本实验项目适应我国“十四五”期间智能制造呈多维度持续推进需求，且具有人机协同控制机理的自动化生产线是实现智能制造的基础，以培养具有专业胜任能力和社会适应能力的创新应用技术人才型为目标，坚持“学生中心、产出导向、持续改进”的教学理念，按照“虚实结合、以虚补实”的原则，选取工业机器人轨迹规划及人机协同评判，采用3D建模、协同评判、人机交互等技术自主研发了工业机器人轨迹规划及人机协同评判虚拟仿真实验，如图1（a）所示，目前实验浏览量已近33000人次，图1（b）所示，虚拟实验界面类似真实的环境，有助于加快推进智能制造业高质量发展进程。

（a）

（b）

图 1 校级虚拟仿真中心教学现场显示照片截图

1 必要性及实用性

本实验项目属于机械类学生课程体系中必须的课内实验教学基本单元之一，其不能用真实实验就很方便开展的，而且也不是用视频、动画、课件等非虚拟仿真手段就能达到课程教学目标的，具体说明如下。

解决真实实验难于具备和开展问题：自动化生产线系统协同控制受约因素多，难以通过自动化生产线的实体进行多因素协同控制实验。在实现数字化、网络化、智能化作业中，人机协同控制机制至关重要，其有利于学生对理论的理解和创新能力的提高。该虚拟仿真实验项目逼真再现多工序等虚拟实验场景，通过调整生产节拍等相关参数，完成人机协同设置，掌握自动化生产线协同控制机理；通过自动化生产线协同控制效果评判，完成协同控制参数设置，动态漫游生产线运行效果。

解决高成本、高危问题：造价400万左右的智能制造实体实验室主要是实现自动化生产流程操作演示，不具备人机协同控制及评判实验功能；工业机器人及其维修成本高，本实验虚拟3KG的ER3工业机器人市场价8万元左右，一个班级大约40人，很难为学生提供人均1台3KG的ER3工业机器人进行结构拆装和轨迹规划（即示教），需要解决高成本问题。工业机器人实际示教过程不允许出现碰撞发送，否则会产生事故，但实际上工业机器人通过示教实现轨迹规划操作中会产生不及时避障而撞击设备或人员，造成学生实际操作过程中的人安全事故隐患，存在不可控以及高危险性，需要解决高危问题。该虚拟仿真实验项目解决了高成本、高危问题。

解决高消耗、不可逆问题：学生需要反复认知示教器和通过示教器进行工业机器人示教，单台3KG的ER3工业机器人实际功率为0.8KW，需要解决高能耗问题；实际自动化生产线及入库等各个环节生产节拍的人机协同设计需要不断试运行，需要解决浪费工时和造成产品报废问题；工业机器人本体结构不断拆装练习容易造成损坏设备而无法复原，需要解决不可逆问题。该虚拟仿真实验项目解决了高消耗、不可逆问题。

本项目产生的实用性效果如下。

① 提高了人才培养质量

本项目的开发突破了时间和空间的限制，学生可以随时随地进行实验。学生与虚拟环境、设备和材料进行互动，不仅能把课堂中所学的知识应用于虚拟实验中，而且激发了学生对专业的热情和兴趣，同时，软件中设有协同控制效果提示功能，虚拟示教等学生可以反复进行练习。本实验项目的应用，大大提升了学生分析和设计复杂自动化生产线系统设计的能力。虚拟实验环境里工业机器人的虚拟示教和自动化生产线协同控制及结果评判，练就了学生的熟练驾驭自动化生产线的能力，提高学生学习效果，全面提升了人才培养质量。

② 推动了实验教学模式的改革

教师利用虚拟实验平台进行应用型教学，教学模式从传统课堂教学扩展为设计型综合教学，落实“学生中心、产出导向、持续改进”教学理念，“教师主导+学生主体”的“331”双通道教学模式（即：教师采用启发式创新、互动式讨论、任务式驱动的“三阶段”引导，学生进行沉浸式认知、交互式练习、自主式设计的“三阶段”体验，对学生实验前、实验中、实验后全过程的“一过程”评价），从“以教为主”转变为“以学为主”，克服了填鸭式的弊病；从“以课内为主”转变为“课内外结合”，强调课外自助餐式的学习；从“以结果考核为主”转变为“结果和过程结合”，激发学习者的自主性，有利于全面培养学生解决和分析复杂工程问题的能力，提高学生的综合素质，每个实验步骤有目标达成度赋值模型，有助于达成评价课程目标和毕业要求。

