摘 要：隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人在我國(guó)的銷量逐年增長(zhǎng)，市場(chǎng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)人才的需求愈加旺盛，高校也致力于培養(yǎng)出滿足市場(chǎng)需求的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)相關(guān)人才。依據(jù)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，文章分析了工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中普遍存在的問(wèn)題，以及虛擬仿真教學(xué)的利弊，探討了采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，為解決當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教育中存在的問(wèn)題提供了一種高性價(jià)比的可行性方案。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) 工業(yè)機(jī)器人 實(shí)訓(xùn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：F240 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4914（2024）07-188-02

一、引言

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是結(jié)合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、傳感器、先進(jìn)制造等領(lǐng)域技術(shù)的新技術(shù)，隨著我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)作為發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，其應(yīng)用領(lǐng)域也愈加廣闊。隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的增加，與工業(yè)機(jī)器人裝調(diào)、編程、維修相關(guān)技術(shù)人才的需求也相應(yīng)擴(kuò)張。鑒于當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)人才的需求，很多高校也開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人專業(yè)。培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用型人才，重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生工業(yè)機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的實(shí)踐應(yīng)用能力，因此，建設(shè)工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室，做好實(shí)訓(xùn)教學(xué)顯得尤為重要。

目前，依據(jù)教育部的倡議，很多院校采用“虛擬引領(lǐng)、虛實(shí)并進(jìn)、實(shí)踐為本”的教學(xué)策略，在實(shí)物教學(xué)的同時(shí)，開展了工業(yè)機(jī)器人相關(guān)的虛擬仿真教學(xué)，并取得了一定的積極效果，但是仍存在不足之處。文章闡述了當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)物教學(xué)中存在的問(wèn)題，分析了虛擬仿真教學(xué)的利弊，探討了采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，創(chuàng)造實(shí)踐環(huán)境，讓學(xué)生在充分的訓(xùn)練中掌握工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)和操作的形式，為解決當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中存在的問(wèn)題提供了一種良好的解決方案。

二、傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在的問(wèn)題

工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)是提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效果直接影響了學(xué)生操作技能水平。工業(yè)機(jī)器人專業(yè)作為近幾年開設(shè)的新增專業(yè)，各院校對(duì)該專業(yè)的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)建設(shè)還處于起步探索階段，目前，雖然已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)和成果，但是仍然存在很多不足，普遍存在問(wèn)題如下：

（一）資金投入大

工業(yè)機(jī)器人設(shè)備價(jià)格高，一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的價(jià)格約十幾萬(wàn)，滿足教學(xué)需要的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室建設(shè)需要大量資金投入。另外，工業(yè)機(jī)器人更新?lián)Q代速度相對(duì)較快，更新設(shè)備才能掌握最新技術(shù)，若長(zhǎng)時(shí)間不更新設(shè)備，容易造成設(shè)備老舊，更新設(shè)備的同時(shí)也會(huì)閑置舊設(shè)備，造成資源浪費(fèi)。由于工業(yè)機(jī)器人專業(yè)相關(guān)設(shè)備價(jià)格高，因此，很多學(xué)校只購(gòu)買學(xué)習(xí)單一品牌的工業(yè)機(jī)器人，多數(shù)學(xué)校也沒(méi)有建設(shè)工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)工作站，學(xué)生缺乏系統(tǒng)的多機(jī)器人配合實(shí)訓(xùn)的鍛煉。

（二）危險(xiǎn)性大

學(xué)生實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，由于操作不熟練或者未按操作規(guī)程正確操作，易造成零件丟失或工具及設(shè)備的損壞。由于工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)過(guò)程中需要操作機(jī)器人，如果學(xué)生未按規(guī)定設(shè)置工業(yè)機(jī)器人的安全運(yùn)行速度，容易使機(jī)器人或者周邊設(shè)備碰撞損壞，甚至發(fā)生學(xué)生人身安全事故。另外，工業(yè)機(jī)器人設(shè)備體積較大，為了安全起見(jiàn)，通常設(shè)置有安全操作區(qū)間，因此，實(shí)訓(xùn)室還需要較大的空間。以上問(wèn)題均影響著工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)的教學(xué)效率。

