RobotStudio在高職工業(yè)機器人專業(yè)教學中的應用

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

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

中圖分類號：G642.0

《中國制造2025》戰(zhàn)略部署中明確提出九項戰(zhàn)略任務，其中包含聚焦信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、機器人等重點領(lǐng)域。工業(yè)機器人作為先進制造業(yè)中不可或缺的重要裝備和技術(shù)，已成為衡量一個國家制造業(yè)水平和技術(shù)實力的重要標志。當前越來越多的高職院校開設(shè)了工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)，有力地推動了智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。一方面工業(yè)機器人技術(shù)作為新興專業(yè)越來越多地受到學生們的青睞，另一方面由于是新興專業(yè)，配套的硬件資源設(shè)施還不能及時跟進，動輒幾十萬甚至上百萬的設(shè)備資金讓一些學校望而卻步，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器人實訓設(shè)備或者僅僅有一兩臺機器人實訓設(shè)備的情況，遠遠無法滿足現(xiàn)實的教學需求。筆者結(jié)合工業(yè)機器人專業(yè)課程的教學實際，將Robotstudio虛擬仿真軟件應用與課程教學有機結(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，同時也是一款離線編程軟件。[2]RobotStudio軟件制作精良、功能強大，包含了幾乎所有ABB機器人的模型，能夠進行幾何體模型的導入、路徑規(guī)劃、碰撞檢測、虛擬仿真、離線編程、在線作業(yè)等，涵蓋了機器人操作的整個周期。[3]將RobotStudio軟件應用到工業(yè)機器人專業(yè)教學中，可以拓展課程教學的廣度和深度，對提升機器人專業(yè)教學層次具有重要的意義。

2 RobotStudio在工業(yè)機器人專業(yè)教學中的意義

2.1 各專業(yè)課程聯(lián)接的紐帶

在工業(yè)機器人專業(yè)的各個課程教學中，例如工業(yè)機器人基礎(chǔ)、工業(yè)機器人現(xiàn)場編程等課程，都會涉及到工業(yè)機器人的虛擬仿真應用。虛擬仿真技術(shù)在課程中起到串聯(lián)各知識點的作用。RobotStudio對機器人及外圍設(shè)備進行工作站搭建、離線編程、程序調(diào)試、運動仿真，最后可以將調(diào)試好的程序應用于真正的實訓教學或者生產(chǎn)實踐，具體應用體現(xiàn)見下表。

2.2 對接崗位工作能力

工業(yè)機器人專業(yè)對應的職業(yè)崗位群核心職業(yè)能力要求能夠維護、保養(yǎng)工業(yè)機器人應用系統(tǒng)設(shè)備，能排除簡單的電器及機械故障;能根據(jù)自動化生產(chǎn)線的工作崗位要求，編制、調(diào)整工業(yè)機器人控制程序;能根據(jù)工業(yè)機器人應用方案要求，安裝、調(diào)試工業(yè)機器人及應用系統(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)的機器人基本操作、離線編程、系統(tǒng)設(shè)計等模塊內(nèi)容，可以很好地與企業(yè)崗位能力對接，結(jié)合項目式教學設(shè)計，沉浸式教學方法，提高學生專業(yè)核心技能和職業(yè)素養(yǎng)。

2.3 避“重”就“輕”，易于實現(xiàn)“信息化”實訓教學

這里的避“重”就“輕”有兩層含義。一是學生在真正實操機器人之前，先利用虛擬仿真軟件進行虛擬化的仿真訓練。示教器的使用方法、機器人運動姿態(tài)、控制器聯(lián)接等環(huán)節(jié)與真實情況一致，學生在仿真過程中能夠遇到機器人伺服報錯、奇異點報警、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，使學生在真正操作機器人之前大大提高機器人操作能力，減少了危險的發(fā)生，提高了實踐教學的安全性。[5]二是基于目前部分高校機器人實訓設(shè)備短缺的情況，無法完全滿足全部學生同時參與機器人實訓教學的需求，可以通過RobotStudio虛擬仿真進行任務式、模塊化實訓教學，一定程度上緩解教學壓力。同時，擺脫了機器人實訓場地的限制，只要有電腦的地方，學生可以隨時隨地通過軟件對所學知識進行鞏固訓練、提高了學生學習的自主性和積極性。

