工業(yè)機器人夾具設(shè)計課程教學(xué)改革及研究

江一行 葉俊

[摘? ? ? ? ? ?要]? 工業(yè)機器人夾具設(shè)計課程圍繞機器人應(yīng)用中對應(yīng)的夾具設(shè)計任務(wù)，進(jìn)行分析，并基于三維軟件進(jìn)行設(shè)計。所以本門課程教學(xué)，首先應(yīng)思考如何利用線上、線下的資源，完成更有效的教學(xué);其次，根據(jù)本門課程的教學(xué)內(nèi)容，可采用任務(wù)式教學(xué)，將教學(xué)重點融于各個設(shè)計任務(wù)中;最后，以智能制造產(chǎn)線的數(shù)字孿生技術(shù)為依托，實現(xiàn)虛實結(jié)合的教學(xué)過程。基于以上幾點進(jìn)行工業(yè)機器人夾具設(shè)計課程的教學(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

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

一、引言

機器人夾具設(shè)計是在行業(yè)需求分析基礎(chǔ)上，以學(xué)生就業(yè)為導(dǎo)向而設(shè)置的一門大量應(yīng)用軟件的實踐類課程。本課程教學(xué)改革的總體思路是改變以往“集中實施理論教學(xué)”為主的專業(yè)課程授課方式，使學(xué)生在具體的工業(yè)機器人夾具設(shè)計項目中開發(fā)創(chuàng)新思維，完成課程重難點的學(xué)習(xí)及掌握，并應(yīng)用理論完成具體的項目任務(wù)，從而實現(xiàn)專業(yè)綜合水平的提高。

因此，在本課程的教學(xué)設(shè)計中，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)動式教學(xué)，開發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新思維，使學(xué)生可在各個設(shè)計任務(wù)中完成機器人夾具產(chǎn)品設(shè)計、計算、裝配及仿真調(diào)試。

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

二、教學(xué)改革實施策略

目前，常見的混合式教學(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上，作業(yè)也編輯為線上習(xí)題等，沒有真正意義上應(yīng)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計上的改革。徹底改變授課進(jìn)程，使得學(xué)生可得到個性化、獨一無二的學(xué)習(xí)過程，也就是應(yīng)用好現(xiàn)代數(shù)據(jù)計算能力及平臺，對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)設(shè)計的匹配。另外，數(shù)字孿生是實現(xiàn)機電產(chǎn)品虛實同步的一種技術(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)機器人夾具設(shè)計課程教學(xué)中。

（一）混合式教學(xué)實施策略

1.線上、線下結(jié)合教學(xué)

工業(yè)機器人夾具設(shè)計課程擬采用以線下教學(xué)為主、線上教學(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、隨堂習(xí)題等內(nèi)容在線上進(jìn)行，教師可通過線上教學(xué)平臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能更好地把握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況、教學(xué)質(zhì)量等問題，以便及時調(diào)整授課難度及進(jìn)度。

2.任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)[6]

對應(yīng)智能制造產(chǎn)線中機器人夾具不同的工作任務(wù)，根據(jù)崗位對知識與技能要求，將項目劃分為多個子任務(wù)單元。如圖1所示，將本課程的主要內(nèi)容分為五個任務(wù)：第一個任務(wù)是工業(yè)機器人夾具認(rèn)知，包含工業(yè)機器人末端執(zhí)行器的定義、發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，和不同功能種類的機器人應(yīng)用，把學(xué)生應(yīng)對工業(yè)機器人夾具所具有的一些基礎(chǔ)認(rèn)知知識點都設(shè)計為一項任務(wù)，對應(yīng)不同的任務(wù)點或者問題，而不是沒有目的地對認(rèn)知性的知識點進(jìn)行大致地瀏覽;第二至四個任務(wù)則分別為機電結(jié)合式、氣壓式、吸附式機器人夾具的設(shè)計及裝配，包含不同結(jié)構(gòu)形式的機器人夾具的結(jié)構(gòu)功能認(rèn)知、夾緊力計算、動力源的選擇、夾具零部件的設(shè)計及選型等初步設(shè)計任務(wù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行夾具零件的三維設(shè)計及裝配，對裝配時出現(xiàn)的問題進(jìn)行二次或三次改進(jìn)設(shè)計，最后完成機器人夾具的總體設(shè)計及總體三維裝配圖;第五個任務(wù)為機器人夾具的仿真調(diào)試，實際上這個任務(wù)也是針對任務(wù)二至任務(wù)四所設(shè)計的三種不同結(jié)構(gòu)的機器人夾具，將之前設(shè)計的三種類型的機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)境中完成虛實結(jié)合的調(diào)試，再一次證實所設(shè)計的機器人夾具的可用性。

從第一個認(rèn)知任務(wù)，到中間三個機器人夾具的設(shè)計及裝配任務(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)，虛實結(jié)合，依次完成對工業(yè)機器人夾具的認(rèn)知、不同類型的工業(yè)機器人夾具的設(shè)計、裝配和仿真調(diào)試運行，實現(xiàn)學(xué)生對本課程知識的了解、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，最早應(yīng)用在虛擬空間建立機電產(chǎn)品模型中，并通過傳感器實現(xiàn)與機電產(chǎn)品真實狀態(tài)完全同步，實現(xiàn)機電產(chǎn)品的同步開發(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——虛實共生。數(shù)字孿生技術(shù)由于其孿生對象互相一一映射的特性，極大地解決了在知識傳授過程中的空間問題，如遠(yuǎn)距離教學(xué)的實踐操作問題、設(shè)備設(shè)施套數(shù)不夠等教學(xué)痛點。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，我校正積極開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)字孿生平臺是學(xué)生進(jìn)行設(shè)計、裝配、調(diào)試的虛實結(jié)合的一套學(xué)習(xí)系統(tǒng)，它包含虛實兩套教學(xué)設(shè)備環(huán)境。現(xiàn)實環(huán)境為智能制造產(chǎn)線實訓(xùn)基地中的機器人或是桌面式機器人，虛擬環(huán)境則為學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的孿生機器人，孿生機器人與現(xiàn)實環(huán)境中的設(shè)備一一對應(yīng)，且可以使用信息交換完成虛實映射，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)實環(huán)境轉(zhuǎn)化到虛擬環(huán)境中的孿生機器人上，無論是機械結(jié)構(gòu)還是信號控制，都是完全等效的，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的體驗感與智能制造產(chǎn)線實訓(xùn)基地中一樣真實，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。