（三）實(shí)訓(xùn)效果不佳

由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足，對(duì)于班級(jí)較多的情況，實(shí)驗(yàn)室的利用率較高，教學(xué)時(shí)間安排不夠友好，設(shè)備的頻繁使用也增加了維護(hù)成本，而且一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，對(duì)教學(xué)工作將會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。教師上課通常采用分組輪流實(shí)訓(xùn)，部分同學(xué)學(xué)習(xí)積極性不高，空閑下來(lái)容易躲著玩游戲，而且分組實(shí)訓(xùn)過(guò)程缺少有效監(jiān)控，學(xué)生操作時(shí)敷衍應(yīng)對(duì)操作任務(wù)，學(xué)生未得到充分鍛煉，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)效果不佳。而且受到設(shè)備限制，學(xué)生無(wú)法進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人相關(guān)知識(shí)的全面學(xué)習(xí)和鍛煉，進(jìn)入企業(yè)工作后能力無(wú)法勝任崗位需求，學(xué)校的人才培養(yǎng)質(zhì)量無(wú)法得到企業(yè)的信任。

三、虛擬仿真技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的優(yōu)缺點(diǎn)

虛擬仿真軟件分為通用軟件和專用軟件。目前，工業(yè)機(jī)器人四大家族都有公司研發(fā)的專用機(jī)器人虛擬仿真軟件。虛擬仿真軟件能夠脫離現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，參照實(shí)際工作場(chǎng)景，模擬搭建焊接、碼垛、搬運(yùn)、噴涂、裝配等多種虛擬三維工作情境。相比于實(shí)際工業(yè)機(jī)器人工作站，工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真軟件具有操作性強(qiáng)、安全性高且成本低等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)虛擬仿真軟件開展教學(xué)，擺脫了場(chǎng)地和設(shè)備的局限，更易于集中教學(xué)，提高教學(xué)效率。同時(shí)學(xué)生可在模擬的工作場(chǎng)景中了解實(shí)際崗位要求，帶著目標(biāo)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生崗位適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)校教學(xué)內(nèi)容緊扣實(shí)際崗位能力需求。由于軟件交互性強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能得到直觀結(jié)果，也能方便地進(jìn)行修改和測(cè)試，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性和創(chuàng)造力。

部分學(xué)校由于缺乏工業(yè)機(jī)器人技能大賽實(shí)訓(xùn)設(shè)備，往往無(wú)法在技能大賽中取得好成績(jī)，如果根據(jù)大賽的要求開發(fā)仿真軟件，無(wú)需購(gòu)買大賽使用的設(shè)備，學(xué)生也可以進(jìn)行技能大賽訓(xùn)練，學(xué)生若能在大賽中取得佳績(jī)，不僅提升了自身能力，還可以提高學(xué)校的影響力。

雖然學(xué)生通過(guò)使用虛擬仿真技術(shù)能夠有效地訓(xùn)練操作能力，解決實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的部分問(wèn)題，但電腦上顯示的虛擬仿真軟件和現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情景存在著較大的差別，無(wú)法鍛煉學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力。同時(shí)，在電腦軟件環(huán)境下操作，部分學(xué)生無(wú)法產(chǎn)生帶入感，無(wú)法建立起真實(shí)環(huán)境下的操作安全意識(shí)，在實(shí)操中容易發(fā)生違反操作規(guī)程的行為。虛擬仿真編程雖然不占用機(jī)器人工作時(shí)間，但是對(duì)離線編程軟件本身質(zhì)量要求較高，目前，市面上通用的離線編程軟件數(shù)量少而且價(jià)格貴，對(duì)使用者的要求較高，因此，難以大范圍推廣。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（英文名稱：Virtual Reality，縮寫為VR）是20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合了計(jì)算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)于一體，其基本實(shí)現(xiàn)方式是計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以構(gòu)建與實(shí)際工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)全真的仿真系統(tǒng)，學(xué)生戴上虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)，如同身臨其境地進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作。學(xué)生可以通過(guò)虛擬仿真軟件實(shí)訓(xùn)平臺(tái)完成工業(yè)機(jī)器人的拆裝、編程與調(diào)試等實(shí)訓(xùn)操作，操作程序經(jīng)測(cè)試無(wú)誤后亦可下載到實(shí)際平臺(tái)上進(jìn)行調(diào)試。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)建設(shè)中，能充分使用先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備，保證實(shí)訓(xùn)條件與時(shí)俱進(jìn)，解決了實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量不足的問(wèn)題，同時(shí)也使課堂變得生動(dòng)活躍，在不增加設(shè)備數(shù)量的情況下，保證了教學(xué)進(jìn)度，提高了教學(xué)質(zhì)量。其次，使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備可以降低教學(xué)成本，一套VR實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的價(jià)格大概是實(shí)體實(shí)訓(xùn)工作站資金投入的1/10，VR虛擬實(shí)訓(xùn)過(guò)程中也不會(huì)產(chǎn)生零部件損壞和工具損壞等費(fèi)用成本，而且虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)系統(tǒng)可以重復(fù)利用，設(shè)備的改進(jìn)和升級(jí)主要依靠教學(xué)軟件的改進(jìn)與升級(jí)，無(wú)需將硬件資源全部進(jìn)行更換。再次，學(xué)生可提前熟悉實(shí)訓(xùn)操作環(huán)境，極大增強(qiáng)學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作的安全性。

