黄波 HUANG Bo

摘要： “1+X”工业机器人操作与运维培训是提升工业机器人专业学生实践操作能力的重要手段，在传统培训过程中，需要大量的培训设备及工具，并且对培训场地有较高要求，教学成本高、危险系数大。VR技术的应用，有效的改变了这一系列问题，通过沉浸式的学习方式，提高了学习效果，丰富了教学内容。

Abstract： "1+X" industrial robot operation and maintenance training is an important means to improve the practical operation ability of students majoring in industrial robot. In the traditional training process， a large number of training equipment and tools are required， and there are high requirements for the training site， high teaching cost and high risk factor. The application of VR technology has effectively changed this series of problems， improved the learning effect and enriched the teaching content through immersive learning.

關键词： VR技术;工业机器人;1+X

Key words： VR technology;industrial robot;1+X

中图分类号：G64                      文献标识码：A             文章编号：1674-957X（2021）22-0255-02

0  引言

中国作为制造和需求大国，连续五年在工业机器人全球销售量排行榜中遥遥领先。同时，中国制造业发达，每年对工业机器人需求量很大。工业机器人在内燃机整机装配及零部件制造领域应用广泛，活塞和缸体的装配是内燃机中非常重要且繁琐的一环，工业机器人的应用不仅提高了生产效率，并且提高了内燃机的装配质量。工业机器人以其高稳定性，高灵活性，高精确性备受青睐，这就直接导致了我们需要更多操作、运维和维修工业机器人的人才，这些人员必须具备扎实的工业机器人理论知识和实践经验。高职院校作为实践类人才的培养摇篮，应当努力担负这项重任，开设工业机器人专业，培养工业机器人运维人才。

1  VR技术简介

VR技术，也叫虚拟现实技术。VR技术由美国提出，在美国的应用领域较广。随着科学技术发展，我国也在努力发展VR技术的研究与应用，尤其是在教育领域，很多高校愿意使用VR技术来构建虚拟实验室、虚拟教学场所，希望利用该项技术进行教学改革，提升教学质量，提高人才培养标准。

2  “1+X”工业机器人操作与运维培训现状

2.1 教学资源短缺  “1+X”工业机器人操作与运维培训，必须配套相应的工业机器人作为项目载体。工业机器人实物价格昂贵，学校配套资金有限，导致能够用作拆装实训的工业机器人较少，而班级人数又较多，这就导致了教学资源的严重不足。不仅如此，工业机器人技术发展突飞猛进，正朝着智能化、轻量化和集成化的方向发展。教师若想把最先进的技术知识教授给学生，就必须不断更新设备，这与学校资金有限、采购周期长等客观因素互相矛盾。因此，高职院校的“1+X”工业机器人操作与运维培训普遍存在教学资源短缺的状况。

2.2 设备维护困难  每台工业机器人都有相应的伺服电机和其他主体结构，装配较为复杂。学生平时接触工业机器人机会少、对结构不熟悉、没有拆装经验，很多学生在拆装时并不会严格按照老师提出的拆装要求和流程来做，存在一些操作错误，这就直接导致工业机器人设备损耗严重、零件丢失、伺服电机轴线安装不当等一系列问题的产生。若干个班级轮流上拆装实训课后，工业机器人已经失去了原有的精度，不能正常工作。工业机器人本身结构复杂，需要专业人员来进行定期维护，而学校机器人专业的教师课务繁忙，也没有一定的维护经验，直接影响了工业机器人的使用效果和上课要求。

2.3 实训项目单一  “1+X”工业机器人操作与运维培训的项目较为单一，一部分是由于实验室拆装设备数量不足，无法满足多项目的拆装实训，另一部分是因为教师精力有限，实训课一般采取统一指导的方式进行，没有考虑到学生的差异性，很多学习能力强、愿学肯干的同学得不到很好的机会来进行更深一步的探究学习，也有一些学习接受能力弱的学生没有能够得到与之能力相匹配的实训项目，只能人云亦云，学习效果无法保证。

3  VR技术在“1+X”工业机器人操作与运维培训中的应用

VR技术在“1+X”工业机器人操作与运维培训中的应用，主要依靠机械装调虚拟仿真软件，它可以组织学生完成工业机器人组装、调试和维修的技能仿真训练，为学校的工业机器人专业学生提供虚拟教学培训环境，学习工业机器人设备的维护、维修及安装调试。

