RobotStudio在高职工业机器人专业教学中的应用

摘 要：本文结合工业机器人基础课程的教学实际，分析了RobotStudio虚拟仿真软件在高职工业机器人专业教学中的意义和作用，研究了RobotStudio软件在教学中的几种应用形式，总结梳理了该软件对于高职院校技能大赛的促进作用以及在课程思政中起到的积极意义，旨在为培养适应工业机器人岗位需求、高素质高技能应用型人才、打造新形态课程教学体系提供思路。

关键词：RobotStudio;虚拟仿真;工业机器人;高职;教学

中图分类号：G642.0

《中国制造2025》战略部署中明确提出九项战略任务，其中包含聚焦信息技术产业、机器人等重点领域。工业机器人作为先进制造业中不可或缺的重要装备和技术，已成为衡量一个国家制造业水平和技术实力的重要标志。当前越来越多的高职院校开设了工业机器人技术专业，有力地推动了智能制造产业的发展。一方面工业机器人技术作为新兴专业越来越多地受到学生们的青睐，另一方面由于是新兴专业，配套的硬件资源设施还不能及时跟进，动辄几十万甚至上百万的设备资金让一些学校望而却步，这在很大程度上阻碍了专业的快速发展。[1]很多高校甚至存在没有机器人实训设备或者仅仅有一两台机器人实训设备的情况，远远无法满足现实的教学需求。笔者结合工业机器人专业课程的教学实际，将Robotstudio虚拟仿真软件应用与课程教学有机结合，为课程体系建设提供一定的参考依据。

1 RobotStudio虚拟仿真软件概述

RobotStudio软件是目前国际上四大工业机器人品牌瑞士的ABB、德国的KUKA、日本的FANUC和YASNAC中的ABB配套虚拟仿真软件，同时也是一款离线编程软件。[2]RobotStudio软件制作精良、功能强大，包含了几乎所有ABB机器人的模型，能够进行几何体模型的导入、路径规划、碰撞检测、虚拟仿真、离线编程、在线作业等，涵盖了机器人操作的整个周期。[3]将RobotStudio软件应用到工业机器人专业教学中，可以拓展课程教学的广度和深度，对提升机器人专业教学层次具有重要的意义。

2 RobotStudio在工业机器人专业教学中的意义

2.1 各专业课程联接的纽带

在工业机器人专业的各个课程教学中，例如工业机器人基础、工业机器人现场编程等课程，都会涉及到工业机器人的虚拟仿真应用。虚拟仿真技术在课程中起到串联各知识点的作用。RobotStudio对机器人及外围设备进行工作站搭建、离线编程、程序调试、运动仿真，最后可以将调试好的程序应用于真正的实训教学或者生产实践，具体应用体现见下表。

2.2 对接岗位工作能力

工业机器人专业对应的职业岗位群核心职业能力要求能够维护、保养工业机器人应用系统设备，能排除简单的电器及机械故障;能根据自动化生产线的工作岗位要求，编制、调整工业机器人控制程序;能根据工业机器人应用方案要求，安装、调试工业机器人及应用系统等。[4]专业课程结构中包含了RobotStudio虚拟仿真技术在内的机器人基本操作、离线编程、系统设计等模块内容，可以很好地与企业岗位能力对接，结合项目式教学设计，沉浸式教学方法，提高学生专业核心技能和职业素养。

2.3 避“重”就“轻”，易于实现“信息化”实训教学

这里的避“重”就“轻”有两层含义。一是学生在真正实操机器人之前，先利用虚拟仿真软件进行虚拟化的仿真训练。示教器的使用方法、机器人运动姿态、控制器联接等环节与真实情况一致，学生在仿真过程中能够遇到机器人伺服报错、奇异点报警、关节超限以及其他一些意想不到的误操作带来的意外情况，并逐一解决，使学生在真正操作机器人之前大大提高机器人操作能力，减少了危险的发生，提高了实践教学的安全性。[5]二是基于目前部分高校机器人实训设备短缺的情况，无法完全满足全部学生同时参与机器人实训教学的需求，可以通过RobotStudio虚拟仿真进行任务式、模块化实训教学，一定程度上缓解教学压力。同时，摆脱了机器人实训场地的限制，只要有电脑的地方，学生可以随时随地通过软件对所学知识进行巩固训练、提高了学生学习的自主性和积极性。

3 RobotStudio在工业机器人课堂教学中的应用

3.1 工业机器人手动操纵实践

在工业机器人基础课程教学中，机器人的手动操纵是一个重要的学习内容，衔接了从机器人的基础理论知识到机器人编程的两大部分知识模块。由于学生还没有真正动手接触过机器人，对机器人还有一定的“敬畏”心理，因此用RobotStudio来虚拟仿真机器人的手动操作可以起到很好的教学效果。在笔者的实际教学中，将该部分内容专门用了4学时来进行虚拟仿真训练。机器人手动操纵的三种运动模式包括单轴运动模式、线性运动模式、重定位运动模式。学生可以在软件中实时观察机器人1-6轴单轴运动状态、线性运作模式下X、Y、Z三个方向线性运动轨迹及重定位模式下TCP点分别绕着X、Y、Z三个轴作位置不变、姿态改变的运动，全方位观察机器人运动状态、角度、位移等数据，实时记录各关节轴的运动轨迹，让学生对机器人运动状态理解得更加生动形象、数据掌握得更加具体详实。

