随着工业机器人自动装配技术成为我国智能制造的研究热点，工业机器人的教学越来越受到高校的重视。然而，在传统的工业机器人课程教学中，由于实践危险系数高、学生多、机器人少，学生参与度不够高，缺乏实际操作经验，教学效果甚微。美国梅玮全息研究所梅玮全息研究院的科学家。纳斯达克上市公司WIMI旨在将虚拟现实技术引入工业机器人课程教学，探索虚实结合的教学新模式，实现课堂教学与工程实践相结合，打破传统工业机器人教学的局限，加快教学内容、课程体系、教学方法和运行机制的改革与创新，填补当前工业机器人技术实践教学中的/[/k0/。
关键词:工业机器人；VR技术；虚实结合；航空空航空航天制造
一.导言
VR技术的发展与工业机器人的教学过程高度契合。借助仪器设备等物质条件，使课堂真正与实际相结合，实现从感性认识到工程实践的跨越。比如VR技术可以用于工业机器人装配和维修的虚拟仿真建模，在设计过程的初始阶段就可以发现可能存在的缺陷和问题，减少不必要的浪费。再比如，机器人自动钻铆过程的虚拟计算和设计，可以让学生与实际制造过程相匹配。再如，利用虚拟装配技术，学生可以在更加真实、自然的环境中实现大飞机的总体布置和协调，完成机器人装配过程仿真、维修性和测试性仿真。
二、工业机器人课程的教学和研究现状
工业机器人是一门高度交叉的学科，它融合了机械学、机械学、控制论、电子学、计算机科学等多种专业知识。理论知识比较抽象，与工程应用密切相关，所以课程实用性强，需要强调理论与实践的结合[1-3]。在教学中，学生对机器人的基本概念不明确，课堂参与度不够高，机器人实践经验缺乏，严重影响了工程实践和创新能力的培养。主要原因如下:
①传统实验只支持重复性认知实验，无法开展工业机器人结合航空航天空大型零部件制造的高探索性实验，直接影响学生创新能力的提高；
②由于飞机装配实验场地大、设备大、部件大、工艺流程复杂等因素，学校很难复制工业机器人设备的制造场地；
③真实机器人实际操作危险系数较高，开展工业机器人相关教学实验存在一定的安全风险；
④航空空大型零件制造实验需要不断升级大型专业设备和工装，消耗大量昂贵的实验材料。另外，物理机器人也很贵，物理实验成本极高。面对学生人数多，机器人数量少的情况，很难使用实际的机器人作为教学和训练的实验设备。
因此，探索新的教学模式已成为工业机器人课程改革的必然趋势。电子科技大学余楚红[1]通过重组教材，优化教学模式，对《工业机器人技术》课程的教学改革进行了探索。杨丽菁[4]和许文燕[5]对改进后的教学方法进行了详细阐述，侧重于具体实践任务的改进，有助于培养学生的实践能力。李庆玲[6]对工业机器人课程的教学内容和教学方法进行了系统的改革尝试。杨宗凯[7]提出课堂的发展可以分为三个阶段:传统课堂、多媒体课堂和高级课堂，高级课堂在技术演进上要经历“网络化、虚拟化和智能化”，以支持多样化的动态学习。谢滨等人[8]基于MATLAB机器人工具箱设计了机器人仿真实验教学的具体方案，对坐标变换、机器人建模、运动学求解、轨迹规划等机器人知识进行了仿真实验教学。袁等[9]也探索了仿真软件对教学模式改革的影响，利用RobotArt软件使学生在实验室计算机上离线编程，考察对基础理论知识的掌握情况。机器人课程教学的上述研究方向仍未能跳出传统的多媒体课堂教学思路，教学方法仍是课堂教学与机器人仿真软件或机器人实践相结合的传统教学模式。
第三，融入虚拟现实技术的课程教学内容设计
以航空制造工程专业的“飞机自动装配工艺”为典型案例，建立基于工业机器人智能装配设备的虚拟现实教学平台，探索虚拟现实技术与工业机器人教学相结合的新模式。工业机器人教学与编程、精度补偿、轨迹规划、飞机装配机器人自动钻铆等实践内容。，依托大型试验场地和设备，转化为教学实践课程，让学生不出校门就能体验工业机器人的操作和编程方法及其在航空航天制造领域的前沿应用。本文重点研究了虚实结合工业机器人教学平台的构建、虚实结合工业机器人课程形式的创新和虚实结合工业机器人课程内容的探索。
1.虚实结合的工业机器人教学平台的构建。
虚实结合的工业机器人教学平台建设分为“虚拟”和“真实”两部分。虚拟部分主要依靠VR实验设备。如图1所示，基于三星的龙轩和微软的HoloLens VR，构建工业级5G无线局域网和光纤数据传输平台，实现多终端、低时延的数据共享，从而达到在虚拟环境下多学生集中教学、互动实验的目的。
“真实”部分依托实验室现有的不同负载的工业机器人设备，让学生在真实环境中了解机器人的结构特点，从而更好地将学生带入虚拟世界进行飞机装配机器人的钻铆实验。
小负载工业机器人设备
重载工业机器人设备
图1实验室中现有的工业机器人设备
2.虚实结合的工业机器人课程形式创新。
本文拟采用立体化实验教学方法，以学生为中心，注重不同学生对虚实结合教学方法接受程度的差异，对不同学生采取不同的激励方式，安排差异化的实验目标，根据学生能力分组分配任务。此外，在教学过程中实现多元化能力的培养，以基础理论为起点，逐步带入工程场景，实现学生技术探索能力的培养，并在此过程中培养学生对工程问题的分析能力和创新意识。课程的教学内容也将注重基础理论、先进技术和实验操作的结合，打破传统的教师讲课、学生听课的课堂形式，实现师生互动教学的共同探索，创新师生平等交流、学生互助合作的教学模式。
