摘要：研究了当前全球经济持续低迷背景下高校1+X型机器人实验实训平台升级之路。通过分析此类平台升级困境，明确虚实结合是促进平台升级和教法创新的一种较好方法。该方法已应用在机器人实践教学中。但由机器人仿真软件建立的应用场景难以满足1+X型机器人教学平台对其普适性和高效性的要求。为此，基于虚拟以太网通信技术，将应用场景搭建与机器人离线编程的仿真环境分离，把机器人虚拟控制器和PLCSIM设置为场景模型的外部设备，使同一应用场景能被不同品牌机器人仿真软件使用；通过构建仿真模型库，快速组建多种应用场景。以南京晓庄学院1+X型KUKA机器人实物平台为例，对其升级增效途径进行了探索实践，形成了一种“以虚为主，以实为辅”的实践教学新模式，有力提升机器人专业人才培养质量。

　　关键词：1+X型机器人教学平台；虚实结合；联合虚拟仿真；升级

　　0引言

　　一台工业机器人装接不同作业工具，能完成不同工程应用，具有通用性好、工况适应性强的优势，显著改善作业效率和强度，成为赋能现代产业升级的重要技术手段[1]。面对各行各业对应用型机器人技术人才的大量需求，工科型高校纷纷创办了机器人专业和实验实训室，部分学校还投入巨资建设了机器人实训中心（基地）[2-3]。相比其他专业，机器人专业教学设备价格昂贵、占地面积大。因此，大多实验实训室和基地都优先选配了1+X型机器人实验实训平台（简称1+X型机器人教学平台）。这类平台隶属综合型教学设备，对塑造学生专业知识综合应用能力和创新能力极为重要。但此类平台数量有限、系统集成度高，其实践教学成效至今仍是机器人专业教学革新的研究焦点[4-6]。尤其在当前全球经济持续低迷的背景下，如何以节约化途径实现1+X型机器人教学平台提质增效，是国内高校机器人专业教学革新中一个非常值得探究的问题。

　　1升级困境

　　1.1平台运维改造困难

　　1+X型机器人实物平台是一种由1套基础平台和X种作业功能模块库组建的教学平台。其中，公用基础平台主要包括1套工业机器人、防护围栏和用于外围集成的PLC控制系统；功能模块库包含了X种作业的功能模块组件。针对一种作业实训，在公用基础平台基础上，仅需从功能模块库中选取相应功能组件，便可构建所需工作站。它充分发挥机器人本体“一机多用”的功能，节省工业机器人用量和场所用地；其弊端是每种作业模块需要不同执行机构，导致平台系统构成和技术要素相当复杂。而且每个学校专业建设规划也不同，1+X型机器人实物平台的建造几乎属于定制模式。这些给平台的后期运行维护和改造升级带来很大困难。

　　通过近十年的教学实践与走访多所兄弟院校，发现这类实物平台普遍缺少有效运维机制，教学故障时有发生。故障一旦发生后，往往不能及时维修，且维修成本较高，导致平台部分功能丧失，甚至濒临淘汰边缘，严重影响实践教学质量。随着机器人应用领域的不断扩大，新型工程需求日益增多。针对不同工程应用尽管可用同款机器人本体，作业功能模块仍需全新设计。“一项工程应用，一次全新设计”。依托已有1+X型机器人实物平台难以开展新方案的探索研究。以设备硬件的持续更新来满足企业发展的动态需求，则需要耗费巨大的财力和资源。

　　1.2升级技术亟须完善

　　工业机器人作为一种高端的智能制造装备，其跨学科技术集成，使得1+X型教学平台升级难度急剧增加。为了突破1+X型机器人实物平台的升级困境，国内学者进行了大量研究。李显等[7]以S7-1200 PLC为控制核心，采用多种通信方式，搭配多种功能模块，设计了一种自适应多种类型工业机器人的多功能实训设备。张晓芳[8]针对平台建设投入大的问题，提出采用半实物半仿真的方法，建立由实物机器人和仿真机器人共构的多机器人加工检测协作自动线。郑林等[9]针对实验资源有限、试错成本高的问题，利用EtherCAT技术开发了一种机器人实验平台，使多款机器人设备能快速接入此平台。李向阳等[10-12]利用机器人专用仿真软件搭建了虚拟仿真平台，很好地解决了实物平台数量过少阻碍教学正常开展的问题。

