数字孪生虚拟仿真在工业机器人应用技术课程中的实践

摘 要：随着科学技术的不断发展，新的技术、新的知识不断地应用在课程教学中，数字孪生虚拟仿真技术就是其中的一种。本文对工业机器人应用技术课程和数字孪生虚拟仿真技术进行了论述，而且详细地分析了工业机器人应用技术课程的教学内容与教学目标，最后讲解了数字孪生虚拟仿真在工业机器人应用技术课程的具体实践措施和相关的案例，希望能够使大众更好地了解数字孪生虚拟仿真技术，提高工业机器人应用技术课程的教学效果。

关键词：数字孪生虚拟仿真；工业机器人应用技术课程；实践策略

随着信息技术的快速发展，各种新的技术、新的知识蜂拥而出。在我国的教育教学中，数字孪生虚拟仿真技术在工业机器人应用技术课程中得到了有效的应用，不仅推动了工业机器人应用技术课程的改革，而且创新了工业机器人应用技术课程的人才培养模式，有效地提高了我国人才培养质量，促进了我国教育教学的高质量发展。目前，随着社会对人才需求越来越高，无论是职业教育还是大学教育，都积极地将教育与实践结合在一起，并且在教学过程中也应用了新的技术，有效地解决了教育教学中存在的难点。同时新技术、新知识的提出还能够有效地提高学生的动手操作能力，使学生可以充分地利用教学资源，真正地提高自己的实践操作能力，为自己的专业素养奠定扎实的基础。在工业机器人应用技术课程中，也积极地应用了前沿科学技术，工业机器人应用技术课程本身是以机器人技术为核心，主要是讲解工业机器人应用技术和理论知识，并且论述了工业机器人的设计、调试、安装、系统等方面的知识。在该课程中将数字孪生虚拟仿真技术应用在其中，可以大幅度地提高该课程的教学质量。

一、工业机器人应用技术课程现状

工业机器人应用技术课程是一门多学科综合性的课程，在机电一体化技术基础上，不仅包含了工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术、工业机器人软件的设计和编程技术，而且涉及了工业互联网与人工智能等当代前沿技术。开设这门课程的主要目的是为了让学生了解和掌握工业机器人的一些结构、系统、程序等相关方面的知识，使学生在学校就能够具备良好的分析和解决工业机器人问题的能力。

目前，工业机器人虽然在我国市场上已经有所应用，但是所占的比例并不高，因此，在高校教学中应该加强工业机器人应用技术课程的教学。但是，大部分高校并没有认识到工业机器人应用技术课程的重要性，在此方面的培养力度较弱，而且没有形成一套完善的教学体系。由于工业机器人应用技术课程比较复杂，学校如果不尽快优化该课程的教学模式，就有可能影响工业机器人在市场上的发展。不仅如此，各大高校在开展工业机器人应用技术课程的教学时，通常都是以理论课程为主。可是这门课程本身就涉及了非常多的数学运算，学生不仅仅要学习该课程的相关理论知识，而且需要学习一些与机器人有关的操作规程或者设置参数的知识，这对于学生来说学习难度较大。可是传统的教学方式，过于重视理论知识的讲授，学生都是被动接受教师所传授的知识，学生对工业机器人应用技术课程相关的知识没有任何学习的主动性，甚至有一部分学生产生了厌学心理。因此，工业机器人应用技术课程教学模式急需变革，通过把理论教学和实践教学结合在一起，让学生能够更加直观地进行学习。

二、数字孪生虚拟仿真技术

在2011年3月，数字孪生这个词汇就已经提出。在2012年，开始对数字孪生技术进行研究。数字孪生这项技术包含了信息技术、感知技术、建模技术和计算技术，该技术能够在虚拟的环境中建立一个高保真的模型，该模型能够与物理空间中完全一致，充分地实现了信息的及时交互。在物理空间中进行数据的反馈与融合，可以对物体的行为进行实时的模拟，并对其进行监控与预测，从而在物理空间中做出各种决策时提供有效的帮助，使物理空间与虚拟空间真正地实现交互与映射。数字孪生技术的主要推动力就是数字孪生数据和信息，而这些数据和信息主要包括虚拟实体信息、知识信息、物理实体信息等，有效地帮助虚拟物体与物理实体实现了互通互联，而且实现了虚拟实体和物理实体以及服务之间的交互优化。实施数字孪生技术是一个具体的过程，必须由虚拟空间和物理空间进行相互促进。在数字孪生系统中，需要安装一个具有智能感知系统的物理模型，这样一来就可以使物理实体和模拟空间构建出相同的数字孪生体，并且可以对一些有用的数据和知识进行及时的保存。通过往虚拟空间中注入实时的数据和信息，就可以借助数字孪生技术进行仿真操作，从而得到更加真实的仿真数据。数字孪生技术又被称为数字化双胞胎，在工业机器人应用技术课程中将数字孪生技术应用到工业机器人设计、仿真、测试、验证等各个环节，从而在虚拟空间中构建出与物理实体相对应的模型。同时在应用数字孪生技术的过程中，还可以准确地预判出工业机器人有可能会出现的问题，确保工作人员可以及时地对设计方案进行优化与完善，进一步缩短了工业机器人安装与调试时间。

