丁力 周川 葉霞 單文桃 巢淵

[摘 要] 工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等技術(shù)于一體的先進(jìn)智能裝備，展示了一個(gè)國(guó)家的制造水平與科技水平。根據(jù)國(guó)內(nèi)嚴(yán)重缺乏機(jī)器人人才的現(xiàn)狀，提出了針對(duì)應(yīng)用型本科院校的大學(xué)生機(jī)器人應(yīng)用能力培養(yǎng)的研究，指出了開(kāi)展機(jī)器人技術(shù)培養(yǎng)的重要性，給出了機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室建設(shè)與理論教學(xué)的具體方案。大學(xué)生機(jī)器人應(yīng)用能力的培養(yǎng)應(yīng)采用理實(shí)一體化模式，將理論結(jié)合實(shí)踐，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)操能力，為應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供有力支撐。

[關(guān) 鍵 詞] 工業(yè)機(jī)器人；應(yīng)用型本科院校；實(shí)訓(xùn)室；理實(shí)一體化

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）13-0072-02

制造強(qiáng)國(guó)一定是人才強(qiáng)國(guó)。在黨的“十八大”明確提出人才是“提升國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力和綜合國(guó)力，為全面建設(shè)小康社會(huì)和實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興提供保障”的重要因素[1-2]。要實(shí)現(xiàn)從中國(guó)制造到中國(guó)創(chuàng)造的跨越，勢(shì)必要通過(guò)教育、培育等多種途徑完成從人力資源大國(guó)向人才強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。作為當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)與產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，智能機(jī)器人進(jìn)入了新的發(fā)展階段，正成為現(xiàn)代工業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的加速器[3]。這種發(fā)展不僅需要大量的機(jī)器人設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造等方面的高端人才，更需要為數(shù)眾多的使用、運(yùn)行、維護(hù)、維修、營(yíng)銷等方面的高素質(zhì)應(yīng)用型和技能型人才。然而，現(xiàn)階段我國(guó)大部分的應(yīng)用型本科院校都缺乏優(yōu)秀的機(jī)器人應(yīng)用能力培養(yǎng)的教學(xué)，甚至有些學(xué)校的培養(yǎng)方案與市場(chǎng)需求嚴(yán)重不協(xié)調(diào)。因此，在應(yīng)用型本科院校中探索機(jī)器人應(yīng)用能力的培養(yǎng)，為大學(xué)生創(chuàng)造與機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的創(chuàng)新思維訓(xùn)練、專業(yè)技能訓(xùn)練以及工程實(shí)踐訓(xùn)練的專業(yè)平臺(tái)，是值得我們認(rèn)真研究的。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者認(rèn)為要提高應(yīng)用型本科院校大學(xué)生的機(jī)器人應(yīng)用能力，一方面需要學(xué)校建立能夠培養(yǎng)學(xué)生機(jī)器人應(yīng)用能力的實(shí)訓(xùn)室或?qū)嵱?xùn)站，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際操作技能；另一方面應(yīng)該制訂一套適合于應(yīng)用型本科院校的機(jī)器人理論教學(xué)方案，方案注重理實(shí)一體化，凸顯應(yīng)用型院校的培養(yǎng)特色。另外，應(yīng)用型本科院校不僅要加大大學(xué)生機(jī)器人應(yīng)用能力的培養(yǎng)力度，不斷提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量，而且要兼顧到企業(yè)人員知識(shí)更新、技術(shù)提升的需要。

一、機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室的分類

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人應(yīng)用能力培養(yǎng)，實(shí)訓(xùn)室以現(xiàn)代化的工業(yè)機(jī)器人為主體，主要用于機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、伺服控制、軌跡規(guī)劃以及機(jī)器視覺(jué)等問(wèn)題的研究[4]。應(yīng)用型本科院校機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)可分為以下幾種形式：

（一）機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)室

機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)室的設(shè)備可采用當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域常用的ABB、KUKA、發(fā)那科、安川等國(guó)際知名品牌的工業(yè)機(jī)器人，并對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)集成與二次開(kāi)發(fā)，形成機(jī)器人實(shí)訓(xùn)柜、實(shí)訓(xùn)臺(tái)、實(shí)訓(xùn)站、實(shí)訓(xùn)線等貼近機(jī)械、汽車及電子等工業(yè)生產(chǎn)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，為學(xué)校的機(jī)器人教育、教學(xué)、培訓(xùn)及應(yīng)用技術(shù)的研究提供充足的條件。

