“虚实结合”工业机器人设备在高职教育中的应用

吴芬

摘   要：“虚实结合”工业机器人实训设备，具有真实的示教器、控制器、虚拟的本体（机械结构）以及系统软件。该设备在南京机电职业技术学院机电一体化技术专业（工业机器人方向）人才培养中、在专业核心课程教学中，都发挥了重要作用。学生使用该设备进行训练，能在较短的时间内，较好地掌握工业机器人操作、编程、调试等技能。与真实机器人设备相比，该实训设备投入资金少，需要场地面积小，技能训练安全性高、效果较好。文章对此进行了分析与研究。

关键词：工业机器人;虚实结合;技能

1    国内工业机器人发展现状

在智能制造大背景下，工业机器人正在国内引发一股热潮，其应用除了传统的汽车、机械、电子电气、航空等领域，目前在家电、食品、物流等领域也快速发展。工业机器人的应用水平是一个国家科技水平和制造业水平的重要体现，是先进制造业中不可或缺的技术和手段[1]。

国内大中城市，不少已建立了专门的机器人产业园（工业区）。机器人产业的快速发展迫切需要大量懂操作、会编程、擅维护的高素质、高技能的专门人才。各地区生产和使用工业机器人的企业，特别是沿海工业发达地区，对工业机器人应用人才的需求量很大。国内的现状是，许多企业想引入机器人方面的专业技术人员，但是国内早先开设机器人专业的高等院校很少，近5年，有学校培养了一些与工业机器人相关的专业人才，但毕业生数量与市场需求相比，缺口很大。

2    工业机器人应用人才培养

据统计，在2016年年末，全国有200多家高职院校已开设工业机器人技术或相近专业，还有不少院校计划在不久的将来开设该专业。

要想培养工业机器人应用人才，肯定离不开定位明确的培养目标、专门的实训设备、专业的师资、创新的课程体系等。企业对于专业人才的具体要求，较大程度上可以转化为高等院校相关专业人才培养目标。专业教学与训练，要依托院校已有的实验实训设备。目前，真实工业机器人设备、价格昂贵、占地较大，巨大的资金投入和场地建设是各院校工业机器人技术专业建设面临的大问题。

3    南京机电职业技术学院机电一体化技术专业（工业机器人方向）人才培养

3.1  人才培養目标

南京机电职业技术学院于2016年3月修改机电一体化技术专业人才培养方案，将工业机器人列为该专业的专业方向，课程体系随之做了调整。修改后的人才方案指出（培养目标），本专业着眼中国制造2025，培养德、智、体、美全面发展，掌握机电一体化技术专业必备的基本理论和基本方法，具备工业机器人编程与操作、机电设备（工业机器人）安装与调试、技术支持与管理等专业能力，具有批判性思维、团队协作、创新实践等职业核心能力，能从事工业机器人及其相关机电设备的编程与操作、安装与调试、技术支持与管理等工作的具有一定创新能力的高素质技术技能人才。本专业主要面向机电设备（工业机器人）应用领域，毕业生初次入职时能够从事工业机器人编程与操作，机电设备（工业机器人）安装与调试，工业机器人技术支持与服务等工作;在工作1～3年积累一定工作经验后，能够胜任工业机器人系统集成等升迁岗位的工作。

3.2  专业核心课程

在确定了教育目的之后，通过什么样的课程设置来反映和落实教育目的则是最重要的问题，这是因为课程是反映教育目的的具体内容和载体，也是学校教育活动的中介，学校的一切教学活动都是以课程为中介展开的[2]。

自动化工程系机电一体化技术专业（工业机器人方向）新的人才培养方案中，“工业机器人技术”“工业机器人操作与编程”“机电设备安装与调试”“工业机器人离线编程与仿真”“工业机器人综合实训”都属于工业机器人方向的专业核心课程，具体如表1所示。

这几门课程之间，知识的学习与技能的训练有着较强的内部关联性。此外，这些课程的开设，都离不开工业机器人设备。系部工业机器人方向每年招生约200人，要安排这么多学生的实习实训，对于工业机器人设备数量要求多，这需要学院投入大量的资金及场地进行实训室建设。对于南京机电职业技术学院而言，投入巨额资金购买设备和建造宽敞的实训场所不是一件容易的事。

进一步来说，南京机电职业技术学院即使投入巨资购买较多数量的机器人设备，这些设备的正常使用与维护也需要专人负责。在日常教学过程中，由于学生缺乏机器人相关的知识与经验，新手直接操作真实机器人可能会造成这些设备故障或损坏。更严重的是，学生在操作机器人设备过程中可能会发生安全事故，造成人身伤害或者财产损失。因此，出于对学生的身心健康以及生命安全等因素考虑，真实的机器人设备在学院教学科研中很少使用。设备使用率低下，在很大程度上成了摆设。这既浪费了人力、物力、财力，也没有实现专业人才培养目标的要求，专业建设也没有达到预期的成效。