　　然而，详细分析上述研究成果会发现，多功能的实训设备尽管能匹配多家品牌机器人，对实物设备数量的要求仍较为可观；半实物半仿真的升级方法虽能大幅度降低线体建造成本，但它仅涉及一种工艺产品。显然，虚拟现实已成为1+X型机器人教学平台升级的一种较佳选择。目前许多学者针对某种机器人实验实训平台虚实结合进行了探索实践，取得了不少阶段性研究成果，但围绕1+X型机器人教学平台的研究报道甚少[13-14]。由于每款机器人仿真软件几乎无兼容性，不同品牌机器人即使使用完全相同场景模型，也需要在各自仿真软件中重新建模。这既浪费已有场景资源，也不便于利用建立好的机器人仿真平台开展其他品牌机器人的学习。

　　2升级新思路

　　综上所述，“虚实结合”给1+X型机器人教学平台升级带来了新的机遇和挑战。基于特定品牌机器人仿真软件建立实物的仿真平台，在高职实践教学中已取得良好效果[15]。本文旨在培养机器人及其系统集成的设计研发工程师，亟须掌握多种品牌机器人的性能与集成，在一定程度上则更加依赖于兼容多品牌机器人的仿真平台。得益于现代计算机仿真技术的发展，机器人离线编程、PLC控制、机器视觉等仿真软件用于二次开发接口日益丰富，使基于虚拟网络通信的联合虚拟仿真成为可能[16-17]。

　　鉴于此，本文以虚实结合为抓手，充分融合虚实平台各自优势，以多套仿真平台为主体，承担主体内容教学，以仅有的一套或几套的实物平台开展验证性教学，构建一种“以虚为主，以实相辅”的实践教学新模式，如图1所示。建立此仿真教学平台时，运用虚拟以太网通信技术，将应用场景搭建与机器人离线编程的仿真环境分离，把机器人虚拟机和PLCSIM设置为场景模型的外部设备，使同一应用场景能被不同品牌机器人仿真软件使用，如图2所示。参照实物教学平台，构建“积木式”仿真模型库，由此快速组建多种应用场景。完成本文的1+X型机器人教学平台升级之路。

　　调研得知，杭州维讯机器人公司自主研发的智能化仿真软件（Smart Facotry Builder，SFB）中的场景模型经通信方式能够接受来自外部设备的控制。这个外部设备可以是真实设备，或虚拟设备。由此类推，若在SFB中建立机器人工作站的场景模型，通过配置相应通信协议，便能接受来自外界机器人控制器、PLC控制器等外设的实时控制。SFB可为应用场景建模和机器人离线编程仿真环境的分离提供可靠技术支持。

　　3升级实践

　　以南京晓庄学院1+X型KUKA机器人实物教学平台为例，对其升级进行了探索与实践。

　　3.1平台概述

　　图3为KUKA机器人实物平台，其基础平台是由1套KR6机器人、操作台与控制柜一体化的作业台、安全围栏和用于外围集成的西门子PLC控制系统组成；功能模块库主要包括用于轨迹训练、装配、码垛、涂胶、模拟机床上下料所需的各种功能模块（图3（b）），可采用KR6机器人控制器或S7-1200 PLC进行系统集成，能开展多项实训教学。

　　3.2构建仿真模型库

　　由图1可知，利用SFB构建仿真模型库，需依据基础平台和功能模块库分别建立公共仿真平台和功能模块仿真库。其中公共仿真平台包含多个品牌机器人模型，它们源自机器人制造商提供的真实模型。制作其他场景模型时，运用产品仿真建模技术，首先测量实物模块中的单体零件，按1∶1比例，在SolidWorks中建其三维模型，依此创建功能模块组件装配模型；在维讯公司协助下，对每个装配组件配置模型属性，使其成为SFB软件中可控的场景模型。最终构建的“积木式”功能模块仿真模型库如图4所示。

