虚拟仿真技术在高校机器人实践教学中的应用研究

阎汉生

【关键词】虚拟仿真技术;高校;机器人实践教学;应用

2014年中国工业机器人销量达4万余台，在全球工业.机器人市场份额中占据首位。工业机器人行业快速发展也使得相关行业人才需求矛盾日益突出，既具备丰富理论知识同时又具有实践动手能力的复合型人才极度匮乏。高校必须承担起人才培养的重任，当前，虽然有诸多高校开设了工业机器人课程，以求更好地满足社会生产对于相关领域人才的需求，但是相较于欧美以及日本等国家来说，我国工业机器人教育起步相对较晚，师资力量薄弱，且工业机器人设备价格昂贵，降低了学生实践操作质量效果。而借助虚拟仿真教学，则可以有效解决工业机器人不足的问题，教学资源能够得到更加科学合理的分配，保证学生有充足时间进行课后练习，而且虚拟仿真技术的应用还可以避免各类安全隐患，降低教学成本，提高教学质量。

虚拟仿真技术从广义上说，是在面对复杂关键问题时。为预测做的一种替代性原理模型，可以动态模拟出该问题的主要组成部分及其关系变化，实验成本低、时间速率可调，通常能支持多次重复性试验，找出影响问题的主要变量。从狭义上说，虚拟仿真技术是一种采用计算机图形图像技术为主的结合传感器、控制器等自动化技术，通过构建虚拟模型、虚拟环境、虚拟设备而形成的虚拟仿真系统，按照预定实验程序参数运行。可视化展示过程和实验结果。其主要优点是避免真实试验的破坏性、危险性、难再现和高投入问题，可以通过变量的调整，快速展示各种可能的实验结果，从而更好地优化真实试验的各项条件，获得更有效的结果。

（一）激发学生创造力，提升学习主观能动性

在高校机器人教学过程中，虚拟仿真技术可以结合不同的教学内容，为学生构建不同类型的三维实训场景，学生在学习机器人实践知识时，结合自身的能力水平以及知识储备情况，选择自己感兴趣的知识提前进行自主学习。同时，虚拟仿真技术的交互性比较强，学生可以快速掌握操作的技巧和方法，针对学习过程中所遇到的种种问题进行验证，并且快速获得直观结果，有效降低学生理解知识的难度，激发学生创造力，提高学习主观能动性。

（二）降低教学成本，提高实践操作安全性

实践教学的关键就在于让学习者自主动手实践，但是机器人实践教学不同于其他学科，教学过程中对所需要的专业机器人设备，提出的专业性要求比较高，且该设备的造价也较高，对于资金不充裕的高校来说其配备的教学设备数量有限，可能无法满足每个学生上机训练的需求，这样不仅会影响训练效果，还会降低学生的实践学习积极性。而虚拟仿真技术的应用则可以有效解决该问题，虚拟仿真技术可以创设三维实训场景，有效弥补实践设备不足的问题，满足学生实践学习需求。同时。针对部分学生在课堂上没有完全理解的实践操作知识，在课下也可以借助虚拟仿真技术进行多次练习，对于相关知识的理解和掌握能够更加深入。此外，传统实操教学过程中可能会出现学生对于实操知识掌握不够牢固。导致机器人碰撞或者是其他不良情况发生，这样不仅影响实操的正确性，还会降低实操的安全性。

（三）有效搭建实际岗位情境，帮助学生深入掌握岗位要求

对于高校学生来说，在校学习的一系列知识都要运用到未来的职场上，并在实际工作中应用，这样才能展现出所学知识的作用与价值。虚拟仿真技术可以为学生搭建实际岗位情境，模拟仿真焊接、码垛、搬运、喷涂、装配等多种实际工作，脱离现场条件的束缚，让学生直观地感受到自己未来走上工作岗位之后，应当具备哪些方面的技能，帮助学生明确自身当前知识学习过程中存在的缺陷和不足，树立未来努力发展的目标，实现学校教学内容与实际岗位工作能力的运用，为学生未来的发展奠定更好的基础。

（一）减少设备重复建设的需求

工业机器人应用范围极为广泛，如焊接、码垛、搬运以及油漆等工作，都可以借助工业机器人完成，加之世界上工业机器人种类众多，不同类型机器人在操作及使用方面也存在显著差异，且工业机器人系统造价高昂，在高校机器人实践教学中，将所有种类机器人和应用环境配备齐全显然是一件难度极大的事情，这也与我国对建设资源节约型、环境友好型社会的追求背道而驰。虚拟仿真技术在机器人实践教学的应用可以有效降低设备的重复建设，有利于构建节约型社会。