3.3  虚拟仿真实训室建设

南京机电职业技术学院工业机器人实训中心建设共分两期。第一期3个实训室：工业机器人虚拟仿真实训室、工业机器人装调实训室、工业机器人工作站实训室已于2016年12月建设完成并投入使用。这些设备主要面向学生的专业教学、实训，以机器人基础应用为主。第二期以“四大家族”品牌的大中型机器人（工作站）设备和西门子电气设备为主，主要面向部分学生的高技能训练和面向企业技术人员的中、高端培训。

南京机电职业技术学院于2016年年底完成了工业机器人虚拟仿真实训室建设（约60 m2，有实训设备21套），该实训室使用南京旭上数控技术有限公司研发生产的工业机器人教学实训设备，设备由虚拟的机器人本体（实训系统软件），真实的机器人控制系统、真实的示教器等装置组成，如图1所示。

该实训设备中，虚拟的机器人本体（实训软件）设有入门训练场景、基础应用场景、工作站场景，学生可以根据自己的专业能力进行选择性练习。该软件还支持从外部导入三维模型，教师可以使用该功用增加教学案例的多样性，也可以根据企业产品或者特定要求，对学生进行“量身打造”式训练。

该实训设备的示教器可以根据客户要求进行选配。如图2所示。目前，ABB，KUKA，FANUC，YASKAWA机器人示教器是已有产品，可以直接通过数据线缆和实训设备中其他部件连接并使用。其他品牌的机器人示教器，企业可以根据用户需要进行定制化开发。

该实训设备考虑了各院校专业教学及考核需要，具有工业机器人的理论考试并自动评分、技能考核的功能。

3.4  专业核心课程教学实施

在教学安排上，“工业机器人技术”和“工业机器人操作与编程”课程都开设在大二上学期，但“操作与编程”课程比“工业机器人”课程开设时间晚。这两门课程的教学与训练都安排在虚拟仿真实训室，能直观展示各品牌机器人的结构及运动;可以进行机器人系统设定、坐标系切换、程序编写与修改、程序手动与自动运行等;具有焊接、码垛、仓库、机床上下料等典型工作场景。上课时，学生每2～3人一套实训设备。使用工业机器人实训设备教學时，学生有充足的练习时间，课程能较好地训练他们操作、编程、调试等技能。

真实的工业机器人实训设备的控制操作，需要严格遵守机器人安全操作规程，一旦违规操作就可能发生危险，对学生或设备造成伤害[3]。本工业机器人实训设备，机器人本体虚拟（实训软件），学生通过示教器对机器人进行操作，不会因错误操作步骤或方法造成机器人本体损坏，也不会因细小疏忽发生人身伤害等事故。那些初学者最容易犯的错误，使用机器人实训设备时，都可以避免。

该实训设备上编制的程序可以导入真实的机器人设备中，只做少量调整就能在真实机器人设备中运行，控制真实的机器人工作。虚实设备衔接紧密，这对于学生后续课程的学习和毕业后的工作都有较好的帮助。

“工业机器人综合实训”课程开设在大二下学期，通过前面相关课程的学习训练，学生对机器人结构组成、驱动传动、控制传感等系统已有较清晰了解，对FANUC，ABB机器人系统设定、坐标系统、示教器设置及使用、编程与调试有较好掌握。在此基础上，该实训课程的教学在真实机器人（工作站）设备上进行是比较顺利和有安全保障的。

4    解决的主要问题

真实的工业机器人设备，例如FANUC机器人，单机的价格20～30万左右，一个60 m2的实训室，通常只适合放置2台真实机器人设备。同样的资金与场地投入，难以解决实训设备少、场地小的困境。虚拟仿真实训室的建设，以较小的资金与场地投入，较好地解决了教学实训设备短缺、教学效果一般的问题。对于开设工业机器人专业的院校而言，该实训设备可以解决他们过度依赖真实机器人设备的现状。

从南京机电职业技术学院工业机器人实训中心建设和教学实践可以看出，“虚实结合”的工业机器人设备可以与真实的工业机器人设备很好地协作，在技能训练过程中，发挥各自的优势和长处。该设备目前已经进入多家大专院校的实验实训室，具有一定的行业影响力和较好的应用前景。

[参考文献]

[1]侯远.工业机器人专业人才培养模式创新研究[J].科技资讯，2019（11）：100-101.

[2]张忠华.关于大学课程设置的三个问题[J].大学教育科学，2011（6）：30-34.

[3]卞秀辉.虚拟仿真技术在高职工业机器人专业教学中的应用[J].南方论坛，2018（11）：27-28

Abstract：The “virtual and reality combination” industrial robot training equipment has a real teaching device， controller， virtual mechanical structure and system software. This equipment has played an important role in the professional core curriculum teaching in the training of mechatronic technology major （industrial robot direction） in Nanjing Institute of Mechatronic Technology. These students use the equipment for training who can master the skills of industrial robot operation， programming and debugging in a shorter time. Compared with a real robot equipment， the training equipment needs less investment， requires a small field area，and has higher safety and good effect. This paper analyzes and studies this.

Key words：industrial robots; virtual and reality combination; skills