　　图4的功能模块仿真模型库采用1∶1的定制方式，因而能组建与实物平台对应的多套仿真教学平台。它既方便推行“以虚为主、以实为辅”的教学新模式，又能并行开展多种实训教学。对于新建的仿真工作站，当需要相同功能模块场景模型时，从仿真模型库中直接调用；对于功能类似的模块，使用三维造型软件参数化设计功能，对场景模型的源模型编辑即可。这既能大大提高场景模型的使用效率，也让学生腾出大量时间从事新型功能模块的创新设计。仿真模型库具有开放性，可随时融入各种新应用模块的场景模型，即插即用，有望被建成海量模型库，为教学和科研提供全方位支持。

　　3.3构建基础训练仿真工作站

　　工业机器人现场操作与编程，是机器人专业学生的必备技能。目前此项技能的实践教学因设备数量的影响，通常分组进行，使个体学习效果难以保证。为了降低对实物设备数量的依赖，在SFB中通过添加公共仿真平台，选配一个顶尖、一个轨迹工具和一个平面轨迹单元场景模型，建立一种基础训练仿真工作站（图5）。通过配置SFB软件与KUKA机器人虚拟机通信协议（图6），此虚拟机中的虚拟示教器（图7）便可对仿真工作站场景模型进行控制，从而实现SFB场景模型与KUKA机器人虚拟机的联合仿真。

　　可见，这样使每位同学能拥有一套基础训练仿真工作站，可根据自身需求有针对性地练习所需技能。当学生们熟练操作仿真平台之后，分组操练实物平台，通过实物平台考察仿真平台的学习效果。其中KUKA虚拟机是库卡公司开发的专用仿真软件，既集成了机器人虚拟控制器，还拥有与真实示教器几乎一致的仿真示教器，用它对1∶1的场景模型进行控制编程，编好的程序可以直接下载到实物平台上使用。这种“多虚一实”结合模式，能很好地保证每位同学的学习效果。

　　3.4构建专项训练仿真工作站

　　为了培养学生对机器人专用工作站的运维与开发能力，KUKA机器人教学平台可建构装配、码垛、上下料等专项仿真工作站（图8）。以模拟机床上下料仿真工作站（简称上下料仿真工作站）为例，它采取三爪卡盘加工单元和自动门单元模拟真实机床，由KR6机器人进行上下料，实现缸体零件的全自动加工。该工作站除基础平台外，还包括自动供料单元、皮带输送单元、物料检测传感器、自动门单元、三爪卡盘加工单元、桌面立库等功能模块。本站采用S7-1200 PLC对KR6机器人周围设备进行系统集成控制。

　　构建上下料仿真工作站时，基本操作类似于基础训练仿真工作站。首先建立公共仿真平台，然后从仿真模型库中调用各功能模块的场景模型，按照在实物工作站中的实际位置进行大致摆放，建立好的应用场景模型如图8所示。此时SFB中的加工应用场景是采用KUKA机器人虚拟机和PLCSIM两种外设进行联合控制。因此要分别定义SFB与KUKA机器人虚拟机和PLCSIM的通信协议（图6、图9），并进行相应的信号映射。由SFB、KU⁃KA机器人虚拟机、PLCSIM对上下料仿真工作站执行联合虚拟仿真。在此仿真工作站上，学生们可练习设计模拟机床上下料程序流程图、程序框架和抓取点/放置点，规划KR6机器人搬运工件的运动轨迹，示教关键点，编写离线程序，观察虚拟仿真运行结果等。

　　3.5构建由站组线的全仿真自动线

　　为顺利开展机器人自动线教学，充分发挥1+X型KUKA机器人教学平台“自我造血”功能，探索研究了由站组线的全仿真自动线。针对中小型制造企业“孤岛”生产的现状，基于1+X型KUKA机器人仿真教学平台，设计了一条由上下料工作站与装配工作站构成的加工装配仿真线，能自动实现上料、加工、装配、入库等操作，完成缸体与缸盖的加工和装配。两站之间设有一辆AGV小车，载运工件进行远距离传递。因仿真库中已纳入ABB 120机器人仿真模型，故尝试选择该品牌机器人建立这条全仿真线，如图10所示。

