基于虛擬現(xiàn)實的工業(yè)機器人課程實踐教學探索

李波 田威 王長瑞 胡俊山 李鵬程

摘? ?要：隨著工業(yè)機器人自動裝配技術(shù)成為當前我國智能制造的研究熱點，工業(yè)機器人課程教學在各大高校受到越來越多的關(guān)注。然而傳統(tǒng)工業(yè)機器人課程教學中，由于實操危險系數(shù)大、學生數(shù)量多而機器人數(shù)量少，導(dǎo)致學生參與度不夠高、實踐操作經(jīng)驗缺失、教學效果甚微。文章旨在將虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)引入工業(yè)機器人課程教學中，探索虛實結(jié)合的教學新模式，實現(xiàn)課堂教學與工程實踐相結(jié)合，打破傳統(tǒng)工業(yè)機器人教學上的局限性，加速教學內(nèi)容、課程體系、教學方法和運行機制的改革與創(chuàng)新，填補當前工業(yè)機器人技術(shù)實踐教學方面的空白。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人;VR技術(shù);虛實結(jié)合;航空宇航制造

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）16-0033-04

一、引言

近年來，教育部指出要加大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)力度，支持和鼓勵有條件的院校從高等教育入手，積極培養(yǎng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)專業(yè)人才。虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)是其中核心的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，把握好VR專業(yè)建設(shè)成為學校重要工作之一。

VR技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)機器人教學過程有著極高的契合度，可借助儀器設(shè)備等物質(zhì)條件讓課堂真正虛實結(jié)合，實現(xiàn)從感性認識到工程實踐的飛躍。比如，利用VR技術(shù)可對工業(yè)機器人的裝配和維修等工作進行虛擬仿真建模，在設(shè)計過程的最初階段發(fā)現(xiàn)可能存在的缺陷和問題，減少不必要的浪費。又如，可通過對機器人用于飛機自動鉆鉚的過程進行虛擬計算與設(shè)計，使學生能夠與現(xiàn)實的生產(chǎn)制造工藝相匹配。再如，運用虛擬裝配技術(shù)，學生能夠在更真實、自然的環(huán)境下實現(xiàn)大型飛機總體布置與協(xié)調(diào)，完成機器人裝配過程的模擬以及維修性、測試性仿真。

本文旨在將VR技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)機器人課程的教學中，探索基于VR的工業(yè)機器人技術(shù)課程教學新模式，對課程教學的靈活性、生動性、先進性、實踐性與創(chuàng)新性具有重要意義。利用VR技術(shù)連接工業(yè)機器人與機械制造、航空宇航制造產(chǎn)品的應(yīng)用，實現(xiàn)課堂教學與工程實踐相結(jié)合，學生在教室便能體驗到真實環(huán)境，很大程度地節(jié)約教學成本、提升教學質(zhì)量。

二、工業(yè)機器人課程教學與研究現(xiàn)狀

工業(yè)機器人是一門高度交叉性學科，融合了力學、機械學、控制論、電子學、計算機科學等眾多專業(yè)知識，理論知識抽象，與工程應(yīng)用聯(lián)系緊密，因而課程實踐性也較強，需強調(diào)理論與實踐相結(jié)合[1-3]?！豆I(yè)機器人技術(shù)與應(yīng)用》是南京航空航天大學機電學院針對機械制造和航空宇航制造類專業(yè)學生開設(shè)的一門專業(yè)課程，旨在培養(yǎng)學生學習工業(yè)機器人精度補償技術(shù)的基本理論和方法，提高學生應(yīng)用基礎(chǔ)理論解決實際工程技術(shù)問題的能力，最終掌握工業(yè)機器人精度補償技術(shù)及其在飛行器自動裝配中的應(yīng)用。

在前期教學中，筆者發(fā)現(xiàn)學生對機器人的基本概念不清晰，課堂參與度不夠高，機器人實操經(jīng)驗缺失，嚴重影響了工程實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。主要原因如下：①傳統(tǒng)的實驗只支持重復(fù)認知型實驗，無法開展工業(yè)機器人結(jié)合航空大部件制造的高探究性實驗，直接影響了學生創(chuàng)新能力的提升;②由于飛機裝配實驗場地大、設(shè)備大、部件大、工藝流程復(fù)雜等因素，導(dǎo)致學校難以復(fù)制工業(yè)機器人裝備制造現(xiàn)場;③真實機器人實際操作危險系數(shù)大，開展工業(yè)機器人相關(guān)教學實驗存在一定的安全風險;④航空大部件制造實驗需要不斷升級大型專業(yè)設(shè)備和工裝，消耗大量昂貴的實驗材料，加之實物機器人也較為昂貴，物理實驗成本極高，面對學生數(shù)量多而機器人數(shù)量少的情況，難以運用實際的機器人作為教學和培訓(xùn)的實驗設(shè)備。

