基于虚拟仿真法的机器人生产线设计实践课程教学改革

陆明月 丁力 巢渊 强红宾 黄明

摘 要：随着工业机器人应用的普及和产业对人才的需求，各国各大学愈加认识到机器人技能实践教学的重要性，然而大多数高校未能开出机器人生产线相关课程，或只停留在理论教学上，对实践教学经验不足。另外，机器人生产线相关教学资源欠缺、实训设备价格高昂，再加上近几年，线下实操训练困难，导致机器人生产线实践教学一直难以开展。因此，将虚拟仿真技术用于机器人生产线设计与实践教学成为一种可行途径。

关键词：虚拟仿真技术；机器人技术；生产线设计；实践教学

机器人产业被誉为“制造业皇冠顶上的明珠”“高质量发展的引领”［1］ 。随着云计算、大数据、智能传感等高技术的深入发展，机器人作为世界经济与产业增长方式转变过程中的关键因素，正进入新的发展阶段［2］ 。机器人产业的迅猛发展以及机器人在制造业的大量应用，正成为我国现代制造业转型发展的加速器［3］ 。2021年，工业和信息化部等15部门正式印发《“十四五”机器人产业发展规划》，提出到2025年我国将成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地［4，5］ 。然而，产业是根本，人才是关键。在推行工业机器人技术时遇到的最大瓶颈不是技术短缺，而是实践应用型人才的严重缺失。机器人产业发展不仅需要大量的机器人设计、研发、制造等方面的高端人才，更需要为数众多的使用、运行、维护、维修等生产线方面的实践型和应用型人才。

目前，国内越来越多的应用型本科院校开设了机器人工程专业，然而，针对本专业的师资力量薄弱、课程资源欠缺、授课形式比较单一、操作训练机会较少，致使课堂枯燥无味，学生们无法提起兴趣，学习效率低下。本文提出将虚拟仿真技术引入机器人生产线设计实践教学，在降低实训成本的同时，提高实践效率，还能够明显改善教学效果，有助于提高机器人工程专业应用型人才的培养质量。

1 机器人生产线设计与实践课程教学现状

1.1 机器人专业人才培养方案不明确

随着工业机器人应用市场不断扩大，工业机器人应用型人才培养的缺口也越来越凸显。我国工业机器人应用型人才培养目前处于起步阶段，工业机器人专业相关课程的开设更是在探索阶段。工业机器人应用型人才培养院校应该针对实际应用对技能人才的需求，建立机器人专业人才培养方案。例如，工业机器人应用于不同生产线时，尤其是智能化、自动化生产线建设普遍存在资金投入大、生产线规划难度系数大、生产工艺复杂、现场危险系数高等困难，急需这方面人才。然而，现有培养的机器人专业大学生大多只具备机械设计、机器人技術基础、机器视觉等相关的理论知识，对实际机器人生产线的构成、设计原则、运行调试等尚不了解，往往需要二次培训才能投身于机器人生产线建设与工作中。因此，我校江苏理工学院将机器人领域的复杂工程问题、相关设计与开发解决方案、职业规范作为机器人专业毕业要求，将工业机器人生产线设计、优化与实践等知识列入机器人专业类课程和实践环节中。

1.2 机器人生产线相关课程资源严重欠缺

我校江苏理工学院作为应用型本科人才培养院校，于2019年开设了机器人工程专业，并将《自动化生产线技术》《机器人生产线设计与实践》两门课程增加到了该专业本科生人才培养方案中。然而调研发现，由于机器人专业在国内高校普遍属于新开课程，相关师资力量薄弱，不仅本校尚未开展过机器人生产线设计理论课程和实践课程的教学，其他国内高校也鲜有相关课程的教学资源和教学经验可供参考和借鉴，因此存在严重的教学资源短缺问题。笔者认为可以充分利用网络平台资源，整理的相关资料并结合实际生产线设计流程和所需技能，编写教学大纲、制订教学方案、制作微课等，丰富机器人生产线相关的教学资源。同时，我校要大力引入机器人专业博士或派遣教师，进一步加强师资力量。

1.3 机器人生产线实践教学设备成本高

众所周知，工业机器人相关实训设备投入巨大，一般院校难以承受巨大的硬件投入。尤其对于工业机器人生产线实践，需要依托多个工业机器人工作站，搭建这些工作站的机器人系统和周边设备成本较高，而且所需要的场地面积较大。受资金和场地等条件的制约，普通本科院校能用于机器生产线的教学设备数量很少，一般仅能满足示范讲解，甚至只能前往校企合作单位的生产线进行走访参观。这就导致每个学生的实际动手操作机会较少，更得不到足够的操作训练，学生对工业机器人整个生产线的认知甚少，相关实践教学难以开展［6］ 。笔者认为借助工业机器人工作站系统建模仿真技术，在虚拟环境中对生产过程和场景进行“真实”的重构，可大大改善工业机器人应用人才培养的实训条件，同时也方便学生在课前和课后进行拓展训练。通过工业机器人生产线工作站系统建模及仿真技能操作训练，完成典型的机器人生产线设计任务，培养学生在工业机器人生产线方面分析与解决问题的能力，为学生将来从事工业机器人专业工作打下必要的技术基础。