　　在ABB RobotStudio仿真软件中，一个项目能制作多台机器人控制器和虚拟示教器。当设置好SFB与Robot⁃Studio通信时，便可采用两台虚拟示教器分别对加工和装配的ABB 120机器人进行运动控制。创建加工装配仿真线时，首先设计AGV小车组件及其场景模型；其次，根据制定的加工装配工艺路线，进行上下料工作站、装配工作站、AGV小车的规划布局；接着，在SFB环境中完成了两台ABB 120机器人工具和工件坐标系的标定，设计了机器人机床上下料的轨迹和程序架构；最后编制程序并模拟生产运行。经初步仿真调试，本条自动线基本达到了预期的设计目标。此项研究不仅可为多机器人加工装配真实生产线的布局和研发提供了技术支持，也可为优化自动线生产过程和生产效率提供了验证平台。

　　4 KUKA机器人教学平台建设成效

　　KUKA机器人教学平台建设至今，已成功用于三届机器人班的《机器人建模与编程》《工业机器人仿真实训》两门课程的实践教学。在实践教学任务下发时，指导老师利用实物平台介绍教学内容，示范关键步骤和操作方法，使学生知晓相关知识点和操作流程，此阶段可线下现场教学，也可由实物平台制作的演示视频开展线上教学。在实践教学内容具体实施时，“以虚代实”，每位同学利用自己的虚拟仿真平台在指导老师辅引下独立完成。在实验实训考评阶段，分组进行实物平台实操，考查基于仿真平台的学习效果，弥补纯仿真平台教学存在的不足。通过近几年的教学实践，已形成一种“以虚为主，以实为辅”的实践教学新模式。

　　由于学生们基于“人手一台”仿真平台学习，在一次实验实训中可自主搭建装配、喷涂、上下料等任一种工作站（图11），或以不同品牌机器人完成相同实训任务，这使以学生为中心的OBE教学理念得到了很好的贯彻和落实。此外，1+X型KUKA机器人仿真教学平台还便于师生开展自主创新研究。迄今为止，机器人专业师生依托仿真教学平台申报了发明专利18项、实用新型69项，还完成了多篇优秀毕业设计和多项机器人大赛。教学团队依托KUKA机器人教学平台开展了十四五市级自动化一流专业建设点、智能制造产业学院等多项教科研研究，成功获批了江苏省农业自主创新课题项目一项。

　　5结束语

　　1+X型机器人教学平台集多种典型工程应用于一身，具有强大的“自我造血”功能，对保障专业人才培养质量“至关重要”，但其虚实结合方法的研究依然是现阶段机器人专业改革创新的热门课题。本文针对由机器人仿真软件建立的应用场景普适性和高效性不高的问题，基于虚拟以太网通信技术，分离应用场景搭建与机器人离线编程的仿真环境，把机器人虚拟机和PLCSIM设置为场景模型的外部设备，使同一应用场景能被不同品牌机器人仿真软件使用；通过建立“积木式”仿真模型库，快速组建多种应用场景。以南京晓庄学院KUKA机器人实物平台为例，重点针对其转型升级进行了探索实践，初步形成了一种“以虚为主，以实为辅”的实践教学新模式。本文研究成果对现役1+X机器人教学平台升级起到积极推动作用，同时对我国应用型本科教育启动的卓越工程师项目也能提供一定智力支撑。

　　[1]周济.智能制造—“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程,2015,26(17):2273-2284.

　　ZHOU Ji.Intelligent manufacturing—main direction of"Made in China 2025"[J].China Mechanical Engineering,2015,26(17):2273-2284.

　　[2]单以才,骆德云,武凯,等.“双高”背景下的高职院校专业实验室集群建设[J].实验室研究与探索,2020,39(3):224-228.SHAN Y C,LUO D Y,WU K,et al.The cluster construction of professional laboratories in vocational colleges under"double high"construction[J].Research and Exploration in Laboratory,2020,39(3):224-228.

　　[3]张建国.工业机器人实训基地的构建与探索[J].机械职业教育,2016(6):40-42.