因此，探索新的教學模式已經(jīng)成為工業(yè)機器人課程改革的必然趨勢。電子科技大學的于楚泓[1]主要從重組教材內(nèi)容和優(yōu)化教學模式入手，探索了《工業(yè)機器人技術(shù)》課程的教學改革。楊利靜[4]和許文燕[5]對改進后的教學方法進行了具體闡述，注重于對具體實操任務(wù)內(nèi)容的改進，有助于培養(yǎng)學生的實際動手能力。李慶齡[6]對工業(yè)機器人課程的教學內(nèi)容和教學方法均作了系統(tǒng)性改革嘗試。楊宗凱[7]提出，教室的發(fā)展分為傳統(tǒng)教室、多媒體教室和先進教室三個階段，先進教室從技術(shù)演進上要經(jīng)歷“網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化”，以支持多元化的動態(tài)學習。謝斌等[8]對基于MATLAB Robotics Toolbox的機器人學仿真實驗教學進行了具體的方案設(shè)計，對坐標變換、機器人建模、運動學求解、軌跡規(guī)劃等機器人學知識進行仿真實驗教學。袁永偉等[9]也探索了仿真軟件對教學模式改革的影響，利用RobotArt軟件讓學生在實驗室電腦上進行離線編程，考察基礎(chǔ)理論知識的掌握情況。以上關(guān)于機器人課程教學的研究方向仍未能跳出傳統(tǒng)多媒體教室教學的思路，教學方法依舊是課堂教學與機器人仿真軟件或機器人實操相結(jié)合的傳統(tǒng)教學模式。

三、融合VR技術(shù)的課程教學內(nèi)容設(shè)計

本文以航空宇航制造工程專業(yè)的“飛機自動裝配過程”為典型案例，建立基于工業(yè)機器人智能裝配裝備的VR教學平臺，探索VR技術(shù)與工業(yè)機器人教學相結(jié)合的新模式。將工業(yè)機器人示教編程、精度補償、軌跡規(guī)劃與飛行器裝配機器人自動鉆鉚等依賴于大型試驗場地與設(shè)備的實習內(nèi)容轉(zhuǎn)化為教學實踐課程，讓學生足不出校就能切身體驗到工業(yè)機器人的操作、編程方式及其在航空航天制造領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。本文重點致力于虛實結(jié)合的工業(yè)機器人教學平臺建設(shè)、虛實結(jié)合的工業(yè)機器人課程形式創(chuàng)新以及虛實結(jié)合的工業(yè)機器人課程內(nèi)容探索研究。

1.虛實結(jié)合的工業(yè)機器人教學平臺建設(shè)

虛實結(jié)合的工業(yè)機器人教學平臺建設(shè)分為“虛”與“實”兩部分?！疤摗辈糠种饕揽縑R實驗設(shè)備。如圖1所示，以Samsung公司的玄龍和Microsoft公司的HoloLens VR設(shè)備為基礎(chǔ)，構(gòu)建起工業(yè)級5G無線局域網(wǎng)和光纖數(shù)據(jù)傳輸平臺，實現(xiàn)多終端、低延時的數(shù)據(jù)共享，從而達到多名學生在虛擬環(huán)境中集中教學和互動實驗的目的。

“實”部分依靠實驗室現(xiàn)有不同負載的工業(yè)機器人裝備（見圖2），讓學生在現(xiàn)實環(huán)境中了解機器人的結(jié)構(gòu)特點，從而更好地將學生帶入虛擬世界中進行飛機裝配機器人鉆鉚實驗。

