劉凌云++羅敏+李慧玲+吳岳敏

摘 要：本文結(jié)合我校自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)方向，以“工程型人才培養(yǎng)”為主導(dǎo)思想，對(duì)機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容及方法所做改革和探索進(jìn)行了描述，課程改革中強(qiáng)調(diào)教學(xué)的“工程”與“實(shí)踐”性，將學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)貫穿于機(jī)器人教學(xué)的全過(guò)程，實(shí)踐表明，改革后的機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法能有效提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人教學(xué)；工程實(shí)踐；創(chuàng)新能力

G642.0；TP242-4

作為具有鮮明汽車行業(yè)背景的地方院校，我校的人才培養(yǎng)定位是為汽車工業(yè)生產(chǎn)第一線培養(yǎng)高級(jí)工程應(yīng)用型人才。針對(duì)這一總的指導(dǎo)思想，我校自動(dòng)化專業(yè)明確提出以汽車生產(chǎn)自動(dòng)化作為專業(yè)方向，把培養(yǎng)和造就綜合素質(zhì)高、工程創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力強(qiáng)的工程應(yīng)用型人才作為本專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，在人才培養(yǎng)計(jì)劃、課程設(shè)置等方面大膽的進(jìn)行改革與探索，突出數(shù)控系統(tǒng)與工業(yè)控制方面的工程訓(xùn)練內(nèi)容及培養(yǎng)方向，形成機(jī)械基礎(chǔ)—PLC技術(shù)—數(shù)控技術(shù)及編程—典型數(shù)控系統(tǒng)及應(yīng)用—工業(yè)機(jī)器人工程應(yīng)用為主線的汽車生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)系列課程。

尤其是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，成為制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中主要的機(jī)電一體化設(shè)備，與PLC、數(shù)控技術(shù)并列成為當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的三大支柱[1]。為了適應(yīng)這種社會(huì)需求的變革，在高等院校中開設(shè)相關(guān)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用的課程和實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和工程意識(shí)[2]。

結(jié)合我校自動(dòng)化專業(yè)在機(jī)器人課程方面所做的改革與實(shí)踐，本文就課程內(nèi)容的更新、實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的提煉等進(jìn)行探討，以期進(jìn)一步完善和優(yōu)化機(jī)器人教學(xué)課程內(nèi)容。

一、機(jī)器人課程教學(xué)情況

國(guó)內(nèi)許多高等院校都已開展了機(jī)器人教學(xué)工作，開設(shè)的專業(yè)也較廣，且課程教學(xué)以理論為主，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)相對(duì)較少，大多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)甚至為零[3]。

我校自動(dòng)化專業(yè)于2006年開設(shè)《機(jī)器人技術(shù)導(dǎo)論》課程，盡管在教學(xué)內(nèi)容上反映當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，在教學(xué)方法上從興趣方面引導(dǎo)學(xué)生積極自主地學(xué)習(xí)，同時(shí)借助于多媒體技術(shù)，特別是講解機(jī)器人數(shù)學(xué)建模時(shí)，結(jié)合動(dòng)畫和錄像演示以增強(qiáng)教學(xué)的時(shí)效性；但教學(xué)環(huán)節(jié)上偏重于教師的講授，學(xué)生獨(dú)立思考欠缺、無(wú)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容工程實(shí)踐性不強(qiáng)。且本門課程涉及面廣、知識(shí)復(fù)雜、公式繁多、內(nèi)容抽象，理解困難就成為歷屆學(xué)生對(duì)該課程的共同印象。

二、課程建設(shè)與改進(jìn)的思考

1.教學(xué)內(nèi)容的更新

依據(jù)我校自動(dòng)化專業(yè)本科生的培養(yǎng)目標(biāo)，且在技術(shù)性層面上最大限度的體現(xiàn)理論和生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，我校自動(dòng)化專業(yè)將機(jī)器人課程名稱更改為《工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)》，為配合該課程改革，本專業(yè)先后購(gòu)置兩套工業(yè)機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：帶激光焊縫跟蹤的Motoman Up6弧焊工業(yè)機(jī)器人及FANAC智能工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

