江一行 葉俊

[摘? ? ? ? ? ?要]? 工業(yè)機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)課程圍繞機(jī)器人應(yīng)用中對(duì)應(yīng)的夾具設(shè)計(jì)任務(wù)，進(jìn)行分析，并基于三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。所以本門(mén)課程教學(xué)，首先應(yīng)思考如何利用線(xiàn)上、線(xiàn)下的資源，完成更有效的教學(xué);其次，根據(jù)本門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容，可采用任務(wù)式教學(xué)，將教學(xué)重點(diǎn)融于各個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)中;最后，以智能制造產(chǎn)線(xiàn)的數(shù)字孿生技術(shù)為依托，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)過(guò)程。基于以上幾點(diǎn)進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革及研究。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 混合式教學(xué);數(shù)字孿生;教學(xué)改革

[中圖分類(lèi)號(hào)]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2021）32-0072-02

一、引言

機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)是在行業(yè)需求分析基礎(chǔ)上，以學(xué)生就業(yè)為導(dǎo)向而設(shè)置的一門(mén)大量應(yīng)用軟件的實(shí)踐類(lèi)課程。本課程教學(xué)改革的總體思路是改變以往“集中實(shí)施理論教學(xué)”為主的專(zhuān)業(yè)課程授課方式，使學(xué)生在具體的工業(yè)機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)創(chuàng)新思維，完成課程重難點(diǎn)的學(xué)習(xí)及掌握，并應(yīng)用理論完成具體的項(xiàng)目任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)綜合水平的提高。

因此，在本課程的教學(xué)設(shè)計(jì)中，應(yīng)探索新方式，應(yīng)用混合式教學(xué)模式[1]和任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，開(kāi)發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新思維，使學(xué)生可在各個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)中完成機(jī)器人夾具產(chǎn)品設(shè)計(jì)、計(jì)算、裝配及仿真調(diào)試。

本文將以校內(nèi)智能制造產(chǎn)線(xiàn)中機(jī)器人工作任務(wù)所對(duì)應(yīng)的不同夾具需求為課程任務(wù)，以智能制造產(chǎn)線(xiàn)的數(shù)字孿生技術(shù)[2]為依托，以線(xiàn)上數(shù)字化資源為平臺(tái)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革進(jìn)行研究。

二、教學(xué)改革實(shí)施策略

目前，常見(jiàn)的混合式教學(xué)模式很多僅是技術(shù)上的疊加使用，如課本資源上傳至線(xiàn)上，作業(yè)也編輯為線(xiàn)上習(xí)題等，沒(méi)有真正意義上應(yīng)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)上的改革。徹底改變授課進(jìn)程，使得學(xué)生可得到個(gè)性化、獨(dú)一無(wú)二的學(xué)習(xí)過(guò)程，也就是應(yīng)用好現(xiàn)代數(shù)據(jù)計(jì)算能力及平臺(tái)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的匹配。另外，數(shù)字孿生是實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品虛實(shí)同步的一種技術(shù)，其在高等職業(yè)教育中的應(yīng)用十分值得研究。本文借鑒數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用[3-5]，研究其如何應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)課程教學(xué)中。

（一）混合式教學(xué)實(shí)施策略

1.線(xiàn)上、線(xiàn)下結(jié)合教學(xué)

工業(yè)機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)課程擬采用以線(xiàn)下教學(xué)為主、線(xiàn)上教學(xué)為輔的教學(xué)方式進(jìn)行授課?？蓪⒚看握n的導(dǎo)言、課前小測(cè)、隨堂習(xí)題等內(nèi)容在線(xiàn)上進(jìn)行，教師可通過(guò)線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能更好地把握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況、教學(xué)質(zhì)量等問(wèn)題，以便及時(shí)調(diào)整授課難度及進(jìn)度。

2.任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)[6]

