VR在“1+X”工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維培訓(xùn)中的應(yīng)用 Application of VR in Operation and Maintenance Training of "1+X" Industrial Robot

黃波 HUANG Bo

摘要： “1+X”工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維培訓(xùn)是提升工業(yè)機(jī)器人專業(yè)學(xué)生實(shí)踐操作能力的重要手段，在傳統(tǒng)培訓(xùn)過程中，需要大量的培訓(xùn)設(shè)備及工具，并且對(duì)培訓(xùn)場(chǎng)地有較高要求，教學(xué)成本高、危險(xiǎn)系數(shù)大。VR技術(shù)的應(yīng)用，有效的改變了這一系列問題，通過沉浸式的學(xué)習(xí)方式，提高了學(xué)習(xí)效果，豐富了教學(xué)內(nèi)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(guān)鍵詞： VR技術(shù);工業(yè)機(jī)器人;1+X

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

中圖分類號(hào)：G64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）22-0255-02

0? 引言

中國作為制造和需求大國，連續(xù)五年在工業(yè)機(jī)器人全球銷售量排行榜中遙遙領(lǐng)先。同時(shí)，中國制造業(yè)發(fā)達(dá)，每年對(duì)工業(yè)機(jī)器人需求量很大。工業(yè)機(jī)器人在內(nèi)燃機(jī)整機(jī)裝配及零部件制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，活塞和缸體的裝配是內(nèi)燃機(jī)中非常重要且繁瑣的一環(huán)，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用不僅提高了生產(chǎn)效率，并且提高了內(nèi)燃機(jī)的裝配質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人以其高穩(wěn)定性，高靈活性，高精確性備受青睞，這就直接導(dǎo)致了我們需要更多操作、運(yùn)維和維修工業(yè)機(jī)器人的人才，這些人員必須具備扎實(shí)的工業(yè)機(jī)器人理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。高職院校作為實(shí)踐類人才的培養(yǎng)搖籃，應(yīng)當(dāng)努力擔(dān)負(fù)這項(xiàng)重任，開設(shè)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)，培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)維人才。

1? VR技術(shù)簡(jiǎn)介

VR技術(shù)，也叫虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。VR技術(shù)由美國提出，在美國的應(yīng)用領(lǐng)域較廣。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，我國也在努力發(fā)展VR技術(shù)的研究與應(yīng)用，尤其是在教育領(lǐng)域，很多高校愿意使用VR技術(shù)來構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬教學(xué)場(chǎng)所，希望利用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)改革，提升教學(xué)質(zhì)量，提高人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

2? “1+X”工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維培訓(xùn)現(xiàn)狀

2.1 教學(xué)資源短缺? “1+X”工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維培訓(xùn)，必須配套相應(yīng)的工業(yè)機(jī)器人作為項(xiàng)目載體。工業(yè)機(jī)器人實(shí)物價(jià)格昂貴，學(xué)校配套資金有限，導(dǎo)致能夠用作拆裝實(shí)訓(xùn)的工業(yè)機(jī)器人較少，而班級(jí)人數(shù)又較多，這就導(dǎo)致了教學(xué)資源的嚴(yán)重不足。不僅如此，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，正朝著智能化、輕量化和集成化的方向發(fā)展。教師若想把最先進(jìn)的技術(shù)知識(shí)教授給學(xué)生，就必須不斷更新設(shè)備，這與學(xué)校資金有限、采購周期長(zhǎng)等客觀因素互相矛盾。因此，高職院校的“1+X”工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維培訓(xùn)普遍存在教學(xué)資源短缺的狀況。

2.2 設(shè)備維護(hù)困難? 每臺(tái)工業(yè)機(jī)器人都有相應(yīng)的伺服電機(jī)和其他主體結(jié)構(gòu)，裝配較為復(fù)雜。學(xué)生平時(shí)接觸工業(yè)機(jī)器人機(jī)會(huì)少、對(duì)結(jié)構(gòu)不熟悉、沒有拆裝經(jīng)驗(yàn)，很多學(xué)生在拆裝時(shí)并不會(huì)嚴(yán)格按照老師提出的拆裝要求和流程來做，存在一些操作錯(cuò)誤，這就直接導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人設(shè)備損耗嚴(yán)重、零件丟失、伺服電機(jī)軸線安裝不當(dāng)?shù)纫幌盗袉栴}的產(chǎn)生。若干個(gè)班級(jí)輪流上拆裝實(shí)訓(xùn)課后，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)失去了原有的精度，不能正常工作。工業(yè)機(jī)器人本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要專業(yè)人員來進(jìn)行定期維護(hù)，而學(xué)校機(jī)器人專業(yè)的教師課務(wù)繁忙，也沒有一定的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，直接影響了工業(yè)機(jī)器人的使用效果和上課要求。