課程授課學(xué)時(shí)在原有的30學(xué)時(shí)理論教學(xué)基礎(chǔ)上增加了6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；且在課程教學(xué)大綱上作了相應(yīng)的更新，理論教學(xué)內(nèi)容圍繞實(shí)驗(yàn)室的Motoman Up6工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行增補(bǔ)和刪減：①在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)章節(jié)的講解中，以Motoman Up6工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)為對(duì)象，將重點(diǎn)放在前向運(yùn)動(dòng)學(xué)原理與計(jì)算中；②在操作臂的控制這一章節(jié)中將授課重點(diǎn)放在機(jī)器人控制器硬件體系及軟件架構(gòu)上。③在傳感器原理講述中，應(yīng)側(cè)重于目前機(jī)器人系統(tǒng)中應(yīng)用較多的一些傳感器，如光電碼盤、電位計(jì)和機(jī)器視覺(jué)，并增加機(jī)器視覺(jué)案例分析：激光焊縫跟蹤系統(tǒng)/攝像機(jī)二維位姿檢測(cè)在機(jī)器人弧焊或上下料中的應(yīng)用；④在機(jī)器人軌跡規(guī)劃和編程章節(jié)，增加了與Motoman工業(yè)機(jī)器人配套的離線編程軟件Rotsy應(yīng)用的講解，便于后續(xù)試驗(yàn)項(xiàng)目的開展。

同時(shí)，在教學(xué)方式上增加了現(xiàn)場(chǎng)講解環(huán)節(jié)。為了讓學(xué)生們能夠更好地理解和掌握機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)，我們把部分課堂環(huán)節(jié)改在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，以真實(shí)的Motoman Up6工業(yè)機(jī)器人為例，講解機(jī)器人的關(guān)節(jié)、連桿、坐標(biāo)系、D-H建模、正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)。這種教學(xué)方式直接、直觀、便于理解，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)做到了理論與實(shí)際有機(jī)結(jié)合。

2.機(jī)器人技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)

為了鞏固工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)理論知識(shí)和加深對(duì)理論認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)的高素質(zhì)工程技術(shù)人員，我校自動(dòng)化專業(yè)先后購(gòu)置兩套工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如圖1所示）：帶激光焊縫跟蹤的Motoman Up6弧焊工業(yè)機(jī)器人及FANAC智能工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，并且對(duì)本課程相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容及方法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

其中弧焊工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)由標(biāo)準(zhǔn)型工業(yè)機(jī)器人Motoman Up6、工件變位機(jī)、兩套末端執(zhí)行器（CO2保護(hù)焊系統(tǒng)、氣動(dòng)V型夾爪）及Meta視覺(jué)系統(tǒng)公司的激光定位系統(tǒng)等組成，另外購(gòu)置了兩套配套軟件：機(jī)器人離線編程軟件Rotsy和機(jī)器人通訊軟件Motocom32，由此構(gòu)成了一個(gè)完整的機(jī)器人工作站，可用于弧焊機(jī)器人焊接跟蹤、作業(yè)對(duì)象位姿檢測(cè)。目前，在該機(jī)器人平臺(tái)上已開出的本科生實(shí)驗(yàn)有：①M(fèi)otoman Up6機(jī)器人虛擬仿真及離線編程實(shí)驗(yàn)；②工具/工件坐標(biāo)系的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)；③復(fù)雜構(gòu)件三維空間模擬點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)；④復(fù)雜構(gòu)件三維空間連續(xù)焊接（帶焊縫跟蹤功能）實(shí)驗(yàn)；⑤車身噴涂軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)。