三、工业机器人应用技术课程的教学内容与方法

（一）教学内容

在任何一个学科中，教学目标都是教学内容的核心。教师在给学生讲解工业机器人应用技术课程的相关知识点时，就需要制定出更加清晰科学的教学目标，这样才能够为人才培养提供明确的方向，既可以将工业机器人应用技术课程的相关知识传授给学生，又能够强化学生的实践操作能力，为社会培养出优秀的技术性人才，使学生在日后的工作岗位中能够充分应用自己所学的知识。教师在讲解工业机器人应用技术课程的知识点时，要以学校的实际情况为基础，将理论与实践充分的结合在一起，从而实现理实一体化的教学目标。当教师给学生讲解工业机器人应用技术课程的理论知识以后，就需要给学生安排相应的实践课程，使学生在实践过程中将所掌握的理论知识全部消化，并进一步提高学生的实践操作水平。除此以外，随着时代的发展，工业机器人应用技术课程的知识也发生了新的变化，那么教师的教学目标也要进行完善。

（二）教学项目的实施

教师在正式给学生讲解工业机器人应用技术课程之前，就需要在网络上搜寻与此相关的视频资料，从而拓展学生的视野，提高学生对工业机器人的学习热情。教师也可以让学生自主上网搜寻相关的资料，然后在课堂上与其他学生进行探讨，使学生能够对工业机器人应用技术课程的知识进行深入的了解。在正式授课时，教师还可以将已经设定好的教学目标进行逐一的分解，并将其融入每一个项目教学之中，从而实现工业机器人应用技术课程的教学目标。在教学中，教师可以将接线路式教学法引入，利用各种任务引导学生主动去分析工业机器人的相关知识点，并督促学生进行相应的实践，为学生以后进入工作岗位打好基础。在教师的指导下，学生可以自主设计项目方案，并且逐一类化课程中所学的知识，将这些知识点应用在实践中，会自主地进行问题的探究和分析。在整個教学中，教师起到了良好的辅助作用，而学生则通过自主收集材料、观看视频、自主设计项目方案，在不知不觉中掌握了工业机器人应用技术课程的相关知识点。在课后，教师还可以利用网络平台给学生布置一些实践任务，学生也可以通过网络平台及时向教师反馈自己的实践情况，教师就可以根据每个学生的实践情况来安排下节课的教学内容。在工业机器人应用技术课程的教学中，教师以工业机器人项目为主线，学生为主体，实现教学的多样化。

（三）教学总结与反馈

教师以学校学情为基础，对工业机器人应用技术课程教学方式进行完善与优化，积极地引入先进的教学模式，实现理实一体化教学目标，让学生对工业机器人应用技术产生兴趣，使学生可以自主地学习与此相关的知识点，对该课程重要知识点掌握得更加牢固。大部分学生都具有非常强烈的成就感，当掌握了一定的知识后，就会有进阶的想法，此时教师就可以鼓励学生关注一些国内外与工业机器人有关的网站，促使学生进一步学习工业机器人应用技术课程相关的知识点，为后续的学习奠定坚实的基础。

四、数字孪生虚拟仿真技术应用在工业机器人应用技术课程的实践措施

通过采用虚实结合方法，就能够在工业机器人应用技术课程中将数字孪生虚拟仿真技术应用进来，从而把现实中工业机器人的场景和环境都移动到实验室中，让学生在学习该课程时可以利用电脑平台对工业机器人的模型进行反复的搭建，使学生所学习到的知识应用在具体的实践中，从而有效地解决教育教学中专业人才技术人员培养存在的困难。

在工业机器人应用技术课程中将数字孪生虚拟仿真技术应用进来，能够将数字孪生、工业机器人编程调试以可视化的形式展现在学生面前，使学生能够在虚拟场景中对工业机器人进行搭建、设计，甚至还可以对PLC程序进行仿真调试，进一步加大了该课程教学实训的效果。在数字孪生虚拟仿真技术中，数据层所获得的数据是其基本的要素，数据和信息来源则包括以下两个部分：第一，通过对物理实体对象与环境进行分析而获得的数据；第二，对各种模型进行仿真后所获得的数据。在工业机器人应用技术课程实践操作中会出现各种各样的动态数据，而这些数据和信息的变化不断推动实体模型和虚拟模型进行更新与完善。

