基于虛擬仿真的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)研究

蔡宇翔

（臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電與模具工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318020）

引言

2015年，國務(wù)院審議通過《中國制2025》，其中明確指出：“促進(jìn)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化發(fā)展，擴(kuò)大市場應(yīng)用”。[1]隨著中國人口紅利的逐漸消失，自動(dòng)化、智能化成為了當(dāng)前中國產(chǎn)業(yè)升級(jí)的現(xiàn)實(shí)需求。工業(yè)機(jī)器人其優(yōu)勢(shì)在于可以適應(yīng)不同的任務(wù)需求，是《中國制造2025》中明確提出并重點(diǎn)攻關(guān)的核心技術(shù)，掌握機(jī)器人的原理和使用方法是未來技能型人才的一項(xiàng)重要技能。

在這一大背景下，高校在智能制造方面在課程開發(fā)、教學(xué)研究等方面均開始探索新型人才培養(yǎng)方式。隨著智能設(shè)備的復(fù)雜化、集成化，其價(jià)格不斷上升，傳統(tǒng)的設(shè)備式教學(xué)已經(jīng)無法滿足學(xué)生人均設(shè)備增長的需求，迫切需要仿真技術(shù)來滿足教學(xué)需求。

一、當(dāng)前教學(xué)所存在的問題

（一）教學(xué)資源單一

目前市面上關(guān)于機(jī)器人仿真的書籍不多，且教學(xué)資源也嚴(yán)重同質(zhì)化[4]。但隨著時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)有教學(xué)資源逐漸缺乏新穎性，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣逐漸降低。

（二）教學(xué)內(nèi)容缺乏系統(tǒng)化

當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人教學(xué)偏向于機(jī)器人本體的基本操作，實(shí)際設(shè)備由于功能固定，進(jìn)行拓展教學(xué)時(shí)無法發(fā)揮實(shí)際設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，難以形成系統(tǒng)化的教學(xué)項(xiàng)目。

針對(duì)上述問題，如何從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，通過工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真來滿足社會(huì)對(duì)高端智能制造人才的需求，是目前教學(xué)所必須要解決的問題。

二、企業(yè)需求及崗位能力分析

通過深入多家企業(yè)的調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)在自動(dòng)化企業(yè)中，機(jī)器人控制技術(shù)員的一部分主要職責(zé)是：針對(duì)新產(chǎn)品編寫機(jī)器人運(yùn)行程序、完成企業(yè)內(nèi)部機(jī)器人的維護(hù)和保養(yǎng)工作、、承擔(dān)新生產(chǎn)工藝流程的仿真規(guī)劃等。因此，從企業(yè)調(diào)研中我們發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人操作類的專業(yè)人才除了具備過硬的專業(yè)知識(shí)和基本編程技能，還應(yīng)掌握機(jī)器人虛擬仿真技術(shù)，能夠在項(xiàng)目中向客戶展示成功案例、生產(chǎn)實(shí)際工藝，通過仿真展示生產(chǎn)工藝流程，預(yù)先使生產(chǎn)過程可視化，這是未來機(jī)器人工程師技術(shù)能力的趨勢(shì)，十分受用人單位的歡迎。

三、基于虛擬仿真的機(jī)器人教學(xué)探索

《國家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》指出，要積極推動(dòng)“學(xué)歷證書+若干職業(yè)技能等級(jí)證書”制度。在工業(yè)機(jī)器人中級(jí)職業(yè)技能中，明確規(guī)定了技術(shù)人員對(duì)機(jī)器人操作的要求。針對(duì)上述要求，可以通過ABB仿真軟件Robot Studio來實(shí)現(xiàn)相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。

Robot Studio是一款優(yōu)秀的仿真軟件，其囊括了ABB公司目前在售的所有類型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，能夠在軟件中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人及其附屬設(shè)備的仿真和控制功能。其主要功能包括：模擬控制與軌跡仿真、自定義工具及裝置的創(chuàng)建、Smart組件外圍設(shè)備功能仿真、高級(jí)編程環(huán)境RAPID等。

