摘 要：本文結(jié)合工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)課程的教學(xué)實(shí)際，分析了RobotStudio虛擬仿真軟件在高職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中的意義和作用，研究了RobotStudio軟件在教學(xué)中的幾種應(yīng)用形式，總結(jié)梳理了該軟件對(duì)于高職院校技能大賽的促進(jìn)作用以及在課程思政中起到的積極意義，旨在為培養(yǎng)適應(yīng)工業(yè)機(jī)器人崗位需求、高素質(zhì)高技能應(yīng)用型人才、打造新形態(tài)課程教學(xué)體系提供思路。

關(guān)鍵詞：RobotStudio;虛擬仿真;工業(yè)機(jī)器人;高職;教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0

《中國制造2025》戰(zhàn)略部署中明確提出九項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)，其中包含聚焦信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、機(jī)器人等重點(diǎn)領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人作為先進(jìn)制造業(yè)中不可或缺的重要裝備和技術(shù)，已成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平和技術(shù)實(shí)力的重要標(biāo)志。當(dāng)前越來越多的高職院校開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)，有力地推動(dòng)了智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。一方面工業(yè)機(jī)器人技術(shù)作為新興專業(yè)越來越多地受到學(xué)生們的青睞，另一方面由于是新興專業(yè)，配套的硬件資源設(shè)施還不能及時(shí)跟進(jìn)，動(dòng)輒幾十萬甚至上百萬的設(shè)備資金讓一些學(xué)校望而卻步，這在很大程度上阻礙了專業(yè)的快速發(fā)展。[1]很多高校甚至存在沒有機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備或者僅僅有一兩臺(tái)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備的情況，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足現(xiàn)實(shí)的教學(xué)需求。筆者結(jié)合工業(yè)機(jī)器人專業(yè)課程的教學(xué)實(shí)際，將Robotstudio虛擬仿真軟件應(yīng)用與課程教學(xué)有機(jī)結(jié)合，為課程體系建設(shè)提供一定的參考依據(jù)。

1 RobotStudio虛擬仿真軟件概述

RobotStudio軟件是目前國際上四大工業(yè)機(jī)器人品牌瑞士的ABB、德國的KUKA、日本的FANUC和YASNAC中的ABB配套虛擬仿真軟件，同時(shí)也是一款離線編程軟件。[2]RobotStudio軟件制作精良、功能強(qiáng)大，包含了幾乎所有ABB機(jī)器人的模型，能夠進(jìn)行幾何體模型的導(dǎo)入、路徑規(guī)劃、碰撞檢測、虛擬仿真、離線編程、在線作業(yè)等，涵蓋了機(jī)器人操作的整個(gè)周期。[3]將RobotStudio軟件應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中，可以拓展課程教學(xué)的廣度和深度，對(duì)提升機(jī)器人專業(yè)教學(xué)層次具有重要的意義。

2 RobotStudio在工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中的意義

2.1 各專業(yè)課程聯(lián)接的紐帶

在工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的各個(gè)課程教學(xué)中，例如工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)、工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場編程等課程，都會(huì)涉及到工業(yè)機(jī)器人的虛擬仿真應(yīng)用。虛擬仿真技術(shù)在課程中起到串聯(lián)各知識(shí)點(diǎn)的作用。RobotStudio對(duì)機(jī)器人及外圍設(shè)備進(jìn)行工作站搭建、離線編程、程序調(diào)試、運(yùn)動(dòng)仿真，最后可以將調(diào)試好的程序應(yīng)用于真正的實(shí)訓(xùn)教學(xué)或者生產(chǎn)實(shí)踐，具體應(yīng)用體現(xiàn)見下表。

2.2 對(duì)接崗位工作能力

工業(yè)機(jī)器人專業(yè)對(duì)應(yīng)的職業(yè)崗位群核心職業(yè)能力要求能夠維護(hù)、保養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備，能排除簡單的電器及機(jī)械故障;能根據(jù)自動(dòng)化生產(chǎn)線的工作崗位要求，編制、調(diào)整工業(yè)機(jī)器人控制程序;能根據(jù)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用方案要求，安裝、調(diào)試工業(yè)機(jī)器人及應(yīng)用系統(tǒng)等。[4]專業(yè)課程結(jié)構(gòu)中包含了RobotStudio虛擬仿真技術(shù)在內(nèi)的機(jī)器人基本操作、離線編程、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等模塊內(nèi)容，可以很好地與企業(yè)崗位能力對(duì)接，結(jié)合項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)，沉浸式教學(xué)方法，提高學(xué)生專業(yè)核心技能和職業(yè)素養(yǎng)。

