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基于虚拟仿真的“机器人技术基础”课程教学研究

2024-08-21 25 上传者：管理员

摘要：“机器人技术基础”课程主要介绍机器人各项技术领域的基础内容，为后续各门专业课的深入学习服务，培养学生在机器人技术方面分析与解决问题的能力，是一门理论与实践并重的课程。本文通过分析“机器人技术基础”课程的教学特点，结合目前在教学过程中常用的虚拟仿真技术，探讨了如何丰富“机器人技术基础”课程的教学资源，给出了该门课程教学过程中常用的虚拟仿真技术的切入点，同时将虚拟仿真技术融入大学生机器人学科竞赛中，为“机器人技术基础”课程教学改革提供思路。

关键词：
工科专业基础课
智能制造
机器人技术基础
虚拟仿真
课程改革
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1、概述

“机器人技术基础”课程是一门典型的工科专业基础课。当前，在高校中机器人工程、智能制造、人工智能等新兴专业和机械工程、自动化、电子信息工程、计算机科学与技术等传统专业都开设“机器人技术基础”这一课程。这些专业都与机器人技术有着紧密的联系，培养的学生需要掌握机器人技术的基础知识和应用技能。

虚拟仿真技术是通过专业的软件和技术，构建出“机器人技术基础”课程的各项虚拟教学资源。利用该资源模拟真实的机器人工作环境，包括机器人结构、传感器、控制器等各个部分，让学生在虚拟环境中进行实践操作。李能菲等[1]通过RobotStudio虚拟仿真软件进行机器人教学和场景再现等教学操作，让学生对教学具有直观的认知，了解并且熟悉机器人训练操作方式，提高学生的学习速度。姜虹等[2]分析了虚拟仿真机器人环境的应用对智能机器人教学的影响，从多个角度提出具体的教学实施策略。刘相权[3]在MATLAB环境下，用Robotics Toolbox建立了该机器人的运动学模型，绘制了机器人末端运动轨迹，并进行模型的求解。郝建豹[4]在机械加工、小家电加工、陶瓷产品生产行业，对基于虚拟仿真建设的工业4.0智能制造生产线的架构、工序等情况进行了详细说明，并对虚拟仿真技术的发展进行了展望。

2、“机器人技术基础”课程特点

机器人技术涉及机械、电子、控制、计算机等多个学科领域的知识，因此，“机器人技术基础”课程具有较强的综合性，需要学生具备较全面的知识基础。该课程在教学中主要有以下三个特点。

(1)实践性强。

机器人技术是一门实践性很强的技术，“机器人技术基础”注重实践教学，需要学生通过大量的实践操作来掌握相关技能。通过实验、课程设计等实践环节，让学生亲自动手操作、设计机器人，加深对理论知识的理解和掌握。

(2)创新性高。

机器人技术随着科技进步，不断创新和发展的领域，需要学生具备较强的创新意识和能力。“机器人技术基础”课程鼓励学生进行自主探索和创新设计，通过创新实践项目等方式，培养学生的创新能力和解决实际问题的能力。

(3)团队协作性高。

“机器人技术基础”课程注重培养学生的团队协作能力，通过分组实验、课程设计等方式，让学生在团队中相互协作，共同完成任务。

总体来说，“机器人技术基础”课程是一门综合性强、实践性强、创新性要求高、团队协作要求高的课程，对于培养学生的机器人技术应用能力和综合素质具有重要意义。

3、基于虚拟仿真的“机器人技术基础”课程教学改革方向

3.1 虚拟仿真技术应用于课程教学的意义

从“机器人技术基础”课程特点可知，该课程需要设计大量的实践实验环节去进行教学，以培养学生综合应用、解决问题的能力。但传统的实验教学往往是基于实物的，受到设备数量、实验场地等因素的限制。而虚拟仿真技术可以打破这些限制，实现多人同时在线实验，还可以对实验过程进行回放、分析和评估，帮助学生更好地理解和掌握实验内容。将虚拟仿真技术应用于“机器人技术基础”课程教学有以下意义：

(1)丰富实验教学资源。

利用虚拟仿真技术，可以制作出丰富多样的教学资源，如机器人三维模型、动画演示、交互式课件等。利用这些资源可以帮助学生更直观地理解机器人的工作原理和操作方法，激发学生的学习兴趣。

(2)创新实验教学模式。

通过虚拟仿真技术，可以设计出各种实验项目，不再受限于实物数量，让学生在虚拟环境中进行机器人的设计、搭建、调试和运行等操作，不断探索和尝试，培养学生的实践能力和创新能力。