3 RobotStudio在工業(yè)機器人課堂教學中的應用

3.1 工業(yè)機器人手動操縱實踐

在工業(yè)機器人基礎(chǔ)課程教學中，機器人的手動操縱是一個重要的學習內(nèi)容，銜接了從機器人的基礎(chǔ)理論知識到機器人編程的兩大部分知識模塊。由于學生還沒有真正動手接觸過機器人，對機器人還有一定的“敬畏”心理，因此用RobotStudio來虛擬仿真機器人的手動操作可以起到很好的教學效果。在筆者的實際教學中，將該部分內(nèi)容專門用了4學時來進行虛擬仿真訓練。機器人手動操縱的三種運動模式包括單軸運動模式、線性運動模式、重定位運動模式。學生可以在軟件中實時觀察機器人1-6軸單軸運動狀態(tài)、線性運作模式下X、Y、Z三個方向線性運動軌跡及重定位模式下TCP點分別繞著X、Y、Z三個軸作位置不變、姿態(tài)改變的運動，全方位觀察機器人運動狀態(tài)、角度、位移等數(shù)據(jù)，實時記錄各關(guān)節(jié)軸的運動軌跡，讓學生對機器人運動狀態(tài)理解得更加生動形象、數(shù)據(jù)掌握得更加具體詳實。

3.2 機器人工作站離線編程應用

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

結(jié)合其他工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計軟件，例如UG、Pro/E等，可以將設(shè)備或工件模型導入到RobotStudio中，構(gòu)建搬運、碼垛、裝配等工作站，在教學中引導學生思考工作站方案設(shè)計思路，并組織布局實施、工藝流程實現(xiàn)、系統(tǒng)優(yōu)化等教學內(nèi)容，提高學生工業(yè)機器人技術(shù)綜合應用的能力。

3.3 對接職業(yè)院校技能大賽

當前職業(yè)院校技能大賽是衡量職業(yè)院校教學水平的一個重要標志，越來越多的高職院校加大了對技能大賽的投入力度，以達到“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賽項，至今已成功舉辦兩屆國賽。該賽項針對汽車輪轂零件打磨、檢測、加工等工序的智能制造過程，以智能制造技術(shù)應用為核心，綜合考察參賽學生在系統(tǒng)集成設(shè)計、工業(yè)機器人技術(shù)、視覺檢測等技術(shù)等方面的應用能力。該賽項的核心模塊——執(zhí)行單元就是基于ABB機器人的運動控制，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)試然后下載到機器人控制器，可以節(jié)約大量時間，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。教師的首要任務是“傳道”，而不是“授業(yè)解惑”。我們不但要教會學生“知其然”，更要教會學生“知其所以然”。例如在虛擬工作站的搭建過程中，特別是對Smart組件進行較復雜的動態(tài)屬性設(shè)置過程中，學生在理解Smart組件工作原理的基礎(chǔ)上，耐心細致地對Smart組件進行關(guān)聯(lián)設(shè)置，才能實現(xiàn)組件與設(shè)備的聯(lián)接以及I/O信號的模擬效果，[8]在潛移默化中逐步培養(yǎng)學生“要做就要做好”、“要學就要學會”的學習風格，和不怕困難、勇敢堅毅的學習精神。RobotStudio虛擬仿真軟件在提高學生工業(yè)機器人應用能力的同時，對培養(yǎng)學生嚴謹?shù)穆殬I(yè)規(guī)范、耐心細致的做事風格有很大推動作用。

4 結(jié)語

將RobotStudio軟件應用到工業(yè)機器人專業(yè)虛擬仿真教學中，可以將專業(yè)課程有機地串聯(lián)起來，對接當前工業(yè)機器人職業(yè)崗位群核心技能，促進課程體系不斷向教學手段信息化、教學內(nèi)容集約化方向發(fā)展。在教學中運用RobotStudio強大的離線編程功能實現(xiàn)工作站虛擬仿真、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、離線編程、調(diào)試等功能的同時，對于提高學生學習工業(yè)機器人積極性、培養(yǎng)學生耐心細致的學習習慣和良好的職業(yè)素養(yǎng)起到了很好的推動作用。

參考文獻：

[1]眭翔.信息化手段在工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)教學中的應用[J].教育觀察，2017，160（24）：72-73.

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[6]王功亮，王好臣，李振雨，等.基于RobotStudio的碼垛機器人智能工作站仿真研究[J].機電工程，2017（11）：137-140.

[7]沈玲.依托技能大賽提升專業(yè)教學質(zhì)量淺探——以工業(yè)機器人技術(shù)應用賽項為例[J].湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學報，2018，138（03）：56-60.

[8]袁永偉，李珊珊，孔德剛，等.虛擬仿真在“工業(yè)機器人”實踐教學中的應用研究[J].教育現(xiàn)代化，2017（34）：196-197.

基金項目：咸陽職業(yè)技術(shù)學院2019年度科學研究項目（項目編號：2019KYC11），項目主持人孫守勇

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