“互联网+”时代工业机器人虚拟仿真实验教学研究

袁正　马国清　张磊　芦帅　冯慧　吕勇

【摘要】在“互联网+”时代背景下，本文对工业机器人虚拟仿真实验教学的途径进行探索，分别从专业教学知识体系的建设、实践教学体系的构建等方面入手，选取真实工程案例、模拟实际工作过程，采用线上线下相结合的教学模式，建立了完备的虚拟实验教学平台，为工业机器人领域的人才培养提供了新的途径。

【关键词】互联网+  工业机器人  虚拟仿真

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）11-0226-01

引言

伴随着全世界新一轮“工业革命”的兴起，我国于全国两会的“政府工作报告”中提出“中国制造2025”的宏大计划[1]。在这一计划引领下，如何优化产业对接将成为国内各高校设置学科的重要依据。在“互联网+”时代背景下，工业机器人作为一种新型的高科技产物应运而生，其可以通过人工智能代替人力劳动，从而大幅提高生产效率与质量，进而促进工业发展更优化，具有非常广阔的市场前景 [2]。随着我国工业机器人市场的迅猛发展，该领域内高素质人才的缺失已然成为限制该产业扩展的主要瓶颈[3]。目前，烟台大学机电汽车工程学院正着手开展焊接工业机器人虚拟仿真实验教学项目，通过建立虚拟仿真实验平台以解决现场教学设备成本高、实验消耗大、实操风险高等问题，将自身的教学、科研成果与合作单位共享，并借助企业支持，开发满足社会与生产力发展需求的实验教学资源。

1.虚拟仿真实验教学平台的构建

虚拟教学平台是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其相关专业知识为基础，以计算机和物理效应设备为工具，采用“边写边做”思想创建的，平台结构如图1所示。

1.1专业教学知识体系的建设

一项完整教学项目的实施，需要建立合适的专业教学知识体系与之匹配。项目组通过走访当地相关企业，并结合专业人员的反馈意见，对专业教学知识体系进行建设，如图2所示。项目分别从知识能力、学科专业两个模块出发，确定了以机械工程、计算机科学与技术、控制科学与工程、材料科学与工程为核心的学科专业群，构建了以机械学、力学、机器人学、计算机技术、控制理论、电子技术、测量技术等为核心的课程体系，着重培养学生的机械设计能力、运动分析能力、工艺规划能力、电气设计能力、程序设计能力、测试测量能力，使其具有满足各个岗位需求的综合素质。

1.2实践教学体系的构建

项目实践教学以学习小组为主体，采用“真实工程案例”与“虚拟现实”相融合的教学方式，结合启发式、自主式等教学方法，使学生学习机器人应用的整体流程并掌握各个设计环节的有效方法。

具体实施过程如下：步骤1：组建学习小组，即组建由学生、教师、教辅所构成的学习团体;步骤2：选用多媒体教学、虚拟仿真实训教学、现场实践训练相结合的教学方式，掌握焊接工业机器人设计的核心知识点;步骤3：在虚拟仿真教学过程中，充分利用虚拟情境，采用“教学-科研-应用”三者合一的教学模式，使教学与实践相结合，使学生实际操作水平得到进一步的提高;步骤4：鼓励学生独立思考，促进学生自主性学习、推进学生的研究性学习和个性发展;步骤5：进行反思性评价，即对学习的目标、过程、结果、互动与支持性情况等进行反思与评价。

2.项目教学方法

项目教学以工程实际案例为主体，让学生在“虚拟仿真” 环境下完成项目中所涉及到的各个环节，并就流程中的关键工艺、设计、调试等内容进行实物操作，从而达到“虚实结合”，最终掌握工业机器人应用的基本流程，能够开展相关工程项目的实践，使之成为具有较强综合实践能力的工业机器人技术人才。

教学具体环节如下：环节一：通过视频资源的学习，了解机器人工作站的设计流程;环节二：通过虚拟场景再现，认识并学习机器人工作站的布局以及各个模块的功能和选型; 环节三：利用Power MILL Robot Interface软件进行机器人的运动仿真与轨迹规划;环节四：将离线代码下载到实际焊接机器人中，进行在线调试;环节五：在实验室进行机器人的现场调试，考查学生的最终调试情况。

3.平台优势

本项目对工业机器人虚拟仿真实验教学的途径进行了初步探索，其虚拟实验教学平台相比传统的教学模式具有以下几点优势：（1）整合线上、线下资源，节约实验成本。（2）虚拟现实技术、视频教学平台技术等在教学过程中得到有效利用，大大提高了学生的学习质量与效率。（3）基于项目式教学方法，实现了教学-科研-应用相结合的互助型体系建设。

结语

“中国制造2025”的宏大计划为在我国制造业转型上提出了新的、更高的要求。工業机器人技术的不断发展和应用可以有效提高工业产能和效率，同时也需要大量的相关专业人才。本文以烟台大学机电汽车工程学院项目建设为例，对工业机器人虚拟仿真实验教学的途径进行了深入探索，项目计划依托“数字化网络教学平台”，将虚拟仿真实验从校内共享蔓延至烟台并辐射全国，可以为相关专业领域的兄弟院校提供教学资源与技术指导。

参考文献：

[1]刘晓玲， 庄西真.高技能人才培养：“中国制造2025”与职业教育的最佳结合点[J].职教论坛， 2016（1）：62-66.

[2]朱季泽.工业机器人技术应用研究[J].现代工业经济和信息化， 2018（15）：59-60+69.

[3]吕明珠.基于Robotmaster的工业机器人虚拟仿真实验平台设计[J].电气开关， 2017（06）：26-29.

作者简介：

袁正（1989-），男，博士研究生，讲师，主要从事机械工程相关领域的教学与研究工作。

张磊（1976-），女，博士研究生，副教授，主要从事机械原理与设计的教学工作。