2.3 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目單一? “1+X”工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維培訓(xùn)的項(xiàng)目較為單一，一部分是由于實(shí)驗(yàn)室拆裝設(shè)備數(shù)量不足，無法滿足多項(xiàng)目的拆裝實(shí)訓(xùn)，另一部分是因?yàn)榻處熅τ邢?，?shí)訓(xùn)課一般采取統(tǒng)一指導(dǎo)的方式進(jìn)行，沒有考慮到學(xué)生的差異性，很多學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、愿學(xué)肯干的同學(xué)得不到很好的機(jī)會(huì)來進(jìn)行更深一步的探究學(xué)習(xí)，也有一些學(xué)習(xí)接受能力弱的學(xué)生沒有能夠得到與之能力相匹配的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，只能人云亦云，學(xué)習(xí)效果無法保證。

3? VR技術(shù)在“1+X”工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維培訓(xùn)中的應(yīng)用

VR技術(shù)在“1+X”工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維培訓(xùn)中的應(yīng)用，主要依靠機(jī)械裝調(diào)虛擬仿真軟件，它可以組織學(xué)生完成工業(yè)機(jī)器人組裝、調(diào)試和維修的技能仿真訓(xùn)練，為學(xué)校的工業(yè)機(jī)器人專業(yè)學(xué)生提供虛擬教學(xué)培訓(xùn)環(huán)境，學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人設(shè)備的維護(hù)、維修及安裝調(diào)試。

3.1 構(gòu)建虛擬實(shí)訓(xùn)車間? VR虛擬仿真軟件可以模擬出一比一的實(shí)訓(xùn)車間，如圖1所示，包括拆裝機(jī)器人、操作平臺(tái)、倉庫和拆裝工具等，場(chǎng)景生動(dòng)形象。學(xué)生完成虛擬車間構(gòu)建后，可利用VR技術(shù)看到車間內(nèi)三維立體的工業(yè)機(jī)器人，觀察到內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，如機(jī)械手臂、伺服電機(jī)、控制柜等，對(duì)想要了解的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位接觸和了解。通過構(gòu)件虛擬實(shí)訓(xùn)車間，可以有效節(jié)約拆裝實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地，解決教學(xué)資源不足的問題，為學(xué)生提供真實(shí)的教學(xué)感官，解決實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目單一的問題。

3.2 模擬拆裝實(shí)訓(xùn)操作? 我們使用的虛擬軟件是一款基于zSpace桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)操作平臺(tái)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)軟件，以主流應(yīng)用中的六軸機(jī)器人為藍(lán)本建模，如圖2所示，可模擬機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)拆裝實(shí)訓(xùn)、維護(hù)維修、示教操作、工作站搭建及工作站設(shè)計(jì)五大模塊實(shí)訓(xùn)任務(wù)。學(xué)生在拆裝過程中，可針對(duì)油孔、外殼、J1、J2、J3、J4、J5、J6等8大模塊進(jìn)行自由拆卸和整體安裝，另外還擴(kuò)展了控制柜拆裝和伺服電機(jī)拆裝模塊。老師上課時(shí)可利用示教器進(jìn)行規(guī)范操作。通過精準(zhǔn)的人機(jī)交互，可將教學(xué)模型拉出屏幕操作，無限制地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、拆裝、放大、縮小等操作，多角度觀察模型細(xì)節(jié)及透視，解決傳統(tǒng)教學(xué)抽象原理難講解，復(fù)雜結(jié)構(gòu)難拆裝的問題，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和效率。在拆裝實(shí)訓(xùn)過程中，學(xué)生掌握了如何進(jìn)行日常維護(hù)操作、如何判斷機(jī)構(gòu)部故障、控制柜硬件故障、示教器程序報(bào)警故障等;掌握了如何進(jìn)行工作站搭建，工作站安全、操作、維護(hù)保養(yǎng)等。