FANAC智能工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)以白車身沖壓生產(chǎn)線的自動(dòng)上下料為控制對(duì)象，由PLC控制沖床及自動(dòng)輸送線的動(dòng)作，工業(yè)機(jī)器人根據(jù)智能相機(jī)檢測(cè)反饋的白車身位姿偏差量對(duì)工具控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)糾正，以適應(yīng)對(duì)輸送線上處于任意位姿的工件進(jìn)行抓取。該系統(tǒng)能從控制系統(tǒng)集成、工業(yè)機(jī)器人及機(jī)器視覺(jué)幾個(gè)大方向開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，目前已開出的綜合實(shí)驗(yàn)有：①工業(yè)機(jī)器人與PLC之間數(shù)據(jù)交互及應(yīng)答通訊；②為滿足各子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)動(dòng)作，進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序及PLC控制程序設(shè)計(jì)；③基于機(jī)器視覺(jué)的零件位姿/尺寸測(cè)量及缺陷檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)；④基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)器人自適應(yīng)抓取工件程序設(shè)計(jì)。

這些綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置，充分體現(xiàn)了與工程實(shí)踐相結(jié)合的的特點(diǎn)，大大豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的案例內(nèi)容。

實(shí)踐證明這種以工業(yè)機(jī)器人作載體，形成理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、積極性及創(chuàng)新思維，提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和工程創(chuàng)新意識(shí)，使學(xué)生們對(duì)于機(jī)器人課程有了一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和理解。

同時(shí)，利用該“工業(yè)機(jī)器人教學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)”結(jié)合東風(fēng)汽車公司各專業(yè)廠的工程實(shí)際項(xiàng)目，有效的指導(dǎo)本專業(yè)部分學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，例如：“汽車前懸梁架工業(yè)機(jī)器人焊接的研究與實(shí)現(xiàn)”、“工業(yè)機(jī)器人激光焊縫跟蹤子系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”、“視覺(jué)機(jī)器人手眼系統(tǒng)標(biāo)定算法研究”等畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的開展，學(xué)生既可以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)了解實(shí)際工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的工作原理及運(yùn)行狀況，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的不足提出改進(jìn)意見、制定方案并進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)室工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)上加以演示和驗(yàn)證，使學(xué)生在訓(xùn)練中學(xué)會(huì)如何將知識(shí)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)我校自動(dòng)化專業(yè)機(jī)器人課程理論、實(shí)踐教學(xué)的改革進(jìn)行了探討，力圖最大限度的將大學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)、訓(xùn)練和形成以及工程創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)貫穿于機(jī)器人教學(xué)的全過(guò)程，本教學(xué)項(xiàng)目的研究和實(shí)施，為培養(yǎng)“工程應(yīng)用”型人才探索出了一條可行的道路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郗安民，劉穎，陳工，馬祥華等. 工業(yè)機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)工作站[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2001：18（5）： 17-20.

[2] 萬(wàn)佑紅，蔣國(guó)平.機(jī)器人教育與大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2005：27（4）： 6-9.

[3] 戰(zhàn)強(qiáng)，閆彩霞，蔡堯. 機(jī)器人教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2010：20（3）：144-146.

[4] 張國(guó)民，張劍平. 課程視角下的機(jī)器人競(jìng)賽輔導(dǎo)研究[J].中國(guó)電化教育，2008，262（11）：92-94.

[5 ] 胡蓉，蔣海燕. 構(gòu)建“機(jī)器人”教學(xué)平臺(tái)完善工程訓(xùn)練創(chuàng)新與實(shí)踐教學(xué)體系[J]. 決策管理2008，1：73-74.

[6] 李鳴華. 機(jī)器人教育的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電化教育， 2007，247（8） ：98-101.

作者簡(jiǎn)介：劉凌云，男，湖北荊州人，副教授，研究方向：機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器人應(yīng)用研究；E-mail：270228224@qq.com ；羅敏，男，教授，研究方向：數(shù)控技術(shù)等。