2 虚拟仿真技术在机器人生产线中的应用

2.1 工业机器人虚拟仿真技术的优点及作用

虚拟仿真技术，就是用一个具有多源信息融合的交互式三维动态实景和实体行为的计算机系统模仿另一个真实系统的技术。我国机器人仿真软件起步较晚，目前还在快速发展中，例如，华航唯实的RobotArt仅可支持单机器人工作站的仿真设计，不适用于多机器人生产线的仿真设计［7］ 。而ABB公司开发的一款工业机器人虚拟仿真软件RobotStudio［8］ ，它的虚拟控制器和虚拟示教器与真实机器人相应配套设备基本相同，可准确模拟真实机器人的各项功能，实现多机器人生产线全生命周期的工作站仿真功能。企业生产线技术人员经常使用RobotStudio软件验证机器人系统和周边设备布局的合理性，分析设备利用率、预测生产目标、评估生产效率，为实际机器人生产线建设与优化提供依据。从而帮助企业减少停机时间、缩短生产工期、避免不必要的返工，最大程度地减少在生产线设计与调试过程中的投资。

2.2 工业机器人仿真技术在生产线实践教学中的应用

目前，RobotStudio软件已被广泛应用于工业机器人生产线及工作站设计中，也逐渐被国内部分普通高校和高职院校用作机器人离线编程教学，但尚未应用于机器人生产线实践教学中［910］ 。将基于RobotStudio软件的虚拟仿真技术应用于机器人生产线实践教学中，凭借该软件操作界面友好、动画逼真的优势，能够提高大学生主动参与、乐于操作的积极性。教学过程中，可以让学生采用该软件对工业机器人本体、电气及周边设备进行三维虚拟仿真，同时在仿真环境中进一步完成布局设计、运动轨迹规划、物流传输、安全监测等功能，动态模拟生产线运行过程，从而高效直观地预测生产线全生命周期的运行状态，验证学生设计方案的可行性。因此，有助于学生更全面、更深入地理解工业机器人生产线工作流程，提升生产线的设计水平，培养学生的安全生产意识和工匠精神。

3 教学改革内容与方法途径

3.1 制定、优化实践课程内容

针对各大高校机器人专业实践课程教学资源不足、教学经验缺失问题，结合我校机器人工程专业实践教学需求和应用型人才培养目标，深入研究机器人专业培养方案，制定《机器人生产线设计与实践》课程的教学内容，编写教学大纲，丰富教学资源，制定、并优化机器人生产线设计与实践课程体系。《机器人生产线设计与实践》这门课程，教学内容需涉及机器人生产线设计的每个环节，包括工业机器人选型、末端执行器设计、作业对象分析、生产节拍要求、布局合理性、物流顺畅等。既要让学生掌握工业机器人生产线的构成、设计原则等基础知识，又能让学生具备工业机器人生产线的布局、设计、监测、编程与调试等技能。既要注重课程内容循序渐进，互为条件，相互依存；又要努力减少课程重复内容，做到实实在在地减少“水分”。

3.2 改进传统的授课方式

采用虚拟仿真法，主要以RobotStudio虚拟仿真软件为主要教学工具，综合使用慕课等网络教学平台，便于学生课前预习和课后拓展练习。课堂教学实施过程，改变以“填鸭式”讲授为主的课堂授课方式，建立以“贴合实践、解决问题”为导向的任务驱动式授课方式，调动学生学习兴趣。主要通过工业机器人喷涂、焊接、激光切割、搬运码垛等典型生产线工作站开展任务驱动式教学（如下图），让学生以“做中学”的形式学习生产线设计相关知识，激发学生主动解决问题和验证问题的学习激情。充分利用虚拟仿真软件的仿真运行、视频录制、动画播放的功能，鼓励学生以发小视频、分享朋友圈等方式分享自己的操作训练成果，建立学生的成就感，让学生动起来、热起来，并乐在其中。