2.3 避“重”就“輕”，易于實(shí)現(xiàn)“信息化”實(shí)訓(xùn)教學(xué)

這里的避“重”就“輕”有兩層含義。一是學(xué)生在真正實(shí)操機(jī)器人之前，先利用虛擬仿真軟件進(jìn)行虛擬化的仿真訓(xùn)練。示教器的使用方法、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、控制器聯(lián)接等環(huán)節(jié)與真實(shí)情況一致，學(xué)生在仿真過程中能夠遇到機(jī)器人伺服報(bào)錯(cuò)、奇異點(diǎn)報(bào)警、關(guān)節(jié)超限以及其他一些意想不到的誤操作帶來的意外情況，并逐一解決，使學(xué)生在真正操作機(jī)器人之前大大提高機(jī)器人操作能力，減少了危險(xiǎn)的發(fā)生，提高了實(shí)踐教學(xué)的安全性。[5]二是基于目前部分高校機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備短缺的情況，無法完全滿足全部學(xué)生同時(shí)參與機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需求，可以通過RobotStudio虛擬仿真進(jìn)行任務(wù)式、模塊化實(shí)訓(xùn)教學(xué)，一定程度上緩解教學(xué)壓力。同時(shí)，擺脫了機(jī)器人實(shí)訓(xùn)場地的限制，只要有電腦的地方，學(xué)生可以隨時(shí)隨地通過軟件對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行鞏固訓(xùn)練、提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性。

3 RobotStudio在工業(yè)機(jī)器人課堂教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 工業(yè)機(jī)器人手動(dòng)操縱實(shí)踐

在工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)課程教學(xué)中，機(jī)器人的手動(dòng)操縱是一個(gè)重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，銜接了從機(jī)器人的基礎(chǔ)理論知識(shí)到機(jī)器人編程的兩大部分知識(shí)模塊。由于學(xué)生還沒有真正動(dòng)手接觸過機(jī)器人，對(duì)機(jī)器人還有一定的“敬畏”心理，因此用RobotStudio來虛擬仿真機(jī)器人的手動(dòng)操作可以起到很好的教學(xué)效果。在筆者的實(shí)際教學(xué)中，將該部分內(nèi)容專門用了4學(xué)時(shí)來進(jìn)行虛擬仿真訓(xùn)練。機(jī)器人手動(dòng)操縱的三種運(yùn)動(dòng)模式包括單軸運(yùn)動(dòng)模式、線性運(yùn)動(dòng)模式、重定位運(yùn)動(dòng)模式。學(xué)生可以在軟件中實(shí)時(shí)觀察機(jī)器人1-6軸單軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、線性運(yùn)作模式下X、Y、Z三個(gè)方向線性運(yùn)動(dòng)軌跡及重定位模式下TCP點(diǎn)分別繞著X、Y、Z三個(gè)軸作位置不變、姿態(tài)改變的運(yùn)動(dòng)，全方位觀察機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、角度、位移等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)記錄各關(guān)節(jié)軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，讓學(xué)生對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)理解得更加生動(dòng)形象、數(shù)據(jù)掌握得更加具體詳實(shí)。

3.2 機(jī)器人工作站離線編程應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人編程分為在線編程（示教編程）和離線編程。在線編程需要在機(jī)器人現(xiàn)場進(jìn)行，不但占用機(jī)器人資源，而且示教點(diǎn)的準(zhǔn)確性取決于現(xiàn)場人員的經(jīng)驗(yàn)，存在較大的誤差，效率較低。相對(duì)于在線編程而言，離線編程可以讓編程人員遠(yuǎn)離復(fù)雜惡劣的環(huán)境進(jìn)行作業(yè)，降低工作強(qiáng)度;能夠有效避免對(duì)機(jī)器人資源的占用，在軟件端中就可以對(duì)程序進(jìn)行便捷的編輯和修改，經(jīng)過調(diào)試正常后傳輸?shù)綑C(jī)器人控制器中進(jìn)行運(yùn)行，提高了編程效率。[6]

