虚拟仿真实验在高校课程中的应用研究

摘 要：为提升本科人才的培养质量，激发学生对专业课程的学习兴趣，优化学生实验环境，方便线上学习，在高校中开展虚拟仿真实验建设具有重要意义。虚拟仿真实验教学可以改进教师的教学方法，培养科研能力，营造浓厚的专业学习氛围，是一种值得推广的方式。本文梳理本校的工业机器人仿真技术课程的虚拟仿真实验的建设经验，总结该实验对我校学生创新能力培养的成果，为高校教师们提供借鉴的经验。

关键词：虚拟仿真实验;培养方式;工业机器人

0引言

机器人搬运工作站是工业机器人领域的典型应用，机器人实体工作站占地面积大、成本高、管理和维护困难。另外，应用机器人系统集成及编程的实体工作站实验存在投资较大、设备台套数有限、实验室面积紧张、实验时间与教学实践冲突、细微实验现象难以细致观察等实际问题。武汉商学院机器人工程专业《工业机器人仿真技术》课程采用虚拟仿真实验来代替实体设备，该实验项目的建设与行业领先的专业公司合作，采用Maya和VR技术对实验场景、设备装置、系统建模等高度仿真，实验全程三维动画，操作规范，3D实验场景逼真，体验感和交互性强，吸引了学生强烈的参与愿望，很大程度上激发了学生的学习热情。

1虚拟实验简介

1.1玻璃清洗虚拟仿真实验

玻璃清洗工作站离线编程虚拟仿真实验以武汉商学院虚拟仿真实验平台为基础，进行玻璃清洗机器人工作站虚拟构建、离线编程基本操作及机器人工作站运动仿真。采用“知识点”与“工程实践”相结合的实验教学方式，通过基础部分、进阶部分及工程案例实操的实验教学设计，着重培养学生团队合作能力、剖析工程案例能力及研究解决机器人系统集成实际工程问题的能力。

1.2虚拟实验的建构

玻璃清洗工作站虚拟实验教学设计遵循“三层衔接、能力进阶”思路，三层衔接是指基本技能训练、专业综合训练及业界实践训练。能力进阶是指基本能力、专项能力及综合能力的进阶。主要包括构建基本仿真工业机器人工作站、RobotStudio中的建模功能等基础教学部分、Smart组件的应用、在线编程等进阶教学部分及玻璃清洗工作站编程工程实例操作三个部分。实验的主体流程分为七步，如图1所示。主要的实验中的虚拟设备有：ABB IRB6700 1台，负载200kg，到达能力2.6m，IRC5-Compact控制器1台，带示教器，SSX-5000输送线1条，自动清洗机1台，真空吸盘夹具1套，光栅 1台，宽2100mm，围栏4X6000mm，机器人底座 1个。

实验的实验操作流程如图1所示。第一步，通过知识角让学生了解本实验背景和基本要求;第二步，通过设备布局和功能认知，搭建实验系统创建控制系统;第三步，Smart组件的设置为虚拟设备的外部电气控制的设置;第四步，离线编程是为工业机器人运动指令编辑前的目标点的选定;第五步。Rapid代码是ABB机器人的指令编辑;第六步，仿真设置后即可实验运动仿真;第七步，为本次实验的习题。实验界面如图2所示。

2虚拟实验的促进意义

2.1虚拟实验对理论教学的促进

对我校应用型本科生而言，工业机器人仿真技术课程中采用虚拟仿真的实验教学方法，是对传统课程理论教学模式进行改革，减少课堂教学投入时间，加强实验、实训教学力度。理清供给与需求、知识与技能、职业与道德等层面的内在联系，改革以前的教学观念和教学方法，进一步完善机器人学科的课程教学方案。

2.2虚拟实验对实践教学的促进

本校机器人工程专业以培养高素质的机器人工程专业人才为目标，针对以真实机器人工作站为基础的机器人实操实验教学中存在的问题，结合机器人工程专业知识面广、系统性强、与工程结合紧密等特点，在机器人虚拟仿真课程的实践教学过程中，建立了以工程认知、表达、分析为主线，以代表性的生产线，如机器人焊接、机器人打磨、机器人清洗为对象的虚拟仿真实验。采用虚拟实验与理论教学相结合的教学模式，全面推进和提高学生实践能力的培养。机器人专业的虚拟实验建设旨在“以行业需求为牵引，以实验教学与产业相协同”的教学理念，全面推进学生实践能力培养。

2.3虚拟实验对科研创新的促进

科学技术的发展日新月异，前沿技术、产品的更新周期也越来越短，相对于前沿技术来说，教材上的理论及实践内容较为陈旧，如何实时把握最新动态，向学生传递科技前沿是非常紧迫的教学任务。教学设计中实验方法与实验现象相结合，可以极大拓展传统实验范围。坚持“虚实结合”的原则，实验內容选取当今社会发展对创新性和创业型机器人工程人才培养需求的高昂设备、不易操作的实验，且严格履行工业机器人操作规程。传统实验中出于设备及人员安全考虑，其实验类型及实验工况单一。虚拟实验中学生可在大范围内修改实验参数，并可观测到对应的实验现象，极大拓展了传统实验范围。

3结语

本文对工业机器人仿真技术这门课知识点的讲解紧密围绕机器人仿真的理论，重视软件实操，引入虚拟仿真实验等新教学方法，能够更加吸引学生参与式学习。同时，本文的研究也适用于从事工业机器人系统集成、工作站设计、现场调试的技术人员学习和参考。只有不断改进课堂的教学方法，才能更好地提升学生的创新意识，培养学生的创新能力，增加学生的综合素质。

参考文献：

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作者简介：

陈鑫（1988-），湖北武汉人，讲师。主要研究方向为机器人仿真技术，机器人系统集成。

基金项目：武汉商学院2021年校级教学改革研究项目（项目编号：2021Y011）。