图2三维实验教学方法
3.虚实结合的工业机器人课程内容探索。
基于VR的工业机器人课程内容主要包括基础理论、实验教学和工程应用三个方面。基础理论包括工业机器人的发展、机器人运动学、动力学和控制方法，为后面的实验课程和工程应用奠定理论基础。教学方面包括虚拟现实组合实验和机器人实际操作实验两部分。虚实部分将指导学生借助虚拟现实设备在实验室环境中操作虚拟机器人，既达到了工业机器人操作教学的实验效果，又避免了误操作可能对学生和实验设备造成的伤害。机器人实训依托实验室现有的小负载工业机器人，实现学生从VR实验向实际操作实验的转变。由于在虚实实验中已经掌握了操作技能，在实践环节可以大大提高实验效率，节省大量的教学费用和购买工业机器人的教学场地。在学生全面掌握工业机器人操作技能后，将带领他们再次进入虚拟世界，探索工业机器人在飞机装配中的应用，并将行业内的前沿问题分配给每个学生小组，培养学生分析和解决工程问题的能力，提高学生各方面的综合素质。目前南京航空航天大学空机电学院航天智能装配研究组开展的工业机器人虚实结合实验场景如图4所示。
虚拟与真实的机器人对比
虚实结合的机器人实验
图3虚实结合的工业机器人实验场景
VR技术固然能让学生耳目一新，提高学习兴趣，但在教学过程中，教师合理的教学方法是决定教学质量的重要因素。在教学过程中，教师应该认识到技术只是提高教学质量的辅助工具。教学应重视技术而不依赖技术。在教学过程中，教师要有说服力，给学生广阔的空表达思想的空间，鼓励和引导学生积极思考，勇于创新。
四。虚拟现实技术驱动的课程教学研究方法
1.工业机器人虚拟现实教学平台的构建
以VR技术为核心的工业机器人教学平台将工业机器人这一特定对象融入到VR技术中，因此需要建立一个通用的VR框架，并融合工业机器人的细节特征，形成整体的平台架构。首先建立VR框架，使用Unity作为开发引擎，使用航空空航天领域的专业建模软件Catia建立六自由度工业机器人的产品模型，使用工业设计领域的模型优化软件工具3DMAX对产品模型进一步优化，减少其曲面，然后导入Unity engine作为最终模型。其次，在VR框架下实现了工业机器人的特性，建立了工业机器人的正逆运动学算法，建立了相应的机器人动力学模型，使真实工业机器人的特性完全移植到VR机器人中。最后根据教学平台的具体使用场景，建立相应的人机交互规则，以学生为中心确定具体的VR设备配置，最终实现工业机器人与操作者在VR沉浸环境中的人机交互和信息流通。
2.基于虚拟现实技术的教学方法探索
基于VR技术的工业机器人教学平台，借助VR技术的沉浸特性，改变教学方式，探索新技术在教学和人才培养中的应用，统筹规划基于VR技术的工业机器人教学思路和方法。首先，利用VR技术为学生提供贴近现实的虚拟场景，在虚拟场景中发挥教师的引导和指导作用，引导学生在虚拟场景中获取相关知识。其次，利用教学平台中的评价机制，可以对学生在平台中的每一步进行判断和评分，学生可以通过评分来认识和改变自己的错误，教师也可以通过评分来大致判断学生的知识水平。最后，根据远程教育的需求，可以远程利用虚拟现实的特点为学生提供教学资源。教师可以实现远程指导、帮助、测试、评估等。通过教学平台，从而保证教学质量。
3.面向虚拟现实技术的教学资源信息化建设
优质教学资源的信息化建设是高校培养高素质人才的基本前提，以VR技术为核心的教学平台更注重基础教学资源的建设。首先，在现有课程的基础上，立足现状，保障未来，梳理所有涉及的实验设备和相关教学资源，保证教学资源的全覆盖和实用性；其次，通过校企合作等多种渠道开发先进的教学和实验网络云存储技术，保证海量教学资源的信息存储服务；最后，在专业要求的指导下，在实际教学中以典型工作任务为主体，利用现代信息手段，搭建教学实验平台，构建“学、练、考”全方位的学习和考核体系，实现教学资源的高效利用和可持续发展。
4.4驱动教学培训体系的构建。虚拟现实技术
改革方法是学生教学训练制度改革的重要组成部分。VR技术需要以学生培养为核心，运用多种先进的教学手段，实现高素质人才的培养。首先，针对现有的工业机器人课程教学体系，分析现有教学模式的优缺点，借助VR技术修正课程的合理教学模式，实现VR技术在课程培训中的广泛应用。其次，结合VR技术，利用计算机、传感器等相关教学资源，设置基于VR技术的工业机器人加工制造典型案例，提高教学质量；最后根据学生在课程中的掌握程度和评价指标，综合评价教学模式的可行性和实用性，并结合原有的培训体系，最终对学生培训体系进行修订，完成教学培训体系的改革。
动词 （verb的缩写）结论。
探索基于虚拟现实技术的工业机器人课程教学新模式，利用虚拟现实技术设计工业机器人课程的教学内容，提出工业机器人课程的教学研究方法。VR技术与工业机器人课程的深度融合，有利于培养学生的“多元化”能力，满足创新学习的需求。与传统的“认知”教学不同，利用VR技术作为教学平台，可以实现学生与所学内容的互动，完成从“以教师为中心”到“以学生为中心”的个性化教学转变，提高学生分析实际工程问题的能力，实现低成本、高效率的工业机器人产品制造的工程实践能力。