2.虛實結(jié)合的工業(yè)機器人課程形式創(chuàng)新

本文擬采用立體化實驗教學方法（見圖3），以學生為中心，注重不同學生對虛實結(jié)合教學方式接受程度的差異，對不同學生采用不同的激勵方式，布置差異化實驗?zāi)繕?，根?jù)學生能力進行任務(wù)分組和分配。此外，在教學過程中實現(xiàn)多元化能力培養(yǎng)，以基礎(chǔ)理論為起點，逐步帶入工程化場景，實現(xiàn)對學生技術(shù)探索能力的培養(yǎng)，并在此過程中培養(yǎng)學生工程問題的分析能力與創(chuàng)新意識。課程的教學內(nèi)容也將注重于基礎(chǔ)理論、先進技術(shù)和實驗操作相結(jié)合，打破傳統(tǒng)教師講課、學生聽課的課堂形式，實現(xiàn)教師與學生互動教學的共同探索，創(chuàng)新師生平等溝通、學生互助合作的教學模式。

3.虛實結(jié)合的工業(yè)機器人課程內(nèi)容探索

基于VR的工業(yè)機器人課程內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)理論、實驗教學與工程應(yīng)用三個方面?；A(chǔ)理論方面，包括工業(yè)機器人的發(fā)展歷程、機器人運動學、動力學和控制方法等，為之后的實驗課程與工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。實驗教學方面，包括虛實結(jié)合實驗和機器人實操實驗兩部分。虛實結(jié)合部分將借助虛擬現(xiàn)實設(shè)備，引導(dǎo)學生在實驗室環(huán)境內(nèi)對虛擬機器人進行操作，既達到了工業(yè)機器人操作教學的實驗效果，又避免了誤操作對學生及實驗設(shè)備可能造成的傷害。機器人實操方面依賴于實驗室現(xiàn)有的小負載工業(yè)機器人，實現(xiàn)學生從VR實驗到實際操作實驗的轉(zhuǎn)化，由于在虛實結(jié)合實驗中已經(jīng)掌握了操作技巧，在實操環(huán)節(jié)可以大幅提高實驗效率，節(jié)省大量采購工業(yè)機器人的教學成本和教學場地。在學生完全掌握工業(yè)機器人的操作技巧后，將帶領(lǐng)學生再一次進入虛擬世界，探索工業(yè)機器人在飛機裝配中的應(yīng)用，以行業(yè)前沿問題為小組課題，分配給各個學生小組，從而培養(yǎng)學生對工程問題的分析、解決能力，全方位提高學生的綜合素質(zhì)。目前南京航空航天大學機電學院航空宇航智能裝配課題組已經(jīng)開展的工業(yè)機器人虛實結(jié)合實驗場景如圖4所示。

VR技術(shù)固然可使學生耳目一新，提高學習興趣，但在教學過程中，教師合理的教學方法更是決定教學質(zhì)量的重要因素。在教學過程中，教師更要意識到技術(shù)僅僅是一個提高教學質(zhì)量的輔助工具，教學要做到重視技術(shù)而不依賴技術(shù)，在教學過程中循循善誘，給學生表達思想的廣闊空間，鼓勵并引導(dǎo)學生積極思考、勇于創(chuàng)新的風氣。

四、VR技術(shù)驅(qū)動的課程教學研究方法

1.工業(yè)機器人VR教學平臺建設(shè)

以VR技術(shù)為核心的工業(yè)機器人教學平臺將工業(yè)機器人這一特定對象融合進VR技術(shù)中，需要建立通用的VR框架，并融合工業(yè)機器人的詳細特點，形成整體平臺架構(gòu)。首先，建立VR框架，以Unity作為開發(fā)引擎，利用航空航天領(lǐng)域?qū)I(yè)建模軟件Catia建立六自由度工業(yè)機器人的產(chǎn)品數(shù)模，結(jié)合工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的模型優(yōu)化軟件工具3DMAX，將產(chǎn)品數(shù)模進一步優(yōu)化減面，并導(dǎo)入Unity引擎中作為最終模型;其次，在VR框架中實現(xiàn)工業(yè)機器人的本身特性，建立工業(yè)機器人運動學正逆解算法，并建立機器人相應(yīng)的動力學模型，將真實工業(yè)機器人的特性完全移植到VR機器人中;最后，結(jié)合教學平臺具體使用場景建立相應(yīng)的人機交互規(guī)則，并以學生為中心，確定具體的VR設(shè)備配置（立體眼鏡、虛擬頭盔等），最終實現(xiàn)VR沉浸環(huán)境下工業(yè)機器人與操作者的人機交互和信息流通。

