許侃雯，李 洋，2，吳群彪，2，方海峰，2

（1.江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院，江蘇 張家港 215600；2.江蘇科技大學(xué) 機(jī)電與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

0 引言

立足國家“新工科”發(fā)展思路，構(gòu)筑“互聯(lián)網(wǎng)+”教育新模式，學(xué)校越來越強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1]。以機(jī)器人工程專業(yè)為例，隨著畢業(yè)班學(xué)生的實(shí)踐課程如機(jī)器人系統(tǒng)集成實(shí)踐等課程的加入，機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室數(shù)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人實(shí)物難以滿足實(shí)際的實(shí)驗(yàn)課和實(shí)踐課的需求，且學(xué)生使用工業(yè)機(jī)器人的過程中由于操作不當(dāng)，存在較大的安全隱患，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)損壞甚至傷害學(xué)生?；谝陨锨闆r，筆者的學(xué)校展開將虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)引入到機(jī)器人工程專業(yè)課程教學(xué)中，利用現(xiàn)代的前沿技術(shù)改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，使學(xué)生能更好地融入機(jī)器人工程專業(yè)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐中，感受機(jī)器人的魅力。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）融合多種先進(jìn)技術(shù)，包括數(shù)字圖像處理、多媒體和人工智能，借助于電腦模擬出三維環(huán)境的虛擬空間世界；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）是指利用計(jì)算機(jī)生成的二維、三維的物體或者信息資源，經(jīng)過手機(jī)或者其他設(shè)備的攝像頭，疊加到真實(shí)場景中，從而達(dá)到真實(shí)的感官體驗(yàn)[2-3]。筆者認(rèn)為應(yīng)該將虛擬仿真技術(shù)將其引入教學(xué)實(shí)踐中?；谔摂M仿真技術(shù)的研究基礎(chǔ)，結(jié)合筆者的學(xué)校機(jī)器人工程專業(yè)的教學(xué)實(shí)際，展開在機(jī)器人工程專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)思考及方法探索，讓抽象問題具體化，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、實(shí)際應(yīng)用等知識(shí)點(diǎn)的理解，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人工程核心專業(yè)課及實(shí)踐課程的教學(xué)應(yīng)用中去，提高工業(yè)機(jī)器人專業(yè)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和綜合應(yīng)用能力[4-7]。

1 高校機(jī)器人工程專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀

對(duì)于機(jī)器人工程專業(yè)，大型工業(yè)機(jī)器人儀器、設(shè)備在其實(shí)驗(yàn)課和實(shí)踐課中占據(jù)至關(guān)重要的地位。首先，它是高校培養(yǎng)應(yīng)用型技能人才的重要保障；其次，也是測評(píng)高校人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要指標(biāo)；同時(shí)，它也是學(xué)生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、學(xué)科和技能競賽的必要支撐條件。不僅如此，對(duì)于多數(shù)工科院校，大都存在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)器材由于長期使用造成的損壞，并且實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對(duì)老舊、沒有及時(shí)更新?lián)Q代；同時(shí)，由于學(xué)院經(jīng)費(fèi)問題，無力購買足量的昂貴的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)備等問題。進(jìn)而造成不能保證每一個(gè)學(xué)生都能順利使用機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器的問題，導(dǎo)致不少機(jī)器人工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程只能利用仿真分析軟件進(jìn)行教學(xué)，甚至被迫停止或者中斷。

此外，對(duì)于我校機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐課程現(xiàn)狀，其所需的機(jī)器人儀器、設(shè)備需較大的占地面積，部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備無力購買，致使部分機(jī)器人課程無力開展；且由于學(xué)生沒有經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，操作不當(dāng)，在拆裝某機(jī)器人工作站的過程中導(dǎo)致其損壞，造成學(xué)院的巨大損失，致使該實(shí)踐課程的教學(xué)方式僅由老師演示、學(xué)生觀察的現(xiàn)狀，學(xué)生無法在實(shí)踐中得到實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，達(dá)不到實(shí)踐課程目標(biāo)，致使學(xué)生的動(dòng)手操作能力和實(shí)際操作能力得不到較好的發(fā)展，進(jìn)而造成畢業(yè)班學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量一般的現(xiàn)狀。

