工業(yè)機(jī)器人模擬仿真技術(shù)在職業(yè)教育中的應(yīng)用淺析

楊飛

摘 要：目前各個(gè)行業(yè)都在用機(jī)器人大批量代替人工以降低人工成本，但是由于機(jī)器人需求量激增，導(dǎo)致沒有足夠工程技術(shù)人員支持整個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。職業(yè)教育抓住這一機(jī)遇大力發(fā)展機(jī)器人職業(yè)教育，但是有面對(duì)院校機(jī)器人資源緊缺的局面以及其他教學(xué)問題。而工業(yè)機(jī)器人模擬仿真技術(shù)在職業(yè)教育中的應(yīng)用將很好地解決這一難題。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;模擬;仿真;職業(yè)教育

中圖分類號(hào)： G63 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1673-1069（2016）30-147-2

1 ?工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

目前國內(nèi)機(jī)器人企業(yè)接近400家，間接從事機(jī)器人的企業(yè)約4000家;國家高新區(qū)近40家規(guī)劃了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園區(qū);有36個(gè)城市將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)列為重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象;從事機(jī)器人相關(guān)的研究院所300余家。

工業(yè)機(jī)器人作為一種新型勞動(dòng)力正改變著制造業(yè)的用工模式，以人為主的生產(chǎn)模式正逐漸向以機(jī)器人為主的模式轉(zhuǎn)變。工業(yè)機(jī)器人性價(jià)比越來越高、投資回報(bào)周期的縮短使得企業(yè)用機(jī)器人替代人類的愿望越來越強(qiáng)烈。

過去機(jī)器人主要用于汽車制造行業(yè)，現(xiàn)在已經(jīng)開始用在毛坯制造、機(jī)械加工、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配檢測及自動(dòng)化物流倉儲(chǔ)作業(yè)等過程中。機(jī)器人作為一種標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。社會(huì)、企業(yè)對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、集成、安裝、維護(hù)、使用、操作等作業(yè)人才的需求極為迫切。這對(duì)機(jī)器人教學(xué)方式和教學(xué)效果提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

我國已經(jīng)成為工業(yè)機(jī)器人第一生產(chǎn)國和消費(fèi)國并且依然在快速增長，但是工業(yè)機(jī)器人行業(yè)整體水平還很落后?，F(xiàn)階段我國工業(yè)機(jī)器人密度平均30臺(tái)/萬人，而歐美日等國家工業(yè)機(jī)器人密度達(dá)到150-350臺(tái)/萬人。

2 ?工業(yè)機(jī)器人工程技術(shù)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀

工業(yè)機(jī)器人市場以每年30%的速度增長，很多企業(yè)迫切需要轉(zhuǎn)型升級(jí)，轉(zhuǎn)換生產(chǎn)方式也迫切需要大量專業(yè)的技術(shù)型人才來提供保障而且目前相應(yīng)的人才儲(chǔ)備數(shù)量和質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了社會(huì)需求。

工程教育與產(chǎn)業(yè)需求依然存在脫節(jié)現(xiàn)象而且產(chǎn)業(yè)需求的專業(yè)和課程設(shè)置反應(yīng)不夠迅速，人才培養(yǎng)跟不上產(chǎn)業(yè)發(fā)展的節(jié)奏。企業(yè)需要大量人力財(cái)力進(jìn)行再次培訓(xùn)，但是存在人力流失率很高，以至于企業(yè)不愿培養(yǎng)的普遍現(xiàn)象。產(chǎn)教融合、校企合作機(jī)制不完善，企業(yè)往往缺乏參與的積極性、校企互動(dòng)深度不夠。

師資隊(duì)伍實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，經(jīng)驗(yàn)豐富的工程人才從企業(yè)到高校的流動(dòng)存在很多壁壘。

未來8年內(nèi)機(jī)器人相關(guān)行業(yè)崗位需求200萬人左右，工信部規(guī)劃，2020年中國機(jī)器人保有量達(dá)100萬臺(tái)，需要20萬專業(yè)人員，研發(fā)人員約15000人，行業(yè)工程師約20000人，因此人才缺口巨大。

3 ?工業(yè)機(jī)器人職業(yè)教育過程中存在的問題

機(jī)器人教學(xué)設(shè)備昂貴，學(xué)校無法大量購買，導(dǎo)致教學(xué)資源有限，而機(jī)器人教學(xué)設(shè)備數(shù)量有限，導(dǎo)致很多學(xué)生沒有真正的實(shí)踐機(jī)會(huì)，達(dá)不到教學(xué)的目的。機(jī)器人教學(xué)過程中存在誤操作容易損壞設(shè)備，因此老師會(huì)要求學(xué)生按照指定的步驟操作或者只在規(guī)定的范圍內(nèi)做一些簡單的練習(xí)，這樣大大降低了學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)效果。最后在工程中也存在機(jī)器人工作區(qū)域可達(dá)性、夾具設(shè)計(jì)可靠性等無法驗(yàn)證機(jī)器人編程、調(diào)試周期長、程序優(yōu)化煩瑣等問題。

4 ?工業(yè)機(jī)器人模擬仿真技術(shù)應(yīng)用背景

模擬仿真技術(shù)可以很好地解決以上問題！ 由機(jī)器人模擬仿真軟件和實(shí)際的控制器、示教器構(gòu)成一個(gè)完整的模擬仿真系統(tǒng)。該統(tǒng)在沒有實(shí)際機(jī)器人本體的基礎(chǔ)上，通過設(shè)備間的實(shí)時(shí)通訊，操作示教器便可控制仿真軟件中虛擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng);同時(shí)使用者在示教器上編程，仿真軟件中虛擬機(jī)器人可再現(xiàn)程序的運(yùn)行軌跡。這樣，借助于模擬系統(tǒng)，使用者既可以熟練掌握機(jī)器人操作，又可以掌握機(jī)器人編程。