(3)推动线上线下混合式教学。

线上教学可以充分利用虚拟仿真技术的优势，提供丰富的教学资源和实验环境；线下教学则可以通过实物操作和小组讨论等方式，加深学生的理解和应用。结合线上虚拟仿真教学和线下实物教学，形成混合式教学模式。

3.2 “机器人技术基础”虚拟仿真教学设计

“机器人技术基础”此门课程在教学过程中一般包含机器人绪论、机器人结构、机器人运动学、机器人动力学、机器人控制、机器人语言和编程等章节内容，结合虚拟仿真技术可以制作不同的仿真视频、实验、实践环节。文献[5]以项目为导向，对机器人技术课程的虚拟仿真实验教学改革进行了具体实践与探索，构建了一个系统的理论与实践有机融合的虚拟仿真实验教学体系。表1为本门课程在实际授课过程中设计的一些虚拟仿真实验。

表1 “机器人技术基础”课程的虚拟仿真教学设计

在设计这些虚拟仿真实验时，应注重实验的交互性、真实感和可扩展性，以便学生能够更好地沉浸在虚拟环境中，进行直观、有趣且有效的学习。同时，实验设计应与课程内容紧密结合，确保学生能够通过实验加深对理论知识的理解和掌握。图1为我校机器人虚拟仿真实验平台入口，通过该平台，学生可以完成机器人认知、工作原理、编程和仿真等方面的实践。图2、图3为学生自己制作的机器人虚拟仿真工作站，通过工作站的设计、调试，学生能够对机器人工作站的结构设计、运动学和动力学、机器人控制与编程进行实践。

图1 武汉商学院机器人虚拟仿真实验平台

图2 机器人加工仿真工作站

图3 机器人激光雕刻工作站

3.3 虚拟仿真技术对机器人学科竞赛的促进作用

大学生参加机器人学科竞赛能够将“机器人技术基础”“机械设计”“机器人控制”等多门专业课的知识综合运用到作品设计和调试中，提高学生的学习兴趣，培养动手能力和创新意识。运用虚拟仿真技术对学生参加机器人学科竞赛允许学生在没有实际硬件的情况下设计和测试机器人模型。这减少了制作实体原型所需的成本和时间，使学生能够更快地迭代和优化设计。通过仿真软件，学生可以模拟机器人在不同环境下的行为，预测其性能，并在实际竞赛前发现并解决潜在问题。图4为学生参加机器人学科竞赛利用虚拟仿真进行设计的产品模型，并以此为基础在仿真环境中进行模拟竞赛，学生可以在仿真中快速测试不同算法的有效性，调整参数，以达到最佳性能，再将其应用到实际机器人上。虚拟环境为机器人控制算法(如路径规划、避障、物体识别等)的开发和验证提供安全、可控的平台。图5为制作出来的实物作品。

图4 机器人竞赛产品设计图

图5 机器人竞赛产品实物图

4、结语

运用虚拟仿真技术构建虚拟仿真教学平台，可以促进“机器人技术基础”课程的教学改革，丰富教学资源，强化实践教学环节，推动线上线下混合式教学。同时利用虚拟仿真技术，可以对学生的实验过程、操作技能和创新能力等进行全面、客观的评价，提高教学效果和质量。

参考文献:

[1]李能菲,黄琼,常辉.虚拟仿真在工业机器人自动生产线工作站教学中的应用[J].无线互联科技,2022,19(07):146-149.

[2]姜虹.机器人虚拟仿真教学在机器人教学中应用的探索[J].高考,2019(02):261.

[3]刘相权.MATLAB在机器人虚拟仿真实验教学中的应用[J].教育教学论坛,2018(15):261-262.

[4]郝建豹,曹银华,谭华旭,等.虚拟仿真技术在机器人生产线设计中的应用[J].广东科技,2021,30(02):44-49.

[5]陈光荣,陈亚琼.“机器人技术基础”课程虚拟仿真实验教学研究[J].实验室研究与探索,2022,42(10):159-164.

基金资助:武汉商学院2020年校级教研课题:基于虚拟仿真的线上“金课”建设研究——以《机器人技术基础》课程为例(编号2020N014); 武汉商学院2022年度人才培养改革试点班——机器人工程专业中英国际创新人才培养改革试点班;

文章来源:周浩.基于虚拟仿真的“机器人技术基础”课程教学研究[J].科技风,2024,(23):10-12.