2.基于VR技術(shù)的教學方法探索

以基于VR技術(shù)的工業(yè)機器人教學平臺為依托，借助于VR技術(shù)的沉浸性特點，變革教學方法，探索新技術(shù)在教學、人才培養(yǎng)工作上的應(yīng)用，整體規(guī)劃基于VR技術(shù)的工業(yè)機器人教學思路與方式。首先，利用VR技術(shù)為學生提供逼近真實的虛擬場景，在虛擬場景中發(fā)揮教師的引導(dǎo)與指導(dǎo)作用，指導(dǎo)學生在虛擬場景中獲取相關(guān)知識;其次，利用教學平臺中的考核評價機制，對學生在平臺中的每一步操作做出判斷并給出評分，學生通過評分認識并更改錯誤，教師通過評分對學生的知識掌握水平做出大致判斷;最后，針對遠程教學需求，利用VR可遠程使用的特點，為學生提供教學資源，教師通過教學平臺可以實現(xiàn)遠程指導(dǎo)、輔助、測試、評價等工作，為教學質(zhì)量提供保障。

3.面向VR技術(shù)的教學資源信息化建設(shè)

優(yōu)質(zhì)的教學資源信息化建設(shè)是高校培養(yǎng)高質(zhì)量人才的基本前提，以VR技術(shù)為核心的教學平臺更加注重基礎(chǔ)教學資源建設(shè)。首先，在現(xiàn)有課程的基礎(chǔ)上，立足現(xiàn)狀，保證未來，梳理所有涉及的實驗器材與相關(guān)教學資源，保證教學資源的全覆蓋與實用性;其次，利用校企聯(lián)合等多方渠道，開發(fā)針對教學與實驗的先進網(wǎng)絡(luò)云存儲技術(shù)，保證海量教學資源的信息化存儲服務(wù);最后，以專業(yè)要求為指導(dǎo)，在實際教學中以典型工作任務(wù)為主體，利用現(xiàn)代信息化手段，建設(shè)教學實驗平臺，構(gòu)建“學、練、考”全方位學習與考核體系，實現(xiàn)教學資源的高效利用與可持續(xù)發(fā)展。

4.VR技術(shù)驅(qū)動的教學培養(yǎng)體系建設(shè)改革

培養(yǎng)方法是學生教學培養(yǎng)體系改革中的重要組成部分，VR技術(shù)需要以學生培養(yǎng)為核心，運用多種先進教學方法實現(xiàn)高質(zhì)量人才的培養(yǎng)。首先，針對現(xiàn)有的工業(yè)機器人課程教學體系，分析現(xiàn)有教學模式方法的優(yōu)勢與不足，借助于VR技術(shù)對課程做合理性的教學模式修正，實現(xiàn)VR技術(shù)在課程培養(yǎng)中的廣泛應(yīng)用;其次，結(jié)合VR技術(shù)，利用計算機與傳感器等相關(guān)教學資源，設(shè)置基于VR技術(shù)的工業(yè)機器人加工制造典型案例，提高教學質(zhì)量;最后，根據(jù)學生在課程中的掌握程度與評價指標，綜合評估教學模式的可行性與實用性，結(jié)合原有的培養(yǎng)體系，最終對學生培養(yǎng)體系做出修正，完成教學培養(yǎng)體系的改革。

五、結(jié)語

本文探索了基于VR技術(shù)的工業(yè)機器人課程教學新模式，設(shè)計了融合VR技術(shù)的工業(yè)機器人課程教學內(nèi)容，提出了工業(yè)機器人課程教學研究方法。VR技術(shù)與工業(yè)機器人課程的深度融合，有利于培養(yǎng)學生的“多元化”能力，滿足創(chuàng)新學習的需求。與傳統(tǒng)“認知型”教學不同，采用VR技術(shù)作為教學平臺，可實現(xiàn)學生與所學知識之間的交互，完成“以教師為中心”到“以學生為中心”的個性化教學轉(zhuǎn)變，低成本、高效率地提高學生面向?qū)嶋H工程問題的分析能力和利用工業(yè)機器人實現(xiàn)產(chǎn)品制造的工程實踐能力。

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（編輯：王曉明）