（一）基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)

基于VR技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的硬件由髙性能電腦、可穿戴式頭顯設(shè)備、串流盒、操作手柄、激光定位器以及連接線和電源線組成。硬件部分可以選取市面上成熟的硬件設(shè)備，直接使用?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)采用的VR軟件分兩方面。一方面是三維建模軟件，研究中需要使用三維建模的工具和技術(shù)，嚴(yán)格按照真實(shí)工業(yè)機(jī)器人的尺寸標(biāo)注，一比一構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人的三維模型；同時(shí)，還需要構(gòu)建實(shí)操場(chǎng)景、實(shí)訓(xùn)需要的操作工具等的三維模型。另一方面，VR軟件需要能夠正確反映真實(shí)機(jī)器人的性能參數(shù)，軟件的操作流程要符合正確的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)流程。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)包括了工業(yè)機(jī)器人VR實(shí)訓(xùn)軟件、成績(jī)分析統(tǒng)計(jì)后臺(tái)、VR中控系統(tǒng)、VR編輯器系統(tǒng)和虛擬仿真云系統(tǒng)。學(xué)生使用工業(yè)機(jī)器人VR實(shí)訓(xùn)軟件進(jìn)行虛擬實(shí)訓(xùn)，實(shí)訓(xùn)成績(jī)和動(dòng)作分析能夠?qū)崟r(shí)呈現(xiàn)，老師通過(guò)VR中控系統(tǒng)進(jìn)行課堂管控，后續(xù)通過(guò)VR編輯器系統(tǒng)持續(xù)輸出VR教學(xué)內(nèi)容。整個(gè)平臺(tái)通過(guò)虛擬仿真云系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)包含的軟件中，工業(yè)機(jī)器人VR實(shí)訓(xùn)軟件、成績(jī)分析統(tǒng)計(jì)平臺(tái)需自主開發(fā)；VR中控系統(tǒng)、VR編輯器系統(tǒng)、云系統(tǒng)，這三個(gè)軟件作為配套支撐軟件，可采購(gòu)現(xiàn)成軟件產(chǎn)品。系統(tǒng)構(gòu)建框架分成硬件層、基礎(chǔ)層、中間層和應(yīng)用層四層，其中硬件層由路由器、高性能電腦、VR頭盔和服務(wù)器組成；基礎(chǔ)層是云系統(tǒng)；中間層是VR中控系統(tǒng)和VR編輯器系統(tǒng)；應(yīng)用層為工業(yè)機(jī)器人VR實(shí)習(xí)軟件、成績(jī)分析統(tǒng)計(jì)平臺(tái)和其他VR實(shí)訓(xùn)應(yīng)用。

