基于虚拟仿真技术的机器人专业教学方法探索

许侃雯，李 洋，2，吴群彪，2，方海峰，2

（1.江苏科技大学 苏州理工学院，江苏 张家港 215600；2.江苏科技大学 机电与动力工程学院，江苏 张家港 215600）

0 引言

立足国家“新工科”发展思路，构筑“互联网+”教育新模式，学校越来越强调对学生实践能力和创新能力的培养[1]。以机器人工程专业为例，随着毕业班学生的实践课程如机器人系统集成实践等课程的加入，机器人实验室数台工业机器人实物难以满足实际的实验课和实践课的需求，且学生使用工业机器人的过程中由于操作不当，存在较大的安全隐患，导致设备出现损坏甚至伤害学生。基于以上情况，笔者的学校展开将虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术引入到机器人工程专业课程教学中，利用现代的前沿技术改变传统的教学模式，使学生能更好地融入机器人工程专业相关课程的实验和实践中，感受机器人的魅力。

虚拟现实技术（VR）融合多种先进技术，包括数字图像处理、多媒体和人工智能，借助于电脑模拟出三维环境的虚拟空间世界；增强现实技术（AR）是指利用计算机生成的二维、三维的物体或者信息资源，经过手机或者其他设备的摄像头，叠加到真实场景中，从而达到真实的感官体验[2-3]。笔者认为应该将虚拟仿真技术将其引入教学实践中。基于虚拟仿真技术的研究基础，结合笔者的学校机器人工程专业的教学实际，展开在机器人工程专业相关课程的教学思考及方法探索，让抽象问题具体化，强化学生对工业机器人机械结构、控制系统、实际应用等知识点的理解，将虚拟仿真技术应用到机器人工程核心专业课及实践课程的教学应用中去，提高工业机器人专业学生的独立思考能力和综合应用能力[4-7]。

1 高校机器人工程专业教学现状

对于机器人工程专业，大型工业机器人仪器、设备在其实验课和实践课中占据至关重要的地位。首先，它是高校培养应用型技能人才的重要保障；其次，也是测评高校人才培养质量的重要指标；同时，它也是学生参与创新创业项目、学科和技能竞赛的必要支撑条件。不仅如此，对于多数工科院校，大都存在机器人实验器材由于长期使用造成的损坏，并且实验设备相对老旧、没有及时更新换代；同时，由于学院经费问题，无力购买足量的昂贵的机器人实验设备等问题。进而造成不能保证每一个学生都能顺利使用机器人实验设备与仪器的问题，导致不少机器人工程专业的实验课程只能利用仿真分析软件进行教学，甚至被迫停止或者中断。

此外，对于我校机器人专业实践课程现状，其所需的机器人仪器、设备需较大的占地面积，部分实验设备无力购买，致使部分机器人课程无力开展；且由于学生没有经过专业培训，操作不当，在拆装某机器人工作站的过程中导致其损坏，造成学院的巨大损失，致使该实践课程的教学方式仅由老师演示、学生观察的现状，学生无法在实践中得到实操经验，达不到实践课程目标，致使学生的动手操作能力和实际操作能力得不到较好的发展，进而造成毕业班学生的毕业设计质量一般的现状。

2 虚拟仿真在机器人课程中的优势

2.1 提高教学安全性

工业机器人相关实验设备在操作前需要对学生进行“注意事项”的讲解，如：操作机器人时必须佩戴头盔；禁止扳动机器人和摔伤示教器，禁止倚靠设备；手动操作时，禁止头部靠近工具末端进行示教作业；发现机器人异常动作或机器人处于危险状态时立即按下最近急停按钮等。采用RobotStudio、RobotGuide 或Unity等虚拟仿真软件在电脑上模拟实际工作站，可在操作前及时发现机器人未按照正常路径动作等问题并及时改正，避免机器人因操作不当造成的损坏，以及避免机器人伤人事件的发生，保证教学的安全性。

2.2 提高教学趣味性

针对传统机器人专业教学中存在的枯燥、死板的教学模式，学生对机器人编程等相对危险实验产生抵触学习的情绪，机器人工程专业引入虚拟仿真技术教学使学生体验置身其中的感觉，其创建的三维画面弥补二维的不足，使知识点更加形象化、具体化，让学生身临其境体验机器人教学的趣味性，引发学生学习机器人的兴趣，提高教学效果。

2.3 降低教学成本

机器人本体价格在数万元不等，另外相关组件一套也在万元以上，在拆装实验中需非常规范精细化的操作，不可能实现人人动手进行拆装，且多数学生装回后的机器人无法动作或产生精度问题，导致学校的损失；另外，一台具有综合功能的技能考核实训台的价格更是高达数十万元，该实训台的数量与学生人数不成比例。故采用机器人实物进行教学，成本太高且难以满足学生实际需要。开发工业机器人拆装、测绘与技能操作等虚拟仿真实验，可以有效解决学生“听”实验、“看”实验的困境，让人人参与实验，全面了解机器人组成及其工作过程，理解机器人控制系统、机械系统和传感系统等，节约教学成本，提升教学质量。

2.4 延伸并拓展传统教学

我校将进一步推进课程的持续性建设，将结合企业实际工程需要不断将新内容引入虚拟仿真技术教学，同时将机器人专业领域的发展的最新成果引入教学，促进教学内容的加速更新，使教学内容更加富有新时代的特征。同时，将虚拟仿真技术引入创新创业项目、学科和技能竞赛，采用互联网共享资源模式，带动行业兄弟院校，促进行业领域乃至更广范围的工业机器人技术实践教学水平得到大幅提升。