3.2 机器人工作站离线编程应用

工业机器人编程分为在线编程（示教编程）和离线编程。在线编程需要在机器人现場进行，不但占用机器人资源，而且示教点的准确性取决于现场人员的经验，存在较大的误差，效率较低。相对于在线编程而言，离线编程可以让编程人员远离复杂恶劣的环境进行作业，降低工作强度;能够有效避免对机器人资源的占用，在软件端中就可以对程序进行便捷的编辑和修改，经过调试正常后传输到机器人控制器中进行运行，提高了编程效率。[6]

结合其他工业产品设计软件，例如UG、Pro/E等，可以将设备或工件模型导入到RobotStudio中，构建搬运、码垛、装配等工作站，在教学中引导学生思考工作站方案设计思路，并组织布局实施、工艺流程实现、系统优化等教学内容，提高学生工业机器人技术综合应用的能力。

3.3 对接职业院校技能大赛

当前职业院校技能大赛是衡量职业院校教学水平的一个重要标志，越来越多的高职院校加大了对技能大赛的投入力度，以达到“以赛促教”的目的。[7]“制造单元智能化改造与集成技术”是高职院校职业技能大赛中新兴的一个赛项，至今已成功举办两届国赛。该赛项针对汽车轮毂零件打磨、检测、加工等工序的智能制造过程，以智能制造技术应用为核心，综合考察参赛学生在系统集成设计、工业机器人技术、视觉检测等技术等方面的应用能力。该赛项的核心模块——执行单元就是基于ABB机器人的运动控制，包括快换工具的装卸、轮毂的拾取与入库、视觉检测、打磨加工等，都需要利用RobotStudio进行离线编程与虚拟仿真，尤其是批量化生产轮毂和定制化生产轮毂的工艺流程编制，通过软件编程调试然后下载到机器人控制器，可以节约大量时间，提高竞赛水平。

3.4 融入课程思政理念

师者，传道受业解惑也。教师的首要任务是“传道”，而不是“授业解惑”。我们不但要教会学生“知其然”，更要教会学生“知其所以然”。例如在虚拟工作站的搭建过程中，特别是对Smart组件进行较复杂的动态属性设置过程中，学生在理解Smart组件工作原理的基础上，耐心细致地对Smart组件进行关联设置，才能实现组件与设备的联接以及I/O信号的模拟效果，[8]在潜移默化中逐步培养学生“要做就要做好”、“要学就要学会”的学习风格，和不怕困难、勇敢坚毅的学习精神。RobotStudio虚拟仿真软件在提高学生工业机器人应用能力的同时，对培养学生严谨的职业规范、耐心细致的做事风格有很大推动作用。

4 结语

将RobotStudio软件应用到工业机器人专业虚拟仿真教学中，可以将专业课程有机地串联起来，对接当前工业机器人职业岗位群核心技能，促进课程体系不断向教学手段信息化、教学内容集约化方向发展。在教学中运用RobotStudio强大的离线编程功能实现工作站虚拟仿真、系统优化设计、离线编程、调试等功能的同时，对于提高学生学习工业机器人积极性、培养学生耐心细致的学习习惯和良好的职业素养起到了很好的推动作用。

参考文献：

[1]眭翔.信息化手段在工业机器人技术专业教学中的应用[J].教育观察，2017，160（24）：72-73.

[2]陆叶.基于RobotStudio的机器人柔性制造生产线的仿真设计[J].组合机床与自动化加工技术，2016（6）：157-160.

[3]鲁鹏，张有博，谷明信，等.基于Robotstudio的工业机器人虚拟仿真实验室的构建[J].机电技术，2015（4）：152-155.

[4]隋欣.《ABB工业机器人仿真》教学设计——基于RobotStudio[J].現代商贸工业，2016（31）.

[5]唐霞，谢利民.信息化技术在“工业机器人技术”项目教学中的应用与共享研究[J].工业技术与职业教育，2018.

[6]王功亮，王好臣，李振雨，等.基于RobotStudio的码垛机器人智能工作站仿真研究[J].机电工程，2017（11）：137-140.

[7]沈玲.依托技能大赛提升专业教学质量浅探——以工业机器人技术应用赛项为例[J].湖北工业职业技术学院学报，2018，138（03）：56-60.

[8]袁永伟，李珊珊，孔德刚，等.虚拟仿真在“工业机器人”实践教学中的应用研究[J].教育现代化，2017（34）：196-197.

基金项目：咸阳职业技术学院2019年度科学研究项目（项目编号：2019KYC11），项目主持人孙守勇

作者简介：孙守勇（1984-），男，陕西西安人，工学硕士，助教，研究方向：智能制造技术、工业机器人技术。