五、数字孪生虚拟仿真技术在工业机器人应用技术课程中的案例

（一）案例

在工业机器人应用技术课程中将数字孪生虚拟仿真技术应用在其中，再结合物理实体中的设备就能够研发出一套新的教学模式，不仅包括工业机器人应用技术课程中的基础理论知识，而且具有机械加工、检测、制造等方面的知识，使学生在学习该课程时可以借助教学平台进行仿真实训。通过应用数字孪生虚拟仿真技术能够对设计出来的工业机器人进行有效验证，从而使学生在学习过程中更加全面地了解工业机器人系统、编程，还可以全面地了解工业机器人从设计到验证的全过程。

数字孪生虚拟仿真技术应用在工业机器人应用技术课程中，需要学校配置一套完善的工业机器人应用技术课程实虚一体化的实训软件，把物理实体设置为虚拟对象。实训软件的功能非常齐全，其中物理空间中的实体模型，能够精准地映射到数字孪生模型之中，并且借助物理空间中的各种传感器与数据孪生模型进行数据通信，从而实现智能感知，此时所获得的数据包括历史和实时的数据。数字孪生模型中有各种知识储备，学生在应用的过程中可以直接调用数字孪生模型中的相关知识。同时当学生在应用过程中遇到一些复杂的算法时，也可以直接运用数字孪生模型来进行参数迁移。一些比较简单的算法学生可以自己进行编制。

教师在给学生讲解工业机器人应用技术课程的相关知识点时，就可以让学生自己使用电脑搭建数字孪生模型，开展数据链接和算法设计工作。当学生对工业机器人设计完成以后，还可以借助数字孪生虚拟仿真技术进行仿真验证。在见证的过程中，实训软件上会将重要的考核点标注出来，当学生的设计通过了所有的考核以后，还可以利用智能服务模块与物理实体进行链接，通过在电脑端上对数字孪生模型进行操作就可以直接对智能制造、生产技术、物理实体进行控制，从而来验证自己的学习效果。

（二）应用效果分析

通过在工业机器人应用技术课程中具体应用数字孪生虚拟仿真技术，学生可以借助实训系统对自己所学的知识进行全面的训练，真正地实现培养与践行一体化的教学方式，进一步强化了工业机器人应用技术课程教学效果。

教师在以往对学生进行工业机器人应用技术课程的授课时，首先都会给学生讲解相关的理论知识，再带领学生进工厂进行实训。这种教学方式虽然也使学生具备了一定的实践经验，但是没有让学生更好地掌握工业机器人应用技术课程方面的相关知识。在工厂进行实训的过程中大都是好几个学生围绕一台设备进行操作，教师无法全面地了解学生在实践中存在的问题，严重影响了工业机器人应用技术课程的教学质量。通过在工业机器人应用技术课程教学中将数字孪生虚拟仿真技术应用进来，首先能够使学生对工业机器人应用技术课程方面的知识进行全面的了解，而且通过电脑进行實训时，系统会设置相应的考核指标，学生的实践操作必须要达到相应的考核指标才能做接下来的工作。其次，学生通过对三维模型和物理实体设备之间的数据和接口进行调试，可以有效地掌握该设备的调试方法。

通过对案例进行分析可知，数字孪生虚拟仿真技术应用可以使学生深入地学习工业机器人应用技术课程方面的知识，并熟练地掌握此方面的技能，为以后进入企业开展实践操作奠定良好基础。

结语

综上所述，随着科学技术的发展，出现了各种新兴产业，学校也相应地开设各种新的专业，工业机器人应用技术课程就是其中的一种。该课程的授课仍然使用传统方式，教学效果不佳，但是将数字孪生虚拟仿真技术应用在授课中，可以有效地解决工业机器人应用技术课程教学中存在的问题，提高该课程教学质量的同时促进了工业机器人的稳定发展。

参考文献：

［1］刘永刚，姚立权，朱虹.数字孪生虚拟仿真在智能制造生产线技术课程中的实践［J］.科技资讯，2023，21（04）：203207.

［2］代浩岑，孙丹宁，赵文博.工业机器人技术的发展与应用综述［J］.新型工业化，2021，11（04）：56.

作者简介：欧阳群鑫（1992— ）男，汉族，湖南益阳人，学士，助教，研究方向：机电一体化。