3 虚拟仿真技术在机器人专业教学的应用

鉴于虚拟仿真技术在机器人专业的教学中优势较为明显，其发展极大推动教学活动，接下来对其的具体应用进行分析与探索。

3.1 课堂理论教学中的具体应用

理论课教学仍是机器人工程专业教学的重中之重，传统模式下机器人专业的理论教学主要还是书本与多媒体课件的结合，书本知识的理论化讲解及一些多媒体的动图、视频的观看，学生对其缺乏兴趣。比如：讲解工业机器人时，老师仅能对其机械结构、控制系统、传感器系统等做大致的讲解，并给学生观看相关工业机器人焊接、搬运、码垛等视频，教学效果不理想。但运用虚拟仿真技术后，该问题便迎刃而解。比如讲解机器人本体结构，虚拟的机器人实物将展现在学生面前，让学生全方位、多角度的了解不用种类的工业机器人，并可对其进行分解与拆装，加深学生对工业机器人本体结构的了解，了解其机身及臂部、腕部及手部和传动及行走机构等；比如讲解机器人的轨迹规划，无需再给学生讲解插补方式的分类，如直接插补、圆弧插补等，学生难以理解。老师可在虚拟仿真软件中直接添加机器人工作站，调用不同种类的机器人，对其进行相应的编程，讲授具体的轨迹指令，直接让学生观察末端执行器的轨迹，并对其进行优化分析，提升学生的创新能力；比如讲解工业机器人，虚拟仿真技术可让不同的工业机器人将呈现在学生面前，如：焊接机器人、喷涂机器人和装配机器人等，让学生近距离接触工业机器人，感受工业机器人的魅力。虚拟仿真技术可改变传统模式下的理论教学，让学生身临其境的感受机器人的虚拟环境，加深学生对机器人的兴趣，激发其创新热情。针对后疫情时代，学生因疫情原因无法到班级开展线下教学，多数采用线上教学的情况，教师可采用线上教学的形式给学生直接展示虚拟仿真机器人工作台，结合理论课的教学，使得授课效果显著。

3.2 实验课程教学中的具体应用

由于学校经费、资源有限，实验课程教学中人员设备比过于悬殊，十多位同学使用一台机器人进行操作的情况比较常见；若将学生进行分组进行实验，又大大加重教师的工作量，上述两种情况下教学效果极不理想，亟需改进。运用虚拟仿真技术能很好解决这一问题，在软件中导入相关工业机器人数字模型，建立虚拟仿真平台。比如对勃朗特工业机器人进行拆装维护的实验，包括机器人机械结构认知、机器人本体及控制器拆卸与安装和机器人基本操作等。拆卸与安装的实验中，学生很容易由于操作不当引起零件的缺失和混乱，导致拆卸后的机器人部件无法还原成，造成机器人损坏的严重后果；机器人基本操作的实验中，学生实际使用示教器进行调试，会存在安全问题，实验有一定的危险性。运用虚拟仿真技术可改变传统模式下的实验教学，避免零件遗漏或者机器人伤人的事件发生。通过虚拟仿真技术来模拟实际拆卸与安装的全过程，学生沉浸其中的了解工业机器人本体的基本机械结构，清楚各部分的工作原理。同时，在保证学生安全的前提下，虚拟仿真技术能够更好地将理论与实际相结合，具备解决复杂工程应用问题的基础，提升学生的综合能力。

3.3 实践课程教学中的具体应用

机器人专业的实践课程是本专业极为重要的环节，我校提出基础实践能力、综合实践能力和应用职业技能的“三递进”实践培养模式。对于大一、大二学生进行基础能力训练，吸引学生进入实验室，培养与激发实践动手兴趣；对于大二、大三学生通开展工程机器人、水中机器人、智能车等校内赛，分项选拔，进行有专业特色的综合实验；对于大三、大四学生构建工程创新中心实验室，集教学和科研于一体，并与相关教育培训机构等合作，进行职业技能与科研能力拓展。但由于疫情原因，学生出校相对不便，且由于学校场地、设备限制，多数高校校内不具备开展实践课程教学的水平，导致学生无法深入了解机器人的核心实践课程，如：机器人系统集成实践、机器人工程专业综合课程实践等，导致学生动手操作等能力无法得到提升。但运用虚拟仿真技术能很好解决这一问题，提高机器人专业学生的实践能力。以FUNAC 工业机器人技能考核实训台的操作为例，该实践课程包括机器人基本操作、坐标系标定、激光雕刻模块变成和搬运模块编程等，引入虚拟仿真技术均可完成操作。对于生产实习环节，虚拟仿真技术可创建不同的工作站场景，学生可根据自己的兴趣和喜好选择场景进行实训，为以后的毕业设计提供帮助，为工作与就业打下良好基础。使单纯的教学转变为培养学生的实操能力，起到良好的教学效果。图1 和图2 分别为虚拟仿真技术下的分拣机器人和搬运机器人。

图1 分拣机器人仿真工作站

图2 搬运机器人仿真工作站

4 结语

机器人工程专业的课程具有较强的综合实践性，传统教学模式对学生的发展造成了极大的限制。将虚拟仿真技术应用到机器人专业的理论教学、实验教学和实践教学中，达到强化学生理论学习成效的同时，提升学生的实践动手能力，提前融入毕业设计的实践中，使学生具备从事机器人技术相关工作的资格，培养学生分析解决实际生产问题的能力，培养学生的专业创新思维和工程意识。