結(jié)合其他工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件，例如UG、Pro/E等，可以將設(shè)備或工件模型導(dǎo)入到RobotStudio中，構(gòu)建搬運(yùn)、碼垛、裝配等工作站，在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生思考工作站方案設(shè)計(jì)思路，并組織布局實(shí)施、工藝流程實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)優(yōu)化等教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合應(yīng)用的能力。

3.3 對(duì)接職業(yè)院校技能大賽

當(dāng)前職業(yè)院校技能大賽是衡量職業(yè)院校教學(xué)水平的一個(gè)重要標(biāo)志，越來越多的高職院校加大了對(duì)技能大賽的投入力度，以達(dá)到“以賽促教”的目的。[7]“制造單元智能化改造與集成技術(shù)”是高職院校職業(yè)技能大賽中新興的一個(gè)賽項(xiàng)，至今已成功舉辦兩屆國賽。該賽項(xiàng)針對(duì)汽車輪轂零件打磨、檢測、加工等工序的智能制造過程，以智能制造技術(shù)應(yīng)用為核心，綜合考察參賽學(xué)生在系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、視覺檢測等技術(shù)等方面的應(yīng)用能力。該賽項(xiàng)的核心模塊——執(zhí)行單元就是基于ABB機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，包括快換工具的裝卸、輪轂的拾取與入庫、視覺檢測、打磨加工等，都需要利用RobotStudio進(jìn)行離線編程與虛擬仿真，尤其是批量化生產(chǎn)輪轂和定制化生產(chǎn)輪轂的工藝流程編制，通過軟件編程調(diào)試然后下載到機(jī)器人控制器，可以節(jié)約大量時(shí)間，提高競賽水平。

3.4 融入課程思政理念

師者，傳道受業(yè)解惑也。教師的首要任務(wù)是“傳道”，而不是“授業(yè)解惑”。我們不但要教會(huì)學(xué)生“知其然”，更要教會(huì)學(xué)生“知其所以然”。例如在虛擬工作站的搭建過程中，特別是對(duì)Smart組件進(jìn)行較復(fù)雜的動(dòng)態(tài)屬性設(shè)置過程中，學(xué)生在理解Smart組件工作原理的基礎(chǔ)上，耐心細(xì)致地對(duì)Smart組件進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)置，才能實(shí)現(xiàn)組件與設(shè)備的聯(lián)接以及I/O信號(hào)的模擬效果，[8]在潛移默化中逐步培養(yǎng)學(xué)生“要做就要做好”、“要學(xué)就要學(xué)會(huì)”的學(xué)習(xí)風(fēng)格，和不怕困難、勇敢堅(jiān)毅的學(xué)習(xí)精神。RobotStudio虛擬仿真軟件在提高學(xué)生工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用能力的同時(shí)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)穆殬I(yè)規(guī)范、耐心細(xì)致的做事風(fēng)格有很大推動(dòng)作用。

4 結(jié)語

將RobotStudio軟件應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人專業(yè)虛擬仿真教學(xué)中，可以將專業(yè)課程有機(jī)地串聯(lián)起來，對(duì)接當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人職業(yè)崗位群核心技能，促進(jìn)課程體系不斷向教學(xué)手段信息化、教學(xué)內(nèi)容集約化方向發(fā)展。在教學(xué)中運(yùn)用RobotStudio強(qiáng)大的離線編程功能實(shí)現(xiàn)工作站虛擬仿真、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、離線編程、調(diào)試等功能的同時(shí)，對(duì)于提高學(xué)生學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人積極性、培養(yǎng)學(xué)生耐心細(xì)致的學(xué)習(xí)習(xí)慣和良好的職業(yè)素養(yǎng)起到了很好的推動(dòng)作用。

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基金項(xiàng)目：咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院2019年度科學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2019KYC11），項(xiàng)目主持人孫守勇

作者簡介：孫守勇（1984-），男，陜西西安人，工學(xué)碩士，助教，研究方向：智能制造技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)。