李波 田威 王長瑞 胡俊山 李鵬程

摘? ?要：隨著工業(yè)機(jī)器人自動裝配技術(shù)成為當(dāng)前我國智能制造的研究熱點(diǎn)，工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)在各大高校受到越來越多的關(guān)注。然而傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)中，由于實(shí)操危險(xiǎn)系數(shù)大、學(xué)生數(shù)量多而機(jī)器人數(shù)量少，導(dǎo)致學(xué)生參與度不夠高、實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)缺失、教學(xué)效果甚微。文章旨在將虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)引入工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)中，探索虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)新模式，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合，打破傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人教學(xué)上的局限性，加速教學(xué)內(nèi)容、課程體系、教學(xué)方法和運(yùn)行機(jī)制的改革與創(chuàng)新，填補(bǔ)當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐教學(xué)方面的空白。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;VR技術(shù);虛實(shí)結(jié)合;航空宇航制造

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)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(shí)（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(xué)校重要工作之一。

VR技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)機(jī)器人教學(xué)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(shí)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從感性認(rèn)識到工程實(shí)踐的飛躍。比如，利用VR技術(shù)可對工業(yè)機(jī)器人的裝配和維修等工作進(jìn)行虛擬仿真建模，在設(shè)計(jì)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(fèi)。又如，可通過對機(jī)器人用于飛機(jī)自動鉆鉚的過程進(jìn)行虛擬計(jì)算與設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠與現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)制造工藝相匹配。再如，運(yùn)用虛擬裝配技術(shù)，學(xué)生能夠在更真實(shí)、自然的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)大型飛機(jī)總體布置與協(xié)調(diào)，完成機(jī)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(jī)器人課程的教學(xué)中，探索基于VR的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)新模式，對課程教學(xué)的靈活性、生動性、先進(jìn)性、實(shí)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(jī)器人與機(jī)械制造、航空宇航制造產(chǎn)品的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)生在教室便能體驗(yàn)到真實(shí)環(huán)境，很大程度地節(jié)約教學(xué)成本、提升教學(xué)質(zhì)量。

二、工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)與研究現(xiàn)狀

工業(yè)機(jī)器人是一門高度交叉性學(xué)科，融合了力學(xué)、機(jī)械學(xué)、控制論、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)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(shí)踐性也較強(qiáng)，需強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合[1-3]?！豆I(yè)機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》是南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院針對機(jī)械制造和航空宇航制造類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人精度補(bǔ)償技術(shù)的基本理論和方法，提高學(xué)生應(yīng)用基礎(chǔ)理論解決實(shí)際工程技術(shù)問題的能力，最終掌握工業(yè)機(jī)器人精度補(bǔ)償技術(shù)及其在飛行器自動裝配中的應(yīng)用。

在前期教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生對機(jī)器人的基本概念不清晰，課堂參與度不夠高，機(jī)器人實(shí)操經(jīng)驗(yàn)缺失，嚴(yán)重影響了工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。主要原因如下：①傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)只支持重復(fù)認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)，無法開展工業(yè)機(jī)器人結(jié)合航空大部件制造的高探究性實(shí)驗(yàn)，直接影響了學(xué)生創(chuàng)新能力的提升;②由于飛機(jī)裝配實(shí)驗(yàn)場地大、設(shè)備大、部件大、工藝流程復(fù)雜等因素，導(dǎo)致學(xué)校難以復(fù)制工業(yè)機(jī)器人裝備制造現(xiàn)場;③真實(shí)機(jī)器人實(shí)際操作危險(xiǎn)系數(shù)大，開展工業(yè)機(jī)器人相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn);④航空大部件制造實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)材料，加之實(shí)物機(jī)器人也較為昂貴，物理實(shí)驗(yàn)成本極高，面對學(xué)生數(shù)量多而機(jī)器人數(shù)量少的情況，難以運(yùn)用實(shí)際的機(jī)器人作為教學(xué)和培訓(xùn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

