学内容与实际工作岗位能力的无缝对接。

2 RobotStudio仿真软件在信息化教学中的应用实例

在仿真软件教学中采用任务驱动法，将学生分成若干个小组，分组让机械手在机器人工作台上绘制三角形或矩形的场景，从而进行模拟。仿真过程分为布局基本工作站、建立机器人虚拟系统及工件坐标、建立并调试示教路径、再现示教路径四个部分[2]，如图1所示。

图1 直线路径示教及再现的仿真过程

第一，机器人使用的工具为画笔，合理导入工作台模型。第二，依据布局来设置机器人系统，建立机器人虚拟操控器，让机器人具备电器操控特点，并且在工作台中设立三个工作坐标点。第三，使用机器人“手动线性”进行操作，利用设定好的定位来调整机器人位置，之后确定教学，手动线性对话的设计如图2所示。使用MvoeJ 与MoveL指令展开教学编程，直线轨迹指令如图3所示。第四，把教学路径和虚拟控制器进行同步，启动仿真软件同时实现教学路径图。下图4为直线轨迹与教学再现的实现成果。

图2 精确手动线性对话框

图3 直线轨迹指令参数

图4 直线轨迹的示教及再现

利用工业机器人虚拟仿真软件RobotStudio为学生提供现场化教学的同时还能重现仿真教学，让学生们能更容易理解工业机器人的概念，把握其在工作中的基本需求，掌握程序指令使用的调节与编程，更了解工业机器人的使用方式[3]，为将来的工作打下坚固的基础的同时，还更加了解工业机器人的实际操作过程。另外，通过软件的仿真，也能让学生熟悉工业机器人的模拟操作，避免在实际操作过程中因为误操作而撞坏昂贵的设备，导致不必要的损失。

3 虚拟仿真技术在使用过程中存在的问题及解决策略

3.1 存在问题

3.1.1 与现场设备的实际操作还是存在一定的差距

但虚拟仿真毕竟不是真实的设备，它也代替不了真实的设备，它和现场实际操作存在着一定程度的差距，比如在软件操作中学生最容易忽视的就是安全意识，通过软件操作，很容易忽视安全意识，容易麻痹大意，还有很容易忽视工业机器人的安全操作规程，等等。因此，遇到这样的问题，同学们就会欠缺解决突发事件的能力。

3.1.2 难以满足所有不同型号设备的教学需求

一些学校设立的工业机器人操作实验室，因日常教学与比赛的原因，会建设类型不同的工业机器人教学训练室，在利用仿真软件过程中，只能使用某一个单一型号的教学软件，它难以兼顾不同品牌的机器人。

3.2 解决策略

3.2.1 虚实结合，有效开展信息化教学

教师在教学过程中，不能一味地只追求信息化教学，要把仿真虚拟技术和实际机器操作有效地结合起来，并把它们之间的差异表述明确，研究透彻，给学生树立良好的学习习惯，也向同学们强调实际操作的重要性。要让学生严格按照实际操作规范进行训练，具备较强的安全操作认知，让学生们顺利实现虚拟操作和实际操作之间的融合。

3.2.2 以点概面，建设工业机器人专业的信息化课程体系

RobotStudio 仿真机器人软件在使用过程中，不能和其他的仿真软件进行兼容，成为了面临的最大问题。对于这个问题，必须设立一个统一的虚拟仿真操作教学课程，以该软件作为学习基础，提高学生对其他品牌机器人的理解和操作能力。因此，老师要通过数据化资源平台努力建设不同品牌的仿真机器人教学课程，并且在不同的虚拟仿真机器人软件中进行操作之前，均需要了解其特点，同时对其进行归纳与总结，拓宽学生对知识的认知面[4]。

4 结语

RobotStudio 虚拟仿真软件可以进行机器人教学和场景再现等教学操作，让学生们对虚拟仿真操作具有更强的理解能力，对教学也具有直观的认知，了解并且熟悉机器人训练操作方式，提高学生的学习速度，同时还能确保学生们理解掌握其中的重点，突破教学难题。此外，利用这种教学方式，能够确保学生们的安全，同时还能避免在实际操作过程中对机器人造成的损失与破坏。实操教学和仿真教学相互结合，提升了教学的整体效果。