通過(guò)對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的課堂管理軟件進(jìn)行研究。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建成后，將包含多套VR設(shè)備。在課堂教學(xué)中，老師需要實(shí)現(xiàn)對(duì)這些VR設(shè)備的管控。因此，該課堂管理軟件應(yīng)當(dāng)包含查看學(xué)生機(jī)狀態(tài)、老師統(tǒng)一打開虛擬實(shí)訓(xùn)軟件、查看學(xué)生操作畫面等功能。為了保證實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的自我迭代能力，虛擬教學(xué)內(nèi)容不落后于時(shí)代發(fā)展，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)還應(yīng)當(dāng)具有課件開發(fā)的能力。進(jìn)行軟件方案的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要注意設(shè)計(jì)方案必須從課堂需求出發(fā)，正確體現(xiàn)實(shí)操流程。進(jìn)行系統(tǒng)軟件研究前，首先進(jìn)行文獻(xiàn)研究，查閱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)和資料，然后進(jìn)行實(shí)踐調(diào)研工作，獲取真實(shí)工業(yè)機(jī)器人工作站設(shè)備的參數(shù)和外形尺寸數(shù)據(jù)，同時(shí)詳細(xì)地了解工業(yè)機(jī)器人拆裝，工業(yè)機(jī)器人調(diào)試以及工業(yè)機(jī)器人示教與編程等操作的工藝以及詳細(xì)的步驟流程，接著進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，方案設(shè)計(jì)主要是整理出課堂教學(xué)需求，實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)以及實(shí)操的步驟流程，最后進(jìn)行軟件開發(fā)，首先進(jìn)行人機(jī)界面的開發(fā)，然后采用3DMAX建模軟件進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人本體模型以及各個(gè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)工作站的結(jié)構(gòu)建模，并確保建模模型與真實(shí)情況盡可能相符，最后將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D軟件進(jìn)行優(yōu)化以及交互設(shè)計(jì)開發(fā)等。

（二）VR實(shí)訓(xùn)的實(shí)施

虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件由教學(xué)模式和考核模式兩部分組成。教學(xué)模式是指工業(yè)機(jī)器人相關(guān)專業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)；考核模式是對(duì)操作者完成實(shí)訓(xùn)知識(shí)點(diǎn)的考核統(tǒng)計(jì)，可作為學(xué)生的階段性學(xué)習(xí)測(cè)試。

教師在實(shí)操教學(xué)中，采取小班教學(xué)方式，可將學(xué)生4～6人分為一組進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，首先向?qū)W生介紹并演示正確的操作方法之后，由學(xué)生帶上VR設(shè)備后，通過(guò)行走小范圍移動(dòng)或VR手柄空間定位瞬移，根據(jù)操作信息提示通過(guò)使用虛擬手柄、選擇合適的虛擬工具，完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)。學(xué)生可以在課前課后查閱實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書或者觀看實(shí)訓(xùn)正確操作視頻，熟悉操作流程。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上有操作提示功能，學(xué)生操作時(shí)可以選擇該功能，并跟隨提示進(jìn)行操作練習(xí)，同時(shí)系統(tǒng)還有錯(cuò)誤提示功能，幫助學(xué)生及時(shí)糾正錯(cuò)誤，學(xué)生通過(guò)不斷地練習(xí)能夠熟練地掌握操作技能。

同時(shí)教師在教學(xué)過(guò)程中可以采用PPT、動(dòng)畫、微課等多種手段輔助教學(xué)，發(fā)揮VR教學(xué)的多元化功能，學(xué)生也在全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)中更透徹更深刻的理解和掌握知識(shí)。

五、結(jié)束語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以構(gòu)建真實(shí)立體的三維場(chǎng)景，場(chǎng)景生動(dòng)逼真，使人如同身臨其境，讓學(xué)生能夠全身心地體驗(yàn)到工業(yè)機(jī)器人的實(shí)操環(huán)境，有利于提升學(xué)生的操作技能，提高了課堂的安全性，有利于課堂管理，減輕了教師的工作壓力。在工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程建設(shè)中，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建“虛擬機(jī)器人工作站”，這種新形式突破了課時(shí)時(shí)間、空間及實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地的限制，有效地降低了教學(xué)成本，能夠有效解決實(shí)訓(xùn)設(shè)備短缺的問(wèn)題，同時(shí)保證了操作的真實(shí)性，避免了實(shí)物操作下的危險(xiǎn)性及設(shè)備的損壞風(fēng)險(xiǎn)。另外，通過(guò)搭建其它品牌機(jī)器人及其工作站，能夠讓學(xué)生得到更全面的學(xué)習(xí)和鍛煉，增強(qiáng)學(xué)生的能力適應(yīng)性，在提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)提高了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。隨著新設(shè)備和新技術(shù)的出現(xiàn)，平臺(tái)也可以進(jìn)行再次開發(fā)，以滿足教學(xué)需求。

[基金項(xiàng)目：武漢城市學(xué)院教研項(xiàng)目（2022CYYBJY005）；2022年地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（202213235004）]

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（作者單位：武漢城市學(xué)院 湖北武漢 430083）

[作者簡(jiǎn)介：童小琴，碩士研究生，武漢城市學(xué)院講師。]

（責(zé)編：賈偉）