（一）仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

在工業(yè)機(jī)器人中，學(xué)生的主要操作和練習(xí)主要通過示教器進(jìn)行。通過仿真軟件Robot Studio教學(xué)的主要內(nèi)容有：

1.機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)

在真實(shí)的機(jī)器人環(huán)境中，學(xué)生經(jīng)常會(huì)搞不清坐標(biāo)系的方向，也不清楚坐標(biāo)系是否正確創(chuàng)立，這種情況偶爾可能也會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人工具發(fā)生碰撞造成機(jī)器人損壞，特別是在示教某一個(gè)點(diǎn)或移動(dòng)機(jī)器人時(shí)。而虛擬仿真能直觀地通過顏色顯示大地坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系、用戶坐標(biāo)系的位置和方向。學(xué)生們?cè)诓僮髦型ㄟ^結(jié)果再回想操作過程，可以清楚知道自己在過程中所定義坐標(biāo)數(shù)據(jù)的作用，降低實(shí)操風(fēng)險(xiǎn)。

2.示教器的基本用法與基本軌跡編程

虛擬仿真另一個(gè)優(yōu)秀的地方在于，它所包含的虛擬示教器與真實(shí)的機(jī)器人示教器無論是界面還是用法均相同。在虛擬示教器中的操作能夠在機(jī)器人視圖中顯示出來，包括運(yùn)行的軌跡、運(yùn)行速度等等。掌握了虛擬示教器的用法也就掌握了真實(shí)示教器的用法。

3.機(jī)器人的工具創(chuàng)建方法

對(duì)于常用的機(jī)器人工具，目前主要可以分為可活動(dòng)和不可活動(dòng)兩大類，可活動(dòng)的工具例如氣爪，其內(nèi)部零部件可以進(jìn)行活動(dòng)，有一定自由度；不可活動(dòng)工具如焊槍、吸盤等，其工具內(nèi)部零部件是不可運(yùn)動(dòng)的。這兩類工具在Robot Studio中采用不同的創(chuàng)建方法。對(duì)于不可活動(dòng)工具，采用的是創(chuàng)建工具方法，對(duì)于可活動(dòng)的工具，采用的是創(chuàng)建機(jī)械裝置的方法。學(xué)生通過學(xué)習(xí)和掌握這兩種工具的創(chuàng)建方法，可以完成90%以上的工具類型創(chuàng)建。在后續(xù)的課程中，如機(jī)器人系統(tǒng)集成、夾具設(shè)計(jì)等，通過導(dǎo)入設(shè)計(jì)好的工具來完成項(xiàng)目內(nèi)容的展示，使工藝流程更加直觀。

4.高級(jí)程序的編程

在示教器中，基本的語句編程使用起來較為方便，但是教器不同于高級(jí)編程環(huán)境，當(dāng)遇到復(fù)雜的邏輯編程時(shí)，使用示教器相當(dāng)不方便。在虛擬仿真的RAPID編程環(huán)境下，可以非常方便地修改語句，使用者可以如同使用高級(jí)語言編程環(huán)境（如Visual Studio）一樣使用機(jī)器人編程語言。與示教器相比RAPID編程環(huán)境使用非常靈活，學(xué)生們通過RAPID程序練習(xí)，學(xué)習(xí)進(jìn)度大大地超越了原來的僅靠設(shè)備練習(xí)，有些較為優(yōu)秀的學(xué)生甚至能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯復(fù)雜的機(jī)器人控制程序，例如在機(jī)器人執(zhí)行多重嵌套循環(huán)任務(wù)時(shí)，需要用到變量的定義，這在示教器中做比較麻煩，而在RAPID中可以像C語言一樣直接在編輯器中給變量聲明和定義，并直接在程序中使用。但RAPID編程環(huán)境也是一把雙刃劍，它需要學(xué)生有一定的C語言基礎(chǔ)，且對(duì)基本的機(jī)器人軌跡運(yùn)行指令的結(jié)構(gòu)需要有一定的熟悉，否則容易造成語法錯(cuò)誤。