　　[4]朱文华,史秋雨,蔡宝,等.基于RobotStudio的工业机器人工艺仿真平台设计[J].制造业自动化,2020,42(21):28-31.

　　[5]熊隽,陈运军,李刚.基于RobotStudio的仿真平台设计[J].机电工程技术,2020,49(8):129-130.

　　[6]王帅,吴成东,贾子熙,等.虚实结合的机器人实验教学平台设计与教学实践[J].中国现代教育装备,2021(7):69-72.

　　WANG S,WU C D,JIA Z X,et al.Exploration of experiment teaching model for the robot technology combined with virtual and reality[J].China Modern Educational Equipment,2021(7):69-72.

　　[7]李显,朱青松,吕世霞,等.基于多类型工业机器人的多功能实训设备设计[J].科技创新与应用,2021,11(22):100-102.

　　[8]张晓芳.半实物半仿真多机器人加工检测协作系统设计[J].实验技术与管理,2021,38(9):237-240.

　　ZHANG X F.Design of multi-robot processing and detection co⁃operative system based on semi-physical and semi-simulation[J].Experimental Technology and Management,2021,38(9):237-240.

　　[9]郑林,何岭松,陈驰.基于EtherCAT的机器人教学实验平台设计[J].实验室研究与探索,2021,40(5):9-13.

　　ZHENG L,HE L S,CHEN C.Design of robot teaching experi⁃ment platform based on EtherCAT[J].Research and Exploration in Laboratory,2021,40(5):9-13.

　　[10]李向阳,王俊.基于ROBOGUIDE的多功能机器人工作站设计与仿真[J].机械工程师,2020(9):107-108.

　　LI X Y,WANG J.Design and simulation of multifunctional ro⁃bot workstation based on ROBOGUIDE[J].Mechanical Engi⁃neer,2020(9):107-108.

　　[11]郝建豹,林子其,龚俭龙,等.在线工业机器人技术虚拟仿真平台的构建[J].实验技术与管理,2019,36(11):113-116.

　　HAO J B,LIN Z Q,GONG J L,et al.Construction of virtual sim⁃ulation platform for industrial robot technology under back⁃ground of"internet+"[J].Experimental Technology and Man⁃agement,2019,36(11):113-116.

　　[12]阚希,张红燕,曹海啸,等.智慧工厂+虚拟仿真混合式实践教学模式探索[J].新闻研究导刊,2023,14(24):54-56.

　　[13]童光耀,范飞.基于RobotStudio的智能制造产线虚实结合仿真平台实现[J].科技与创新,2024,(7):49-52.

　　[14]樊泽明,余孝军,王鹏博,等.面向工业机器人专业的混合式教学系统[J].高等工程教育研究,2021(6):183-189.

　　FAN Z M,YU X J,WANG P B,et al.A hybrid teaching system for industrial robot engineering education[J].Research in High⁃er Education of Engineering,2021(6):183-189.

　　[15]张小雪,李磊,苏合新.虚拟仿真教学在机械工程控制基础课程中的应用研究[J].装备制造技术,2021,(9):151-154.

　　ZHANG X X,LI L,SU H X.Research on Application of Virtual Simulation Teaching in Basic Courses of Mechanical Engineer⁃ing Control[J].Equipment Manufacturing Technology,2021,(9):151-154.

　　[16]吴绍坤,李瑞鹏,侯国琛,等.基于RobotStudio与PLCSIM的联合虚拟仿真平台研究[J].电工技术,2023(4):63-65.

　　WU S K,LI R P,HOU G C,et al.Research on joint virtual sim⁃ulation platform based on RobotStudio and PLCSIM[J].Electric Engineering,2023(4):63-65.

　　[17]刘大维,张国泉,李泽山,等.基于Unity3D的《工程制图》虚拟仿真实验平台设计及应用[J].机电工程技术,2022,51(9):26-31.

　　LIU D W,ZHANG G Q,LI Z S,et al.Design and application of virtual simulation experimental platform for engineering drawing based on Unity3D[J].Mechanical&Electrical Engineering Technology,2022,51(9):26-31.