基于RobotStudio的《机器人焊接技术》交互式仿真教学方法

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【摘要】随着我国机器人战略的实施，焊接机器人在许多企业迅速得到应用，对机器人焊接技术人才的需求也尤为迫切。为此，需要改变焊接本科专业《机器人焊接技术》以课堂讲授为主的教学模式，引入交互式教学方法。本文利用ABB公司的RobotStudio离线编程机器人仿真软件，进行交互式教学。对交互式教学的内容、实施方式和注意事项进行了探讨，以提高教学效果。

【关键词】机器人 焊接技术 交互式 教学方法

【课题项目】江苏省现代教育技术研究课题（2015-R-40948），江苏科技大学高等教育科学研究课题（GJKTY2014-22），江苏科技大学研究生教改与实践课题（YJG2013Y_10）、江苏科技大学教改研究立项课题（GX20131014）资助。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）16-0031-02

1.引言

随着我国机器人战略的实施，焊接机器人在许多企业迅速得到应用，对机器人焊接技术人才的需求也尤为迫切[1]。目前，已有很多高校开设了焊接机器人课程，但很多教学模式还是以板书、PPT教学为主，配以焊接机器人实验。由于焊接机器人是一个涉及数学建模、电工、通讯、机械、软件编程等综合知识的课程，需要丰富的实践、调试环节，才能遇到机器人应用中遇到的各种问题，通过解决问题积累经验，提高水平。所以，单纯的教师讲授，学生听课难以达到好的教学效果。

此外，焊接机器人价格相对昂贵，高校一般难以大量添置用于教学，且焊接机器人操作具有一定危险性，需要增加实验人员才能保证大量学生能同时进行机器人操作。所以通过大量增加焊接机器人来提高学生的教学效果也受到一定限制。

离线编程仿真软件为解决上述问题提供了一个新的手段。

2.虚拟仿真技术的引入

机器人离线编程是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的几何模型，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下进行轨迹规划。通过对编程结果进行三维图形动画仿真，以检验编程的正确性，最后将生成的代码传到机器人控制柜，以控制机器人运动，完成给定任务[2]。随着计算机技术的发展，以往需要在计算机工作站或服务器上运行的机器人离线编程仿真程序已能在一般PC机上运行，这给焊接机器人教学改革带来了契机。

通过在传统课堂教学基础上引入仿真技术，设计项目，实施交互式教学，可极大提高学生兴趣、专注度和主动性、更好地掌握焊接机器人专业知识，锻炼学生动手能力，促进高水平人才的培养，并为类似课程的教学积累经验和成果。

ABB机器人的Robot Studio是一款优秀的机器人仿真软件，适用于机器人寿命周期各个阶段[3]。它可在实际构建机器人系统前进行设计和试运行，还可利用该软件确认机器人是否能到达所有编程位置。故本文选其作为仿真软件。

2.1 交互式仿真教学方法

为使离线编程仿真技术在《机器人焊接技术》教学中发挥作用，在仿真演示的基础上，更应该引入交互式教学方法。

交互式教学最早由Palincsar于1982年提出，之后又得到了进一步的研究和发展，它是在支架式教学理论的基础上发展起来的一种教学模式[4]。交互式教学是在宏观教学情景下，在多点自由切入的教学平台上，教师的教与学生的学围绕某一个问题或课题进行平等交流和自主互动的一种教学方法。它具有重要的教育价值。

根据弧焊机器人的特点，交互式教学方法可在两个层面进行。（1）是在教师和学生间进行，即针对离线编程任务，教师和学生可以开展互动，探讨可能的解决方案；（2）是在学生与计算机之间进行，即学生进行仿真任务时与计算机目标进行对比，从而查找错误，最终找到正确解决路径。

在焊接机器人中，仿真技术交互式教学的关键是首先让学生明确教学目标，其次，是在于设置中间参考结果，学生能明确自己在进行机器人操作时，机器人的反应是否与设定目标一致。这样，可以查找自己存在的不足，从而掌握相关知识点。

2.2 仿真教学内容确定

仿真演示教学内容可以体现在机器人教学的各个环节中。如机器人系统的构成、机器人运动学、焊接机器人传感器、焊接机器人工作站构成等。其方法是教师在电脑上构建机器人系统，并利用软件编程和操作完成各种功能，使得学生能直观了解机器人的关节运动、轨迹规划、防碰撞演示等内容，如图1所示。

2.3 交互式教学内容的确定

并不是所有的机器人教学内容都适合交互式教学方法。交互式教学体现在要有一个明确的目标。为此，根据机器人焊接特点和需求选择计算机仿真实习项目，如表1所示。

下面以机器人轨迹规划为例说明交互式教学的实施。轨迹规划的步骤如图2所示。在实施交互式教学时，教师在课堂上讲授如何进行轨迹规划的操作，给出每个关键步骤的最终结果，如图3所示。然后学生可以在计算机上进行仿真，对照参考答案，进行交互式的学习。同时教师和学生间也可以根据所遇到的问题开展交互式教学。

3.结论

本文对《机器人焊接技术》进行改革，引入离线编程仿真程序，并设计交互式教学方法。对交互式教学方法的内容、实施进行了探讨。

参考文献：

[1]王田苗，陶永.我国工业机器人技术现状与产业化发展战略. 机械工程学报，2014，50（9）：15-19

[2]刘圣祥， 高洪明， 张广军，等.弧焊机器人离线编程与仿真技术的研究现状及发展趋势. 焊接. 2007，（7）：20-26

[3]谭定，李亮玉，王天琪. 基于robotstudio的双机器人协调仿真. 焊接技术，2011，40（6）：45-48

[4]李如密， 侯会关.“交互式”教学模式的理论建构.当代教育科学， 2004， （8）： 40-43

[5]叶晖.工业机器人典型应用案例精析.机械工业出版社， 2013