3.3 模擬拆裝考核? 虛擬仿真系統(tǒng)還包含了考核模塊，可以檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。在考試時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)學(xué)生進(jìn)行全方位考核監(jiān)督，包括操作的規(guī)范性、拆裝的順序、拆卸后零件的擺放位置等，并對(duì)其操作不當(dāng)?shù)牡胤竭M(jìn)行提示或警告。系統(tǒng)的記憶功能強(qiáng)大，可以記錄學(xué)習(xí)操作的相關(guān)情況，包括每一部件的拆裝時(shí)間、錯(cuò)誤步驟等，給教師的打分提供了可靠的依據(jù)。如圖3所示，學(xué)生可按照虛擬設(shè)備工具進(jìn)行操作。

4? VR技術(shù)應(yīng)用后的教學(xué)效果

4.1 提高學(xué)習(xí)和教授效率? 學(xué)生通過手柄操作控制機(jī)械模型，利用交互視覺反饋以及培訓(xùn)系統(tǒng)，掌握機(jī)械的組成以及運(yùn)行原理，讓復(fù)雜繁瑣的機(jī)械操作培訓(xùn)課程，變成高效、雙向互動(dòng)反饋的虛擬現(xiàn)實(shí)課堂。學(xué)生可進(jìn)入物體內(nèi)部進(jìn)行觀察，打破了空間限制;可看清機(jī)器內(nèi)部零件工作狀況，給學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)。從不同角度展示了零部件的拆裝，多方位展示機(jī)器人原理。學(xué)生主動(dòng)參與，自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)興趣與效率。教師教學(xué)直觀、省力，可以及時(shí)跟蹤學(xué)生操作情況并給予指導(dǎo)。

4.2 更好的對(duì)接崗位? VR技術(shù)引入后，以機(jī)器人現(xiàn)有權(quán)威專業(yè)教學(xué)大綱為依據(jù)，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容匹配就業(yè)崗位技能要求，全面滿足機(jī)器人專業(yè)的教、學(xué)、訓(xùn)需求。實(shí)訓(xùn)軟件以真實(shí)廠房為背景，各個(gè)模塊的學(xué)習(xí)以爆炸圖動(dòng)畫為配套，如圖4所示，創(chuàng)建情景化交互式的教學(xué)實(shí)訓(xùn)環(huán)境，除對(duì)機(jī)器人進(jìn)行整體拆卸外，還可單獨(dú)選擇油孔、外殼、J1、J2、J3、J4、J5、J6等8大模塊的拆卸任務(wù)。老師可以全方位立體化旋轉(zhuǎn)展示機(jī)器人整體、J1、J2、J3、J4、J5、J6等7大模塊的結(jié)構(gòu)組成并進(jìn)行原理演示;并可對(duì)整體或單個(gè)模塊進(jìn)行自由拖拽、360度翻轉(zhuǎn)，清晰查看內(nèi)部零部件結(jié)構(gòu)關(guān)系。當(dāng)前模塊被選中時(shí)，其之前的結(jié)構(gòu)默認(rèn)被拆卸完成，同時(shí)在文字框顯示當(dāng)前操作的提示信息內(nèi)容，并可復(fù)原整體結(jié)構(gòu)或撤銷已操作過的步驟方便反復(fù)練習(xí)。

5? 結(jié)論

VR技術(shù)在“1+X”工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維培訓(xùn)中的應(yīng)用是革命性的創(chuàng)新，可以有效改善目前該培訓(xùn)過程遇到的教學(xué)困難，實(shí)現(xiàn)教學(xué)突破。但是這一教學(xué)形式還存在著諸多問題，我們?nèi)孕柽M(jìn)行更深層次的研究，在使用過程中不斷改進(jìn)、交流，爭(zhēng)取滿足眾多學(xué)生的個(gè)性化需求，提高學(xué)習(xí)效率。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是內(nèi)燃機(jī)端蓋等的柔性生產(chǎn)線中，在設(shè)置壓鑄機(jī)旁的端蓋取料冷卻系統(tǒng)和機(jī)加工系統(tǒng)融入工業(yè)機(jī)器人，既提高了生產(chǎn)效率，又降低了使用設(shè)備的投資成本，VR技術(shù)在實(shí)際投入生產(chǎn)前，及時(shí)、高效地分析設(shè)備布局，并進(jìn)行改進(jìn)，有效控制成本，提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳長(zhǎng)全，符龍生.VR技術(shù)在高職院校實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（18）：129-131.

[2]梅文濤，苑苓苓，鄭勇峰，高霞.沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].探索天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報(bào)，2015，17（08）：78-81.

[3]許鵬輝.工業(yè)機(jī)器人拆裝實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].電子元器件與信息技術(shù)，2020，4（07）：158-159.