對(duì)應(yīng)智能制造產(chǎn)線(xiàn)中機(jī)器人夾具不同的工作任務(wù)，根據(jù)崗位對(duì)知識(shí)與技能要求，將項(xiàng)目劃分為多個(gè)子任務(wù)單元。如圖1所示，將本課程的主要內(nèi)容分為五個(gè)任務(wù)：第一個(gè)任務(wù)是工業(yè)機(jī)器人夾具認(rèn)知，包含工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的定義、發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，和不同功能種類(lèi)的機(jī)器人應(yīng)用，把學(xué)生應(yīng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人夾具所具有的一些基礎(chǔ)認(rèn)知知識(shí)點(diǎn)都設(shè)計(jì)為一項(xiàng)任務(wù)，對(duì)應(yīng)不同的任務(wù)點(diǎn)或者問(wèn)題，而不是沒(méi)有目的地對(duì)認(rèn)知性的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行大致地瀏覽;第二至四個(gè)任務(wù)則分別為機(jī)電結(jié)合式、氣壓式、吸附式機(jī)器人夾具的設(shè)計(jì)及裝配，包含不同結(jié)構(gòu)形式的機(jī)器人夾具的結(jié)構(gòu)功能認(rèn)知、夾緊力計(jì)算、動(dòng)力源的選擇、夾具零部件的設(shè)計(jì)及選型等初步設(shè)計(jì)任務(wù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行夾具零件的三維設(shè)計(jì)及裝配，對(duì)裝配時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行二次或三次改進(jìn)設(shè)計(jì)，最后完成機(jī)器人夾具的總體設(shè)計(jì)及總體三維裝配圖;第五個(gè)任務(wù)為機(jī)器人夾具的仿真調(diào)試，實(shí)際上這個(gè)任務(wù)也是針對(duì)任務(wù)二至任務(wù)四所設(shè)計(jì)的三種不同結(jié)構(gòu)的機(jī)器人夾具，將之前設(shè)計(jì)的三種類(lèi)型的機(jī)器人夾具依次在虛擬環(huán)境中進(jìn)行仿真調(diào)試，從而進(jìn)行功能驗(yàn)證，在虛擬調(diào)試成功的前提下，再在數(shù)字孿生的環(huán)境中完成虛實(shí)結(jié)合的調(diào)試，再一次證實(shí)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人夾具的可用性。

從第一個(gè)認(rèn)知任務(wù)，到中間三個(gè)機(jī)器人夾具的設(shè)計(jì)及裝配任務(wù)，到最后的仿真調(diào)試任務(wù)，任務(wù)單元前后緊密聯(lián)系、層層遞進(jìn)，虛實(shí)結(jié)合，依次完成對(duì)工業(yè)機(jī)器人夾具的認(rèn)知、不同類(lèi)型的工業(yè)機(jī)器人夾具的設(shè)計(jì)、裝配和仿真調(diào)試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)本課程知識(shí)的了解、掌握、應(yīng)用及拓展。

（二）應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行教學(xué)

數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin）起源于美國(guó)，最早應(yīng)用在虛擬空間建立機(jī)電產(chǎn)品模型中，并通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)與機(jī)電產(chǎn)品真實(shí)狀態(tài)完全同步，實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品的同步開(kāi)發(fā)、調(diào)試與維修。虛擬空間與物理空間的交聯(lián)，因數(shù)字孿生技術(shù)而產(chǎn)生了一種新的方式——虛實(shí)共生。數(shù)字孿生技術(shù)由于其孿生對(duì)象互相一一映射的特性，極大地解決了在知識(shí)傳授過(guò)程中的空間問(wèn)題，如遠(yuǎn)距離教學(xué)的實(shí)踐操作問(wèn)題、設(shè)備設(shè)施套數(shù)不夠等教學(xué)痛點(diǎn)。目前將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于高職課程教學(xué)的案例還十分少見(jiàn)，我校正積極開(kāi)展智能制造基地的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)工作。

本課程的數(shù)字孿生平臺(tái)是學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試的虛實(shí)結(jié)合的一套學(xué)習(xí)系統(tǒng)，它包含虛實(shí)兩套教學(xué)設(shè)備環(huán)境?，F(xiàn)實(shí)環(huán)境為智能制造產(chǎn)線(xiàn)實(shí)訓(xùn)基地中的機(jī)器人或是桌面式機(jī)器人，虛擬環(huán)境則為學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的孿生機(jī)器人，孿生機(jī)器人與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的設(shè)備一一對(duì)應(yīng)，且可以使用信息交換完成虛實(shí)映射，即數(shù)據(jù)傳輸[7]。所以，學(xué)生的學(xué)習(xí)設(shè)備可以從現(xiàn)實(shí)環(huán)境轉(zhuǎn)化到虛擬環(huán)境中的孿生機(jī)器人上，無(wú)論是機(jī)械結(jié)構(gòu)還是信號(hào)控制，都是完全等效的，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的體驗(yàn)感與智能制造產(chǎn)線(xiàn)實(shí)訓(xùn)基地中一樣真實(shí)，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。