2 虛擬仿真在機(jī)器人課程中的優(yōu)勢(shì)

2.1 提高教學(xué)安全性

工業(yè)機(jī)器人相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備在操作前需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行“注意事項(xiàng)”的講解，如：操作機(jī)器人時(shí)必須佩戴頭盔；禁止扳動(dòng)機(jī)器人和摔傷示教器，禁止倚靠設(shè)備；手動(dòng)操作時(shí)，禁止頭部靠近工具末端進(jìn)行示教作業(yè)；發(fā)現(xiàn)機(jī)器人異常動(dòng)作或機(jī)器人處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)立即按下最近急停按鈕等。采用RobotStudio、RobotGuide 或Unity等虛擬仿真軟件在電腦上模擬實(shí)際工作站，可在操作前及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)器人未按照正常路徑動(dòng)作等問題并及時(shí)改正，避免機(jī)器人因操作不當(dāng)造成的損壞，以及避免機(jī)器人傷人事件的發(fā)生，保證教學(xué)的安全性。

2.2 提高教學(xué)趣味性

針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中存在的枯燥、死板的教學(xué)模式，學(xué)生對(duì)機(jī)器人編程等相對(duì)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生抵觸學(xué)習(xí)的情緒，機(jī)器人工程專業(yè)引入虛擬仿真技術(shù)教學(xué)使學(xué)生體驗(yàn)置身其中的感覺，其創(chuàng)建的三維畫面彌補(bǔ)二維的不足，使知識(shí)點(diǎn)更加形象化、具體化，讓學(xué)生身臨其境體驗(yàn)機(jī)器人教學(xué)的趣味性，引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的興趣，提高教學(xué)效果。

2.3 降低教學(xué)成本

機(jī)器人本體價(jià)格在數(shù)萬元不等，另外相關(guān)組件一套也在萬元以上，在拆裝實(shí)驗(yàn)中需非常規(guī)范精細(xì)化的操作，不可能實(shí)現(xiàn)人人動(dòng)手進(jìn)行拆裝，且多數(shù)學(xué)生裝回后的機(jī)器人無法動(dòng)作或產(chǎn)生精度問題，導(dǎo)致學(xué)校的損失；另外，一臺(tái)具有綜合功能的技能考核實(shí)訓(xùn)臺(tái)的價(jià)格更是高達(dá)數(shù)十萬元，該實(shí)訓(xùn)臺(tái)的數(shù)量與學(xué)生人數(shù)不成比例。故采用機(jī)器人實(shí)物進(jìn)行教學(xué)，成本太高且難以滿足學(xué)生實(shí)際需要。開發(fā)工業(yè)機(jī)器人拆裝、測繪與技能操作等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以有效解決學(xué)生“聽”實(shí)驗(yàn)、“看”實(shí)驗(yàn)的困境，讓人人參與實(shí)驗(yàn)，全面了解機(jī)器人組成及其工作過程，理解機(jī)器人控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)等，節(jié)約教學(xué)成本，提升教學(xué)質(zhì)量。

2.4 延伸并拓展傳統(tǒng)教學(xué)

我校將進(jìn)一步推進(jìn)課程的持續(xù)性建設(shè)，將結(jié)合企業(yè)實(shí)際工程需要不斷將新內(nèi)容引入虛擬仿真技術(shù)教學(xué)，同時(shí)將機(jī)器人專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展的最新成果引入教學(xué)，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的加速更新，使教學(xué)內(nèi)容更加富有新時(shí)代的特征。同時(shí)，將虛擬仿真技術(shù)引入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、學(xué)科和技能競賽，采用互聯(lián)網(wǎng)共享資源模式，帶動(dòng)行業(yè)兄弟院校，促進(jìn)行業(yè)領(lǐng)域乃至更廣范圍的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐教學(xué)水平得到大幅提升。