3.1 构建虚拟实训车间  VR虚拟仿真软件可以模拟出一比一的实训车间，如图1所示，包括拆装机器人、操作平台、仓库和拆装工具等，场景生动形象。学生完成虚拟车间构建后，可利用VR技术看到车间内三维立体的工业机器人，观察到内部的结构，如机械手臂、伺服电机、控制柜等，对想要了解的结构进行全方位接触和了解。通过构件虚拟实训车间，可以有效节约拆装实训场地，解决教学资源不足的问题，为学生提供真实的教学感官，解决实训项目单一的问题。

3.2 模拟拆装实训操作  我们使用的虚拟软件是一款基于zSpace桌面式虚拟现实操作平台的教学实训软件，以主流应用中的六轴机器人为蓝本建模，如图2所示，可模拟机器人的主要结构拆装实训、维护维修、示教操作、工作站搭建及工作站设计五大模块实训任务。学生在拆装过程中，可针对油孔、外壳、J1、J2、J3、J4、J5、J6等8大模块进行自由拆卸和整体安装，另外还扩展了控制柜拆装和伺服电机拆装模块。老师上课时可利用示教器进行规范操作。通过精准的人机交互，可将教学模型拉出屏幕操作，无限制地进行旋转、拆装、放大、缩小等操作，多角度观察模型细节及透视，解决传统教学抽象原理难讲解，复杂结构难拆装的问题，提高学生学习兴趣和效率。在拆装实训过程中，学生掌握了如何进行日常维护操作、如何判断机构部故障、控制柜硬件故障、示教器程序报警故障等;掌握了如何进行工作站搭建，工作站安全、操作、维护保养等。

3.3 模拟拆装考核  虚拟仿真系统还包含了考核模块，可以检验学生的学习效果。在考试时，系统会对学生进行全方位考核监督，包括操作的规范性、拆装的顺序、拆卸后零件的摆放位置等，并對其操作不当的地方进行提示或警告。系统的记忆功能强大，可以记录学习操作的相关情况，包括每一部件的拆装时间、错误步骤等，给教师的打分提供了可靠的依据。如图3所示，学生可按照虚拟设备工具进行操作。

4  VR技术应用后的教学效果

4.1 提高学习和教授效率  学生通过手柄操作控制机械模型，利用交互视觉反馈以及培训系统，掌握机械的组成以及运行原理，让复杂繁琐的机械操作培训课程，变成高效、双向互动反馈的虚拟现实课堂。学生可进入物体内部进行观察，打破了空间限制;可看清机器内部零件工作状况，给学生直观认识。从不同角度展示了零部件的拆装，多方位展示机器人原理。学生主动参与，自主学习，提高学习兴趣与效率。教师教学直观、省力，可以及时跟踪学生操作情况并给予指导。

4.2 更好的对接岗位  VR技术引入后，以机器人现有权威专业教学大纲为依据，实训内容匹配就业岗位技能要求，全面满足机器人专业的教、学、训需求。实训软件以真实厂房为背景，各个模块的学习以爆炸图动画为配套，如图4所示，创建情景化交互式的教学实训环境，除对机器人进行整体拆卸外，还可单独选择油孔、外壳、J1、J2、J3、J4、J5、J6等8大模块的拆卸任务。老师可以全方位立体化旋转展示机器人整体、J1、J2、J3、J4、J5、J6等7大模块的结构组成并进行原理演示;并可对整体或单个模块进行自由拖拽、360度翻转，清晰查看内部零部件结构关系。当前模块被选中时，其之前的结构默认被拆卸完成，同时在文字框显示当前操作的提示信息内容，并可复原整体结构或撤销已操作过的步骤方便反复练习。

5  结论

VR技术在“1+X”工业机器人操作与运维培训中的应用是革命性的创新，可以有效改善目前该培训过程遇到的教学困难，实现教学突破。但是这一教学形式还存在着诸多问题，我们仍需进行更深层次的研究，在使用过程中不断改进、交流，争取满足众多学生的个性化需求，提高学习效率。在工业应用领域，特别是内燃机端盖等的柔性生产线中，在设置压铸机旁的端盖取料冷却系统和机加工系统融入工业机器人，既提高了生产效率，又降低了使用设备的投资成本，VR技术在实际投入生产前，及时、高效地分析设备布局，并进行改进，有效控制成本，提高了生产效率。

参考文献：

[1]陈长全，符龙生.VR技术在高职院校实训中的应用[J].电子技术与软件工程，2018（18）：129-131.

[2]梅文涛，苑苓苓，郑勇峰，高霞.沉浸虚拟现实技术在高职院校实训教学中的应用[J].探索天津职业院校联合学报，2015，17（08）：78-81.

[3]许鹏辉.工业机器人拆装实训平台设计[J].电子元器件与信息技术，2020，4（07）：158-159.