因此，探索新的教學(xué)模式已經(jīng)成為工業(yè)機(jī)器人課程改革的必然趨勢。電子科技大學(xué)的于楚泓[1]主要從重組教材內(nèi)容和優(yōu)化教學(xué)模式入手，探索了《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程的教學(xué)改革。楊利靜[4]和許文燕[5]對改進(jìn)后的教學(xué)方法進(jìn)行了具體闡述，注重于對具體實(shí)操任務(wù)內(nèi)容的改進(jìn)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力。李慶齡[6]對工業(yè)機(jī)器人課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)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(jìn)教室三個階段，先進(jìn)教室從技術(shù)演進(jìn)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(xué)習(xí)。謝斌等[8]對基于MATLAB Robotics Toolbox的機(jī)器人學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了具體的方案設(shè)計(jì)，對坐標(biāo)變換、機(jī)器人建模、運(yùn)動學(xué)求解、軌跡規(guī)劃等機(jī)器人學(xué)知識進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。袁永偉等[9]也探索了仿真軟件對教學(xué)模式改革的影響，利用RobotArt軟件讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室電腦上進(jìn)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(jī)器人課程教學(xué)的研究方向仍未能跳出傳統(tǒng)多媒體教室教學(xué)的思路，教學(xué)方法依舊是課堂教學(xué)與機(jī)器人仿真軟件或機(jī)器人實(shí)操相結(jié)合的傳統(tǒng)教學(xué)模式。

三、融合VR技術(shù)的課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

本文以航空宇航制造工程專業(yè)的“飛機(jī)自動裝配過程”為典型案例，建立基于工業(yè)機(jī)器人智能裝配裝備的VR教學(xué)平臺，探索VR技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人教學(xué)相結(jié)合的新模式。將工業(yè)機(jī)器人示教編程、精度補(bǔ)償、軌跡規(guī)劃與飛行器裝配機(jī)器人自動鉆鉚等依賴于大型試驗(yàn)場地與設(shè)備的實(shí)習(xí)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為教學(xué)實(shí)踐課程，讓學(xué)生足不出校就能切身體驗(yàn)到工業(yè)機(jī)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(diǎn)致力于虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)平臺建設(shè)、虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人課程形式創(chuàng)新以及虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人課程內(nèi)容探索研究。

1.虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)平臺建設(shè)

虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)平臺建設(shè)分為“虛”與“實(shí)”兩部分?！疤摗辈糠种饕揽縑R實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)多終端、低延時(shí)的數(shù)據(jù)共享，從而達(dá)到多名學(xué)生在虛擬環(huán)境中集中教學(xué)和互動實(shí)驗(yàn)的目的。

“實(shí)”部分依靠實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有不同負(fù)載的工業(yè)機(jī)器人裝備（見圖2），讓學(xué)生在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中了解機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而更好地將學(xué)生帶入虛擬世界中進(jìn)行飛機(jī)裝配機(jī)器人鉆鉚實(shí)驗(yàn)。

2.虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人課程形式創(chuàng)新

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

3.虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人課程內(nèi)容探索

基于VR的工業(yè)機(jī)器人課程內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程應(yīng)用三個方面。基礎(chǔ)理論方面，包括工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷程、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和控制方法等，為之后的實(shí)驗(yàn)課程與工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，包括虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)和機(jī)器人實(shí)操實(shí)驗(yàn)兩部分。虛實(shí)結(jié)合部分將借助虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)對虛擬機(jī)器人進(jìn)行操作，既達(dá)到了工業(yè)機(jī)器人操作教學(xué)的實(shí)驗(yàn)效果，又避免了誤操作對學(xué)生及實(shí)驗(yàn)設(shè)備可能造成的傷害。機(jī)器人實(shí)操方面依賴于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的小負(fù)載工業(yè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)學(xué)生從VR實(shí)驗(yàn)到實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)化，由于在虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)掌握了操作技巧，在實(shí)操環(huán)節(jié)可以大幅提高實(shí)驗(yàn)效率，節(jié)省大量采購工業(yè)機(jī)器人的教學(xué)成本和教學(xué)場地。在學(xué)生完全掌握工業(yè)機(jī)器人的操作技巧后，將帶領(lǐng)學(xué)生再一次進(jìn)入虛擬世界，探索工業(yè)機(jī)器人在飛機(jī)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(xué)生小組，從而培養(yǎng)學(xué)生對工程問題的分析、解決能力，全方位提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。目前南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院航空宇航智能裝配課題組已經(jīng)開展的工業(yè)機(jī)器人虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)場景如圖4所示。

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

四、VR技術(shù)驅(qū)動的課程教學(xué)研究方法

1.工業(yè)機(jī)器人VR教學(xué)平臺建設(shè)