（二）機(jī)器人虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室

機(jī)器人虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室以計(jì)算機(jī)為載體，由各大常見(jiàn)品牌機(jī)器人的手持示教盒與RobotStudio仿真操作軟件構(gòu)成。通過(guò)該實(shí)訓(xùn)室可以進(jìn)行多種機(jī)器人的認(rèn)知，熟悉機(jī)器人的編程、調(diào)試與運(yùn)行。同時(shí)，通過(guò)在虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室的學(xué)習(xí)能使學(xué)生絕對(duì)安全地操作機(jī)器人，了解機(jī)器人操作的內(nèi)在機(jī)理，這是一種安全、高效的學(xué)習(xí)模式。

（三）機(jī)器人拆裝與維修實(shí)訓(xùn)室

機(jī)器人拆裝與維修實(shí)訓(xùn)室是在工業(yè)6關(guān)節(jié)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行整機(jī)拆分、組成及維護(hù)。通過(guò)在實(shí)訓(xùn)室中的學(xué)習(xí)，可以系統(tǒng)性地學(xué)習(xí)機(jī)器人五大部件的內(nèi)部機(jī)構(gòu)，即機(jī)器人本體、減速器、控制器、傳感器、電機(jī)。

經(jīng)過(guò)以上實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)，學(xué)?？梢越ǔ珊C(jī)器人基礎(chǔ)認(rèn)知、基本操作、安裝、維護(hù)維修、編程調(diào)試等多功能需求的國(guó)內(nèi)一流的機(jī)器人實(shí)踐、實(shí)訓(xùn)基地。另外，各實(shí)訓(xùn)室之間可形成流水線式培訓(xùn)，由淺入深，從機(jī)器人的基礎(chǔ)培養(yǎng)過(guò)渡到仿真模擬，技術(shù)上具有連續(xù)性。由單體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)原理和示教器編程的學(xué)習(xí)，到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景的訓(xùn)練，使學(xué)生逐步掌握工業(yè)機(jī)器人安裝、操作、示教器編程與調(diào)試，集成應(yīng)用、日常維護(hù)的技能。學(xué)生畢業(yè)可滿足工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的技能要求，提高就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，快速適應(yīng)崗位。在實(shí)訓(xùn)中還可培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作、鉆研、踏實(shí)肯干的精神，樹(shù)立為社會(huì)多做貢獻(xiàn)的意識(shí)，為今后就業(yè)提供可靠保障。

二、機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室的實(shí)施方案

機(jī)器人應(yīng)用能力培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)可擬定為：（1）掌握串聯(lián)型工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及各部分組成的功能；（2）掌握串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理及控制方法；（3）掌握串聯(lián)型工業(yè)機(jī)器人的拆裝與維修；（4）掌握串聯(lián)型工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真及軌跡規(guī)劃。以江蘇理工學(xué)院為例，整個(gè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)訓(xùn)中心占地324平方米左右，分為三個(gè)實(shí)訓(xùn)室，具體的實(shí)施方案如下：

（一）機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)室實(shí)施方案

機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)室可以弧焊或打磨機(jī)器人為主，該機(jī)器人融合了機(jī)器人技術(shù)、焊接技術(shù)、打磨技術(shù)和系統(tǒng)工程。實(shí)訓(xùn)室可配置一臺(tái)6關(guān)節(jié)串聯(lián)型機(jī)器人、一臺(tái)2關(guān)節(jié)機(jī)器人變位機(jī)以及電源系統(tǒng)、焊槍、打磨頭等設(shè)備，可培訓(xùn)學(xué)生利用機(jī)器人完成焊接與打磨工序。

（二）機(jī)器人虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室實(shí)施方案

考慮到機(jī)器人設(shè)備昂貴的價(jià)格與場(chǎng)地的限制，在實(shí)訓(xùn)建設(shè)過(guò)程中不可能對(duì)同一種實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目投入較多設(shè)備。因此，需要借助虛擬仿真軟件解決學(xué)生數(shù)量多與機(jī)器人設(shè)備臺(tái)數(shù)少的矛盾。該實(shí)訓(xùn)室中可配備20～30臺(tái)PC機(jī)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)均安裝機(jī)器人離線編程軟件，依次控制同一臺(tái)機(jī)器人。這樣不僅可為學(xué)校節(jié)省財(cái)力與物力，還可以訓(xùn)練學(xué)生的軟件編程能力。