3 虛擬仿真技術(shù)在機(jī)器人專業(yè)教學(xué)的應(yīng)用

鑒于虛擬仿真技術(shù)在機(jī)器人專業(yè)的教學(xué)中優(yōu)勢(shì)較為明顯，其發(fā)展極大推動(dòng)教學(xué)活動(dòng)，接下來對(duì)其的具體應(yīng)用進(jìn)行分析與探索。

3.1 課堂理論教學(xué)中的具體應(yīng)用

理論課教學(xué)仍是機(jī)器人工程專業(yè)教學(xué)的重中之重，傳統(tǒng)模式下機(jī)器人專業(yè)的理論教學(xué)主要還是書本與多媒體課件的結(jié)合，書本知識(shí)的理論化講解及一些多媒體的動(dòng)圖、視頻的觀看，學(xué)生對(duì)其缺乏興趣。比如：講解工業(yè)機(jī)器人時(shí)，老師僅能對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)等做大致的講解，并給學(xué)生觀看相關(guān)工業(yè)機(jī)器人焊接、搬運(yùn)、碼垛等視頻，教學(xué)效果不理想。但運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)后，該問題便迎刃而解。比如講解機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，虛擬的機(jī)器人實(shí)物將展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生全方位、多角度的了解不用種類的工業(yè)機(jī)器人，并可對(duì)其進(jìn)行分解與拆裝，加深學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的了解，了解其機(jī)身及臂部、腕部及手部和傳動(dòng)及行走機(jī)構(gòu)等；比如講解機(jī)器人的軌跡規(guī)劃，無需再給學(xué)生講解插補(bǔ)方式的分類，如直接插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等，學(xué)生難以理解。老師可在虛擬仿真軟件中直接添加機(jī)器人工作站，調(diào)用不同種類的機(jī)器人，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的編程，講授具體的軌跡指令，直接讓學(xué)生觀察末端執(zhí)行器的軌跡，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力；比如講解工業(yè)機(jī)器人，虛擬仿真技術(shù)可讓不同的工業(yè)機(jī)器人將呈現(xiàn)在學(xué)生面前，如：焊接機(jī)器人、噴涂機(jī)器人和裝配機(jī)器人等，讓學(xué)生近距離接觸工業(yè)機(jī)器人，感受工業(yè)機(jī)器人的魅力。虛擬仿真技術(shù)可改變傳統(tǒng)模式下的理論教學(xué)，讓學(xué)生身臨其境的感受機(jī)器人的虛擬環(huán)境，加深學(xué)生對(duì)機(jī)器人的興趣，激發(fā)其創(chuàng)新熱情。針對(duì)后疫情時(shí)代，學(xué)生因疫情原因無法到班級(jí)開展線下教學(xué)，多數(shù)采用線上教學(xué)的情況，教師可采用線上教學(xué)的形式給學(xué)生直接展示虛擬仿真機(jī)器人工作臺(tái)，結(jié)合理論課的教學(xué)，使得授課效果顯著。

3.2 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的具體應(yīng)用

由于學(xué)校經(jīng)費(fèi)、資源有限，實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中人員設(shè)備比過于懸殊，十多位同學(xué)使用一臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行操作的情況比較常見；若將學(xué)生進(jìn)行分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，又大大加重教師的工作量，上述兩種情況下教學(xué)效果極不理想，亟需改進(jìn)。運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)能很好解決這一問題，在軟件中導(dǎo)入相關(guān)工業(yè)機(jī)器人數(shù)字模型，建立虛擬仿真平臺(tái)。比如對(duì)勃朗特工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行拆裝維護(hù)的實(shí)驗(yàn)，包括機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)認(rèn)知、機(jī)器人本體及控制器拆卸與安裝和機(jī)器人基本操作等。拆卸與安裝的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生很容易由于操作不當(dāng)引起零件的缺失和混亂，導(dǎo)致拆卸后的機(jī)器人部件無法還原成，造成機(jī)器人損壞的嚴(yán)重后果；機(jī)器人基本操作的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生實(shí)際使用示教器進(jìn)行調(diào)試，會(huì)存在安全問題，實(shí)驗(yàn)有一定的危險(xiǎn)性。運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)可改變傳統(tǒng)模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，避免零件遺漏或者機(jī)器人傷人的事件發(fā)生。通過虛擬仿真技術(shù)來模擬實(shí)際拆卸與安裝的全過程，學(xué)生沉浸其中的了解工業(yè)機(jī)器人本體的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)，清楚各部分的工作原理。同時(shí)，在保證學(xué)生安全的前提下，虛擬仿真技術(shù)能夠更好地將理論與實(shí)際相結(jié)合，具備解決復(fù)雜工程應(yīng)用問題的基礎(chǔ)，提升學(xué)生的綜合能力。