5 ?工業(yè)機(jī)器人模擬仿真技術(shù)簡介

工業(yè)機(jī)器人模擬仿真技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)運(yùn)行軟件對(duì)實(shí)際的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬。機(jī)器人模擬仿真主要是對(duì)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、軌跡規(guī)劃、控制算法分析研究及工作站設(shè)計(jì)、碰撞檢測、離線編程等。充分發(fā)揮工業(yè)級(jí)數(shù)字化仿真、先進(jìn)虛擬制造技術(shù)軟硬件設(shè)備可以有效解決實(shí)訓(xùn)設(shè)備短缺的瓶頸。

工業(yè)級(jí)的仿真已經(jīng)被世界上很多企業(yè)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)企業(yè)提高開發(fā)效率，加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力，減少?zèng)Q策失誤，降低企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)起到了重要的作用。學(xué)校在教學(xué)活動(dòng)充分利用工業(yè)仿真、虛擬制造等技術(shù)可及時(shí)了解和學(xué)習(xí)先進(jìn)制造技術(shù)相關(guān)技能，并解決學(xué)校開展教學(xué)活動(dòng)高端實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足的問題。

6 ?國內(nèi)主要模擬仿真軟件介紹

機(jī)器人本體生產(chǎn)廠家的軟件主要有ABB的 RobotStudio、Fanuc的RoboGuide、KUKA的KUKASim等。通用類的模擬仿真軟件有RobotMaster、Robosim 、RobCAD 、Delmia等。

RobotStudio是ABB制作的一款面向ABB機(jī)器人變成的仿真模擬軟件，其軟件的優(yōu)點(diǎn)是虛擬示教器和真實(shí)示教器具有相同的功能，便于學(xué)習(xí)操作ABB機(jī)器人;RobotStudio軟件集成了建模、編程、仿真等功能，功能比較全面。但是RobotStudio最大的缺點(diǎn)是只支持ABB機(jī)器人，機(jī)器人間的兼容性差。機(jī)器人本體廠商的仿真軟件都有相似的特點(diǎn)。

RobotMaster是由加拿大軟件公司Jabez研發(fā)的主要用于焊接、打磨、拋光、去毛刺等應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人模擬仿真軟件。軟件的特點(diǎn)是軌跡優(yōu)化功能，運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃和碰撞檢測非常精確支持外部軸，如直線導(dǎo)軌系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)支持大多數(shù)品牌的機(jī)器人，但是它不支持多機(jī)器人同時(shí)模擬仿真。

Robosim簡介：Robosim主要用于教學(xué)培訓(xùn)和工業(yè)應(yīng)用。教學(xué)培訓(xùn)主要針對(duì)機(jī)器人的操作、編程。工業(yè)應(yīng)用主要針對(duì)搬運(yùn)、碼垛、打磨、焊接等應(yīng)用的模擬仿真。Robosim的優(yōu)點(diǎn)是支持機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、軌跡規(guī)劃，并且持基于python的二次開發(fā)，支持大多數(shù)品牌的機(jī)器人。Robosim的缺點(diǎn)是不支持建模功能。

7 ?工業(yè)機(jī)器人職業(yè)教育中的模擬仿真技術(shù)應(yīng)用的意義

許多學(xué)校機(jī)器人教學(xué)中可能存在以下問題：機(jī)器人資源有限，卻沒有充足的資金購買大量的機(jī)器人，但是教學(xué)人又必須有大量的機(jī)器人滿足學(xué)生同時(shí)使用的需求;機(jī)器人教學(xué)過程中存在誤操作容易損壞設(shè)備，也存在安全隱患;同時(shí)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中機(jī)器人工作區(qū)域可達(dá)性、夾具設(shè)計(jì)可靠性等無法驗(yàn)證，機(jī)器人編程、調(diào)試周期長、程序優(yōu)化煩瑣。

而機(jī)器人仿真技術(shù)恰好能有效地解決這些問題，因?yàn)槟M仿真技術(shù)可以彌補(bǔ)學(xué)校機(jī)器人教學(xué)資源不足的缺點(diǎn)，機(jī)器人初學(xué)者可以通過模擬仿真系統(tǒng)快速掌握機(jī)器人（操作、編程、調(diào)試），為項(xiàng)目的前期方案規(guī)劃提供技術(shù)支持，驗(yàn)證機(jī)器人工作區(qū)域的可達(dá)性、工作夾具的可靠性、運(yùn)用到工業(yè)中也可以縮短了機(jī)器人編程調(diào)試周期、縮短了項(xiàng)目周期，提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量。

8 ?工業(yè)機(jī)器人職業(yè)教育中的模擬仿真技術(shù)應(yīng)用

大專院校組建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室時(shí)可以只需要在教室廠房只放置1-2臺(tái)機(jī)械手，多臺(tái)電腦安裝機(jī)器人虛擬系統(tǒng)或模擬軟件。學(xué)生可以在電腦仿真軟件上對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程并在仿真環(huán)境下調(diào)試運(yùn)行。當(dāng)學(xué)生調(diào)試完成，并在老師檢查無誤安全后可以聯(lián)網(wǎng)下載到機(jī)械手并運(yùn)行。通過這樣的方式機(jī)能保證學(xué)生的人身安全、教學(xué)效果又能解決許多學(xué)校建立機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室的資金問題。這對(duì)于院校希望快速經(jīng)濟(jì)的建立機(jī)器人實(shí)訓(xùn)是一個(gè)很好的方案。

參 考 文 獻(xiàn)

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