（三）機(jī)器人拆裝與維修實(shí)訓(xùn)室實(shí)施方案

機(jī)器人拆裝與維修實(shí)訓(xùn)可作為應(yīng)用型本科院校的一個(gè)培養(yǎng)特色。實(shí)訓(xùn)室可配置3～4臺(tái)廢舊的機(jī)器人本體，學(xué)生可按機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的連接順序依次拆分，并對(duì)拆分后的關(guān)鍵性零部件進(jìn)行打磨、拋光與涂油等維護(hù)性操作，最后再根據(jù)圖紙將整套機(jī)器人設(shè)備裝配好。通過(guò)在該實(shí)訓(xùn)室中的培訓(xùn)，學(xué)生由點(diǎn)及面、深入淺出地熟悉機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，增強(qiáng)其機(jī)器人應(yīng)用能力。

三、機(jī)器人理論教學(xué)的研究

目前所見(jiàn)的文獻(xiàn)中，機(jī)器人理論教學(xué)的教材主要有《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》《Introduction to Robotics： Mechanics and Control》《機(jī)器人技術(shù)》等，這些教材雖能使初學(xué)者快速掌握機(jī)器人的理論知識(shí)，但對(duì)機(jī)器人實(shí)操理論的敘述并未涉及或涉及面較窄[5]。然而，對(duì)以培養(yǎng)兼顧理論與應(yīng)用能力的學(xué)生為宗旨的應(yīng)用型本科院校來(lái)說(shuō)，上述常用的機(jī)器人理論教材就顯得捉襟見(jiàn)肘。因此，探索一套適合于應(yīng)用型本科院校的機(jī)器人理論教學(xué)方案意義重大。

筆者認(rèn)為，可將針對(duì)應(yīng)用型本科院校的機(jī)器人理論教學(xué)分為兩部分，一為理論知識(shí)部分，即介紹機(jī)器人的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、正反向運(yùn)動(dòng)學(xué)、軌跡規(guī)劃、控制技術(shù)、動(dòng)力學(xué)等知識(shí)；二為實(shí)操應(yīng)用部分，即根據(jù)學(xué)校建設(shè)的機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室開(kāi)展有針對(duì)性的教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的理論修養(yǎng)。機(jī)器人教學(xué)以理實(shí)一體化為主（如下圖所示），對(duì)原有的教學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，改變?cè)械慕虒W(xué)理念，引入實(shí)訓(xùn)室培訓(xùn)模式。在不同的理論與實(shí)訓(xùn)之間，使機(jī)器人教學(xué)團(tuán)隊(duì)化、動(dòng)態(tài)化、扁平化，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)的興趣。

四、結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐是創(chuàng)新之源泉，沒(méi)有了實(shí)踐，創(chuàng)新便會(huì)成為無(wú)源之水、無(wú)本之木。當(dāng)前，我國(guó)的教育改革處于一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，作為應(yīng)用型本科院校的江蘇理工學(xué)院，需要響應(yīng)國(guó)家的戰(zhàn)略規(guī)劃，積極發(fā)展機(jī)器人專業(yè)，培養(yǎng)機(jī)器人應(yīng)用型人才。機(jī)器人技術(shù)的教學(xué)工作也需要與時(shí)俱進(jìn)，及時(shí)創(chuàng)新，這樣才能夠培養(yǎng)出對(duì)國(guó)家、社會(huì)乃至企業(yè)有用的人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]李朱鋒，徐媛媛.應(yīng)用型人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究與實(shí)踐：以搭建慧魚模型機(jī)器人為例[J].課程教育研究，2017（16）.

[2]顏世周.淺談機(jī)器人教學(xué)對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新教育的影響[J]. 才智，2015（10）：103.

[3]李楠.高職院校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)課程建設(shè)探索與實(shí)踐[J].商品與質(zhì)量，2015（46）：5-8.

[4]唐宏偉，林立，石書琪.地方本科院校機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案初探[J].亞太教育，2016（29）：61.

[5]王軍，李明，徐書杰.創(chuàng)新機(jī)器人教學(xué)思維 培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐能力[J].吉林教育（綜合），2015（31）：10-11.