（二）提升人才培养质量的需求

传统机器人实践教学中，由于受到了教学设备以及师资的制约，许多高校的实践教学都只能分批次进行，学生的实践动手机会因此受到了极大的制约，部分学生可能在学期结束后，对于许多知识还处于一知半解的状态，这样就容易使得学生在学习相关知识时容易产生比较强烈的挫败感，实践教学效果差，学生在将来走向社会之后，所学的知识无法适应工作岗位需求，增加学生就业的难度，虚拟仿真技术应用后相关问题将会得到有效解决，学生可以在虚拟仿真技术的支持之下，自主探索自身感兴趣的机器人知识。针对自己在课堂上没有准确理解的知识，在课下反复多次练习，保证学习质量效果达到标准要求。

（三）满足技能竞赛的需求

工业机器人属于典型的机电一体化设备，当前，为了更好地提升学生的实操能力，促使高校的教育教學工作更好地适应时代发展需要，机器人技能大赛的开展频率大幅度增加，这种竞赛等级不同，各个高校的机器人种类以及应用环境有着明显的差异，技能大赛多元化的需求越来越高，虚拟仿真技术的应用就显得十分重要了。通过虚拟仿真软件的操作和应用，学生可以在各自校内充分模拟训练承办方的实体机器人系统，比赛前期再到承办校经过短期的指导训练，即可满足现场竞赛的需求。

（一）虚拟仿真与现场实际操作存在差异

如上文所述，虚拟仿真技术的应用虽然可以有效解决学生机器人实践教学存在的一系列问题，但在实际应用过程中，不可否认的是虚拟仿真和现场实操还存在有明显的差异，许多学生在实操中遇到与虚拟仿真环境不同时，由于自身知识储备不足，学生解决问题的能力比较差，因此软件操作中部分学生会因为粗心大意、缺乏安全意识的问题，导致在实际操作过程出现不遵守操作规程的行为，这样就极大地降低了操作质量效果。

（二）虛拟仿真无法兼顾所有教学设备

当前，我国机器人工业显然发展迅速，但实际上高校机器人专业教学实施的时间并不是很长，在教学过程中虚拟仿真技术的应用，解决了实操设备不足的问题，降低了实操危险性，有效激发了学生学习兴趣，但实际上虚拟仿真技术也并非万能，其在具体应用过程中也存在有诸多缺陷和不足，虚拟仿真技术无法兼顾到所有教学设备，学生的学习需求无法全方位被满足。

（三）缺乏高素质的师资队伍

优质师资队伍是做好高校机器人实践教学的核心所在。在实际教学中教师对于学生知识的学习有着重要的引导作用，但是由于高校虚拟仿真技术的实施时间并不是很长，在师资队伍方面还存在有诸多缺陷，部分教师虽然有着丰富的理论知识，但实践经验普遍不足;部分教师对于虚拟仿真技术的了解认识不足，在学生学习过程中无法为其提供针对性的指导，导致教学效果较差。

高校机器人实践教学中，要想有效发挥虚拟仿真技术的作用与价值，可以从以下方面着手：

（一）机器人虚拟工作场景的搭建

在应用虚拟仿真技术时，学生可以使用多种软件按照不同的方式来搭建虚拟工作场景。第一类是类似FANUC的Roboguide，其内置了一些典型的工业机器人工作场景的虚拟模型，可直接调用，如搬运机器人。第二类是使用通用三维建模软件如Creo、SolidEdge等软件设计机器人的工作场景。这样在进行机器人实训项目建设的同时。还可以锻炼部分优秀学生的三维建模能力。不过此类自建模型一般还需要导入专业交互软件，才能作为虚拟场景使用。

（二）机器人虚拟通讯的连接

以UG NX为例，说明仿真系统如何与机器人进行虚拟通讯。首先在UG NX里建立机器人的虚拟工作场景。对本机IP进行固定设置，然后在博途软件中，新增一个PLC设备，例如1200型。设置好PLC的PROFINET接口IP地址，同时开启允许远程对象的PUTGET通信访问，即可将PLC程序下载到PLCSIM仿真软件。此外，该模式还可以实现机器人的协同作业。以上的操作步骤有助于学生深刻理解关键的通信协议和PLC控制技术，可有效提高学生对知识的综合应用能力。对于高风险的操作，例如焊接机器人的实际操作中，掌握通讯方法更为重要。借助虚拟仿真技术将虚实结合，学生首先可以在虚拟仿真环境中准确了解焊接的原理和操作方法，然后在真实环境中进行演练，可以有效减少各种事故发生的可能性，提高学生实习的质量。

（三）机器人虚拟工作路径的规划

机器人路径规划的目的是为了完成某个任务的相关动作，对机器人各关节设计的运动序列。简而言之就是找一条从起始位置到目标位置的无碰撞路径，诸多路径中其中又以运动距离较短的路径为较优选择。以抓取机器人的虚拟仿真为例，机器人的动作序列分为：抓取、提升、旋转、降低、放置等系列操作。在其机械臂运动的空间路径上，要设置不同的角度、速度变量。设置不合理，容易导致机器人碰撞损坏，甚至威胁人身安全。利用虚拟仿真技术，可以在计算机虚拟环境中，测试路径规划是否安全、合理。从虚拟仿真系统中，学生可以更好地观察机器人的运动轨迹，直观了解机器人的实时工作姿态，查看机器人动力学状态，进而更准确地判断机器人轨迹规划的合理性。部分学生逻辑思维并不是十分的严密。知识运用不够熟练，但他们还是跃跃欲试。因此，为更好地发挥虚拟仿真技术的作用，在机器人实践教学中，可以先让学生在虚拟环境中学会如何进行路径规划，以便为后期的学习奠定良好的基础。