③ 提升了教学和学习效率

在虚拟仿真实验中，学生与虚拟环境、设备进行互动，不仅能把课堂中所学的知识应用于虚拟实验项目中，而且激发了学生对专业的热情和兴趣，大大提升

了教学效率和学生学习效果。如图3-1-1所示，其本虚拟仿真实验教学课堂。

图2  虚拟仿真实验教学课堂

④ 降低了教学成本

本项目构建了一个类似真实的环境，目前支持并发访问不设上限，解决了现实实验室中无法接收高频次、大批量的学生参与实验或实习的难题；也解决了学生无法人均一台工业机器人进行反复示教实验，无法对自动化生产线协同控制进行反复调整测试等问题。使学生足不出校就能观摩和体验现代自动化生产系统的运行和控制。同时，学生通过与虚拟的实验对象和实验设备进行互动，大大节省了实验设备的购置费用。

⑤ 共享了教学资源，拓展服务社会效果

该项目可通过互联网访问使用，能够方便地开展大范围班级实验，并向高校和社会开放。目前，该虚拟仿真教学资源不仅惠及自动化专业的师生，也支持了我校机械设计制造及自动化、机器人工程等其它相近专业的虚拟仿真实验教学。

该项目不仅供本校学生使用，还与埃夫特智能装备股份有限公司、芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司、芜湖哈特机器人产业技术研究院有限公司等机器人战略性新兴产业合作共享，用户认为 “作为机器人产业技术研究院有限公司，已将该虚拟仿真项目应用到公司技术人员的研发培训，以及公司产品客户使用操作培训中”、“希望双方继续保持合作，在‘产教融合’大背景下，开展更多相关虚拟仿真项目推广合作”。

2 教学设计的合理性

本实验包括4个模块。其中模块1工业机器人虚拟拆装，模块2工业机器人轨迹规划，模块3生产线协同控制评判，模块4产品装配及入库。每个模块包含2个或3个知识点，4个模块层层递进，环环相扣，有机连接成一个从认知到操作再到协同的有机整体。每个模块挖掘课程思政元素，模块1中融入“爱国主义精神”等，模块2中融入“安全意识和节约能源”等，模块3中融入“团队精神”等，模块4中融入“人生价值观”等，落实“立德树人”根本任务，培养能够独立从事自动化及其相关领域的生产制造、系统运行等方面工作的高素质应用型工程技术人员。本教学设计合理性主要体现如下。

① 激发学生学习兴趣

在虚拟环境中，学生直观识别各种自动生产线装置，并协同控制自动生产线生产节拍的运行状态，能够立体生动地漫游到自动化加工工艺设置，能够针对工业机器人工作路径的任务进行设计，对协同控制效果进行评判，提醒是否需要进行参数重新设置。这种直观、实时和高参与度互动的特点激发了学生进行工业机器人轨迹规划设计和自动化生产线生产节拍协同控制的兴趣。

② 提升了学生的自主学习能力

虚拟仿真实验解决了示教器示教碰撞设备等高危险性安全实验问题，也解决了高成本、高消耗、不可逆等问题，在虚拟环境中，学生可以使用虚拟示教器反复进行示教实验，这种灵活的方式，既能深化对已有理论知识的理解，又能够培养学生养成主动掌握知识和不断反思的习惯素养，还能推动学生将理论知识应用于实践解决工程问题的能力。在实验过程中，学生学习有获得感，学生的自主学习能力不断得到提升。

③ 培养学生的创新能力

本实验设计了协同控制模块，每一步都设计步骤目标和合理用时，需要经过学生的思考才能完成，每个学生的实验时间和设计内容不完全相同，构建了详细可行的目标达成度赋分模型。该实验能够充分发挥学生在实验中的能动性，激发学生的学习兴趣和潜能，促进学生积极思考和勇于探索的精神，培养学生的创新能力。