以VR技術(shù)為核心的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)平臺將工業(yè)機(jī)器人這一特定對象融合進(jìn)VR技術(shù)中，需要建立通用的VR框架，并融合工業(yè)機(jī)器人的詳細(xì)特點(diǎn)，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(jī)器人的產(chǎn)品數(shù)模，結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的模型優(yōu)化軟件工具3DMAX，將產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)一步優(yōu)化減面，并導(dǎo)入U(xiǎn)nity引擎中作為最終模型;其次，在VR框架中實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的本身特性，建立工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正逆解算法，并建立機(jī)器人相應(yīng)的動力學(xué)模型，將真實(shí)工業(yè)機(jī)器人的特性完全移植到VR機(jī)器人中;最后，結(jié)合教學(xué)平臺具體使用場景建立相應(yīng)的人機(jī)交互規(guī)則，并以學(xué)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(shí)現(xiàn)VR沉浸環(huán)境下工業(yè)機(jī)器人與操作者的人機(jī)交互和信息流通。

2.基于VR技術(shù)的教學(xué)方法探索

以基于VR技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)平臺為依托，借助于VR技術(shù)的沉浸性特點(diǎn)，變革教學(xué)方法，探索新技術(shù)在教學(xué)、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(jī)器人教學(xué)思路與方式。首先，利用VR技術(shù)為學(xué)生提供逼近真實(shí)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(xué)生在虛擬場景中獲取相關(guān)知識;其次，利用教學(xué)平臺中的考核評價(jià)機(jī)制，對學(xué)生在平臺中的每一步操作做出判斷并給出評分，學(xué)生通過評分認(rèn)識并更改錯誤，教師通過評分對學(xué)生的知識掌握水平做出大致判斷;最后，針對遠(yuǎn)程教學(xué)需求，利用VR可遠(yuǎn)程使用的特點(diǎn)，為學(xué)生提供教學(xué)資源，教師通過教學(xué)平臺可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)、輔助、測試、評價(jià)等工作，為教學(xué)質(zhì)量提供保障。

3.面向VR技術(shù)的教學(xué)資源信息化建設(shè)

優(yōu)質(zhì)的教學(xué)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(xué)平臺更加注重基礎(chǔ)教學(xué)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(shí)驗(yàn)器材與相關(guān)教學(xué)資源，保證教學(xué)資源的全覆蓋與實(shí)用性;其次，利用校企聯(lián)合等多方渠道，開發(fā)針對教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)云存儲技術(shù)，保證海量教學(xué)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(shí)際教學(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，構(gòu)建“學(xué)、練、考”全方位學(xué)習(xí)與考核體系，實(shí)現(xiàn)教學(xué)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(xué)培養(yǎng)體系建設(shè)改革

培養(yǎng)方法是學(xué)生教學(xué)培養(yǎng)體系改革中的重要組成部分，VR技術(shù)需要以學(xué)生培養(yǎng)為核心，運(yùn)用多種先進(jìn)教學(xué)方法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量人才的培養(yǎng)。首先，針對現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)體系，分析現(xiàn)有教學(xué)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(xué)模式修正，實(shí)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(jì)算機(jī)與傳感器等相關(guān)教學(xué)資源，設(shè)置基于VR技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人加工制造典型案例，提高教學(xué)質(zhì)量;最后，根據(jù)學(xué)生在課程中的掌握程度與評價(jià)指標(biāo)，綜合評估教學(xué)模式的可行性與實(shí)用性，結(jié)合原有的培養(yǎng)體系，最終對學(xué)生培養(yǎng)體系做出修正，完成教學(xué)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(jī)器人課程教學(xué)新模式，設(shè)計(jì)了融合VR技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)內(nèi)容，提出了工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)研究方法。VR技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人課程的深度融合，有利于培養(yǎng)學(xué)生的“多元化”能力，滿足創(chuàng)新學(xué)習(xí)的需求。與傳統(tǒng)“認(rèn)知型”教學(xué)不同，采用VR技術(shù)作為教學(xué)平臺，可實(shí)現(xiàn)學(xué)生與所學(xué)知識之間的交互，完成“以教師為中心”到“以學(xué)生為中心”的個性化教學(xué)轉(zhuǎn)變，低成本、高效率地提高學(xué)生面向?qū)嶋H工程問題的分析能力和利用工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造的工程實(shí)踐能力。

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（編輯：王曉明）