（四）仿真演练机器人故障的排除

实际工作中应用机器人时可能会出现各种各样的故障，学生在机器人实操时也并非一帆风顺，他们也会因为操作方法不当或者是其他类型的问题，导致操作不顺畅。因此在机器人实践教学中还需要帮助学生获取一定的故障处理能力，这样在实践学习以及后期走上工作岗位之后，才能顺利、有效地处理类似问题。虚拟仿真技术应用的优势之一就在于其可以人为设置一定障碍，帮助学生感知在障碍情况下应当如何采取措施并予以解决，借此加深学生对于工业机器人系统运行原理的理解和认识。如果没有虚拟仿真技术，真实物理设备正常使用中的故障一般是随机、难以重复的，而一旦出了故障，设备维修难度大、时间长，也会导致教学进程的暂停。人工设置物理故障，也容易发生预料之外的故障，甚至损坏设备。在虚拟仿真的系统里，教师可以任意设置虚拟元器件为故障状态，让学生通过自主分析或引导提示，查找到该故障点，并加以排除。恢复机器人的正常工作状态。这种演练一定程度上可以训练学生的设备调试和故障排除的能力。

（五）虚拟仿真教学环节的分类

在设计虚拟仿真教学环节时，要根据其内涵，例如教师演示型、学生实操型、岗位展示型，据此分为以实带虚、以虚助实、虚实结合三种交互形式。教师讲授过程中，需要演示给学生观看的部分，做成以虚助实类型;学生课程实验、实训环节的部分，做成以实带虚类型;职业岗位工作体验的部分，做成虚实结合类型。首先，在虚拟仿真技术应用于机器人实践教学中时，可以采用新形态VR/AR教材，学生在阅读教材就能够借助手机等设备扫描其二维码，观察虚仿软件App呈现的三维结构和功能仿真，同时学习课本理论知识。实现理实一体化发展，避免理论与实践彼此相互隔离的情况发生，保证学生对于机器人实践知识有更加直观深入地了解和认知。其次，在虚实联系过程中，需要重点让学生演练机器人操作流程及注意事项，这样的话可以有效减少各类突发性事件发生的频率，保证学生学习、操作的安全性。最后，虚拟技术应用过程中。安全事件发生的频率虽然大幅度降低，但是教师在安排学生进行仿真操作时，也不能对学生不闻不问，而是要做好巡回指导，以便及时地发现并解决问题，为学生答疑解惑，并准确掌握学生的学习动态情况，为后期教学工作的实施做好准备。优化教学中存在的缺陷与不足，教师还可以对表现优异的学生予以适当奖励，比如，对于认真完成模拟操作的学生，可以让其直接进入到真实的实训环境之中参与实际操作，通过虚实结合，使得学生学习、实操能力水平更好提升。

（六）师资团队的虚拟仿真技术能力提升

虚拟仿真技术要想在高校机器人实践教学中推广应用，也需要保证教师的能力素养达到了相应的标准要求，否则诸多工作都难以有效实施。教师的新技术应用水平，对于学生的成长及发展有着重要的引导作用。在打造高素质师资队伍时，必须积极主动与市场接轨，要保证教师对于市场上各项机器人的工业应用情况有充分的了解和认识，能够结合市场需求，科学应用虚拟仿真技术传授相关知识，提升学生的实践能力。日常教学中需要做好教师的基础培训工作。保证教师的能力水平处于不断提升的状态。时代在不断的发展和进步，机器人工业水平也可谓是日新月异，所以必须要实现培训的常态化，保证教师可以充分的满足学生的学习需要，优化教育教学质量。同时，通过教学能力比赛、新形态教材合作开发、虚拟仿真课程资源库制作等形式，也能有效促进教师对虚拟仿真技术的学习。当然。这并不是要求每位专业课教师都能自己独立开发虚拟仿真资源，而是指虚拟仿真课程的任课老师要积极配合教材开发和资源制作团队，提供高质量的交互动作脚本、高质量的模型原型等素材。

综上可见，虚拟仿真技术在高校机器人实践教学中有着多种优势，如一方面其可以创设三维虚拟工作情境，有效解决机器人数量不足的问题，教学成本得到了有效降低，教学质量也有了明显的提升。另一方面，采用虚拟仿真课程资源教学有利于提升学生学习的积极性、提高了教师的课堂效率。因此，对于高校来说，必须要正视虚拟仿真技术在机器人实践教学中的作用与价值，搭建好基础教学设施，满足学生的学习发展需要。