3.3 优化实践环节与企业需求的衔接

此外，生产线设计与实践教学过程既要强调理论与虚拟仿真结合，又要考虑实践环节与行业热点和企业需要结合，真正做到“理—虚—实”一体化。一方面，需要将工业机器人生产线的布局、设计、监测、编程与调试的理论知识用于仿真设计操作中；另一方面，在机器人工作站仿真教学中优先采用实际企业工作经常使用的机器人类型、工具、工件以及周边电气设备等实例。例如，对于一个汽车玻璃涂胶生产线，需要设计企业常用的涂胶枪、汽车玻璃、吸盘等三维模型，并进行玻璃周边涂胶和搬运码垛作业的通信连接、运动轨迹规划，完成生产流水线仿真运行。通过聚焦企业典型工业机器人生产线需求，强化机器人专业理论知识调用与综合实践，提升学生机器人技术职业应用能力，有助于推进应用型本科院校进行产教融合、校企合作。

3.4 打造优秀的教学师资队伍

教师是教学的核心，是教学改革的主体，只有打造相应的教师团队才能提供丰富的教学力量和资源。对于基于虚拟仿真法开展机器人技术实践教学，要结合机械制图、机器人技术基础、控制技术基础、自动化生产线技术等多个专业课知识，综合采用SolidWorks建模、Matlab仿真、PLC控制等技术，完成机器人生产线设计实践项目任务。因此需要多个专业课教师的联合师资力量，配合企业实训教师的协同指导，共同打造优秀教师团队，促进“理—虚—实”一体化教学。笔者认为，一方面可以充分利用我校江苏理工学院丰富的“双师型”教师队伍资源，组建一支基于虚拟仿真法的机器人实践教学师资队伍。另一方面要优化教师团队结构，团队包含教学、科研、企业实践各方面经验丰富的教师，团队成员之间取长补短。同时，教师也应该不断地学习与创新，能够与时俱进。

结语

本文从培养大学生机器人技术实践能力出发，结合江苏理工学院应用型本科人才培养特色，重点关注现阶段普通高校对机器人生产线设计实践教学研究不足问题。文中提出利用虚拟仿真技术开展机器人生产线设计与实践教学，实现课堂内外随时随地、在线和离线共同进行的教学与训练。强化机器人专业理论知识调用和综合实践，借助以RobotStudio为主、其他建模仿真软件为辅的教学工具，聚焦企业实际生产线需求，切实做到“理—虚—实”一体化教学。从而探索提高应用型本科院校大学生机器人技术的培养模式，促进应用型本科院校校企融合、产学研合作，为社会和国家培养更多机器人专业的实践创新型人才。

参考文献：

［1］董应明，王丹，邱海莲，等.Leica绝对激光跟踪仪在工业机器人校准与性能测试中的应用［J］.中文科技期刊数据库工程技术，2021，3：398399.

［2］苍岚，谢雨奇，张淑翠.“十四五”时期全球科技发展战略焦点及政策建议［J］.机器人产业，2021，3：1215.

［3］魏嘉辉，顾乃华，韦东明.工业机器人与中国制造业地区发展差距：后发优势还是先发优势？［J］.经济与管理研究，2022，43：5971.

［4］夏小禾.《“十四五”机器人产业发展规划》出炉［J］.今日制造与升级，2022，1：89.

［5］方晓霞.“十四五”时期机器人产业高质量发展面临的机遇、挑战与对策［J］.发展研究，2021，2：5667.

［6］李书阁，赵鹏举，谢光辉，等.职教本科院校开设智能机器人应用工程专业探析［J］.現代职业教育，2021，174175.

［7］张小红.基于RobotArt的ABB机器人码垛工作站教学设计［J］.电子测试，2019，22：112124.

［8］叶晖，何智勇，杨薇.工业机器人工程应用虚拟仿真教程［M］.机械工业出版社，2014.

［9］张华文，张丽.机器人装配工作站离线编程与虚拟仿真系统设计［J］.自动化与仪表，2022，6：2832.

［10］史红燕，张真真.RobotStudio在工业机器人编程与操作课程中的应用——以运动轨迹编程为例［J］.造纸装备及材料，2022，51：232234.

基金项目：本文系江苏理工学院教学改革与研究项目“机器人工程专业基于虚拟仿真法的机器人技术实践教学改革”（编号：11610112305）的研究成果

作者简介：陆明月（1991— ），女，汉族，安徽宿州人，博士，讲师，硕士生导师，从事机器人设计与仿真技术研究；丁力（1989— ），男，汉族，江苏宜兴人，博士，副教授，硕士生导师，机器人工程专业系主任，从事机器人技术与人工智能技术研究；巢渊（1988— ），男，汉族，江苏常州人，博士，讲师，硕士生导师，机械电子工程系主任，从事机器视觉检测技术研究；强红宾（1991— ），男，汉族，河北石家庄人，博士，校聘副教授，硕士生导师，从事机器控制技术研究；黄明（1979— ），男，汉族，湖北武汉人，博士，讲师，硕士生导师，从事机器人技术研究。