5.系統(tǒng)創(chuàng)建與多重工藝包模塊

一般機(jī)器人設(shè)備在購買后，機(jī)器人系統(tǒng)就已經(jīng)固化在控制器中，而在Robot Studio中，機(jī)器人系統(tǒng)必須主動(dòng)創(chuàng)建，在創(chuàng)建系統(tǒng)的過程中，可以根據(jù)自身的工藝需求，添加不同的工藝模塊，如焊接、噴涂等。以弧焊為例，許多高校并沒有焊接設(shè)備，但學(xué)生畢業(yè)后難免會(huì)接觸到焊接工藝。作為機(jī)器人基本功能的拓展，在仿真軟件中創(chuàng)建機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，就可以將弧焊模塊添加進(jìn)去。添加弧焊模塊后，學(xué)生可以通過焊接指令、焊接參數(shù)等，通過TCP軌跡來查看焊接的工藝情況，可以實(shí)現(xiàn)擺弧等工藝操作，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面。

（二）學(xué)生練習(xí)與考核

我校的機(jī)器人工作站設(shè)備是基于ABB機(jī)器人的物料分揀與倉儲(chǔ)工作站，該單站系統(tǒng)包括了輸送鏈、圖像識(shí)別、碼垛倉儲(chǔ)等功能。在課堂教學(xué)與實(shí)訓(xùn)中，針對(duì)學(xué)校的設(shè)備，要求學(xué)生從建模出發(fā)，將機(jī)器人的外圍設(shè)備繪制并添加至仿真系統(tǒng)中，再通過Smart組件實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的功能，并通過Screen Maker定制示教器界面，學(xué)生們分工合作完成整個(gè)工作站的建模、仿真與編程工作。這是一項(xiàng)融合CAD繪圖與機(jī)器人仿真的綜合項(xiàng)目。在教學(xué)中將工作站的內(nèi)容細(xì)化，項(xiàng)目的每一部分融合到教學(xué)過程中，CAD繪圖內(nèi)容讓學(xué)生課后完成，而機(jī)器人工具創(chuàng)建、軌跡程序編寫、Smart組件創(chuàng)建、自定義Screen Maker等，均是跟隨教學(xué)進(jìn)度，循序漸進(jìn)帶領(lǐng)學(xué)生完成，學(xué)生在學(xué)期結(jié)束后可以發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)能夠獨(dú)立完成工作站仿真的80%任務(wù)。

Robot Studio仿真軟件也方便了學(xué)生的作業(yè)批改與期末考核，其能夠?qū)⒎抡娼Y(jié)果輸出成可調(diào)整視角的exe格式文件，方便教師進(jìn)行打分。在教學(xué)中，應(yīng)堅(jiān)持“作業(yè)以結(jié)果為導(dǎo)向、考試以過程為導(dǎo)向”，在給學(xué)生壓力的同時(shí)也保證了公平性。

四、結(jié)束語

在經(jīng)過幾個(gè)學(xué)期的實(shí)踐，隨著項(xiàng)目的增多，虛擬仿真的素材增多，學(xué)生所能學(xué)習(xí)和練習(xí)的內(nèi)容也逐漸增多。相比于一開始就上真實(shí)設(shè)備操作，虛擬仿真能夠鍛煉學(xué)生的思維能力、編程能力，且趣味性也更強(qiáng)，學(xué)生們學(xué)起來也更有樂趣。學(xué)生們通過虛擬仿真軟件，對(duì)機(jī)器人的整體認(rèn)知、機(jī)器人的編程能力有了極大的提高，因此工業(yè)機(jī)器人的虛擬仿真將會(huì)在高校工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中發(fā)揮越來越大的作用。