3.3 實(shí)踐課程教學(xué)中的具體應(yīng)用

機(jī)器人專業(yè)的實(shí)踐課程是本專業(yè)極為重要的環(huán)節(jié)，我校提出基礎(chǔ)實(shí)踐能力、綜合實(shí)踐能力和應(yīng)用職業(yè)技能的“三遞進(jìn)”實(shí)踐培養(yǎng)模式。對(duì)于大一、大二學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)能力訓(xùn)練，吸引學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，培養(yǎng)與激發(fā)實(shí)踐動(dòng)手興趣；對(duì)于大二、大三學(xué)生通開展工程機(jī)器人、水中機(jī)器人、智能車等校內(nèi)賽，分項(xiàng)選拔，進(jìn)行有專業(yè)特色的綜合實(shí)驗(yàn)；對(duì)于大三、大四學(xué)生構(gòu)建工程創(chuàng)新中心實(shí)驗(yàn)室，集教學(xué)和科研于一體，并與相關(guān)教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)等合作，進(jìn)行職業(yè)技能與科研能力拓展。但由于疫情原因，學(xué)生出校相對(duì)不便，且由于學(xué)校場地、設(shè)備限制，多數(shù)高校校內(nèi)不具備開展實(shí)踐課程教學(xué)的水平，導(dǎo)致學(xué)生無法深入了解機(jī)器人的核心實(shí)踐課程，如：機(jī)器人系統(tǒng)集成實(shí)踐、機(jī)器人工程專業(yè)綜合課程實(shí)踐等，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手操作等能力無法得到提升。但運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)能很好解決這一問題，提高機(jī)器人專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力。以FUNAC 工業(yè)機(jī)器人技能考核實(shí)訓(xùn)臺(tái)的操作為例，該實(shí)踐課程包括機(jī)器人基本操作、坐標(biāo)系標(biāo)定、激光雕刻模塊變成和搬運(yùn)模塊編程等，引入虛擬仿真技術(shù)均可完成操作。對(duì)于生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，虛擬仿真技術(shù)可創(chuàng)建不同的工作站場景，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣和喜好選擇場景進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，為以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供幫助，為工作與就業(yè)打下良好基礎(chǔ)。使單純的教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)學(xué)生的實(shí)操能力，起到良好的教學(xué)效果。圖1 和圖2 分別為虛擬仿真技術(shù)下的分揀機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人。

圖1 分揀機(jī)器人仿真工作站

圖2 搬運(yùn)機(jī)器人仿真工作站

4 結(jié)語

機(jī)器人工程專業(yè)的課程具有較強(qiáng)的綜合實(shí)踐性，傳統(tǒng)教學(xué)模式對(duì)學(xué)生的發(fā)展造成了極大的限制。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人專業(yè)的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中，達(dá)到強(qiáng)化學(xué)生理論學(xué)習(xí)成效的同時(shí)，提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，提前融入畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐中，使學(xué)生具備從事機(jī)器人技術(shù)相關(guān)工作的資格，培養(yǎng)學(xué)生分析解決實(shí)際生產(chǎn)問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)創(chuàng)新思維和工程意識(shí)。