④学生不受时间和空间限制

本实验可以使学生不受时间和空间限制，学生沉浸其中，能够根据自己时间随时进行实验，大大缩短了实验周期；如图3所示，既可以在虚拟仿真实验室老师指导下进行，也可以根据自己熟练程度，学生选择在图书馆、校园内进一步强化虚拟实验项目训练。

            

（a）虚拟仿真实验室                                                                    （b）图书馆

         

（c）校园一                                                                                                      （d）校园二

图3 学生在图书馆、实验室及校园做虚拟实验

3 实验系统的先进性

本项目在360度全景展示的基础上创建了以实际智能制造生产线为参照的虚拟场景，运用三维建模、动画等技术手段，再现和高度仿真了自动化车间，使实验场景和实验对象更直观形象。

① 强化实验原理学习效果

通过模型结构拆装及其各关节运动操作，掌握工业机器人的结构、坐标系和作业原理；通过虚拟示教，实现加工零件的抓取、放置、避障作业的轨迹规划，掌握工业机器人示教原理，学生可反复示教；通过调整生产节拍等相关参数，完成人机协同设置，掌握自动化生产线协同控制机理；学生通过鼠标“点击”、“拖曳”和键盘操作实现虚拟仿真实验中各步操作，学生如同亲临实境，漫游互动。

② 拥有多项自主知识产权

我校拥有本虚拟仿真实验软件的自主知识产权，如图4所有，同时拥有“基于Unity的工业机器人虚拟装调系统”相关软件和“一种基于虚拟仿真体验的机器人示教方法”相关授权发明专利等多项自主知识产权。

图4 本虚拟实验项目相关的自主知识产权

③ 不断升级实验系统

前期有安徽省高等学校省级质量工程虚拟仿真实验教学项目（机械制造虚拟仿真实验教学项目2018xfsyxm002，已结题），提供了研究基础；2021年在获得参加第二轮国家级一流本科课程推荐但未通过认定期间，已经过两个完整教学周期的改革实践；2023年获批省级虚拟仿真实验教学一流课程“工业机器人轨迹规划及人机协同评判虚拟仿真实验”，支撑其参加第三轮国家级一流本科课程推荐认定；并从以下几个方面进行进一步修改完善。

实验步骤中说明操作提示指导性更强，入库实验中操作提示“请移动至场景中货架方向高亮位置”，修改为“按图示红色箭头指示，按‘WSAD’键进行键移动和漫游，直至场景中货架方向高亮位置，再用‘WSAD’键进行微调，直至出现‘播放虚拟装配’对话框”，对比如图5（a）和（b）所示。

（a）修改前

（b）修改后

图5 实验操作提示

系统采用B/S、C/S 架构相结合的架构方式。通过B/S 架构，用户访问管理平台，查看相关功能（软件列表，课程列表）和统计信息（学习记录，考试成绩），并启动3D 仿真项目，教师通过仿真程序教师端（C/S 架构），管理学员和试题，对仿真系统进行部署和维护。通过3D 仿真技术实现虚拟教学仿真。3D 引擎在Windows 平台下通过DirectX 技术实现3D 渲染。

通过关键帧和序列帧动画制作3D 动画。通过计算机图形学（实时阴影，光照贴图，凹凸贴图等）和计算几何学（碰撞检测、射线检测、刚体、流体模拟等）等实现现象仿真。通过后台模块化模型的搭建和链接实现数据仿真。通过VR和动作捕捉技术，实现增强虚拟化变现和交互性。采用Unity3d 作为3D 引擎，采用C#语言并通过Visual Studio 工具进行程序开发。通过SVN、Microsoft Project 等工具进行程序版本控制和项目管理。通过AdobeFlash 进行二维动画或互资源的制作，通过使用AS 语言进行编译。通过Maya、3D Max 等工具制作仿真资源（模型、贴图、动画）。通过图形化建模平台来制作后台数据模型。

优化云渲染，提高实验加载速度；进一步完善考核模式中考核内容，针对“考核主要以理论为主，互动交流较少”问题，增加每个实验步骤的实验目的和实验操作内容等考核。