劉玉琳, 徐雙滿, 霍 凱

(北京交通大學(xué) 機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心, 北京 100044)

經(jīng)過多年的探索和實(shí)踐，高等學(xué)校的人才培養(yǎng)已經(jīng)從單純注重傳授知識、強(qiáng)調(diào)課堂教學(xué)，轉(zhuǎn)向注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，尤其是實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[1]。學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力在科學(xué)研究的氛圍中能得到很好的培養(yǎng)和提高[2]，將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源無疑是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的一種有效途徑，是實(shí)現(xiàn)科教融合的關(guān)鍵[3]，這也對本科教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)提出了更高的要求。

我校機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心承擔(dān)著機(jī)電學(xué)院本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要基地。而當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在以下問題，如由于各學(xué)科技術(shù)快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)手段相對落后；現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的研究設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比例偏少；教學(xué)內(nèi)容包含范圍廣，實(shí)驗(yàn)設(shè)備種類、數(shù)量有限，不能很好地支撐課堂教學(xué)[4]。

目前，各高校通過多種途徑加強(qiáng)本科生教育的實(shí)踐環(huán)節(jié)，如大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、CCTV機(jī)器人大賽等全國性的賽事給本科生提供了一個(gè)利用所學(xué)知識進(jìn)行自主設(shè)計(jì)、自主實(shí)踐創(chuàng)新的平臺，但這些實(shí)踐機(jī)會無法實(shí)現(xiàn)對本科生的100%覆蓋。如能將教師科研項(xiàng)目中的科研設(shè)備加以改造，開發(fā)適用于本科生的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓所有學(xué)生在本科教學(xué)環(huán)節(jié)接觸到處于技術(shù)前沿的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不僅有利于學(xué)生理解課堂教學(xué)內(nèi)容，對學(xué)生專業(yè)技能的培養(yǎng)及就業(yè)前景都將產(chǎn)生積極的影響[5]。

為了滿足“機(jī)器人技術(shù)”系列課程大綱對工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容的需要，利用教師開展科研工作所取得的設(shè)備及成果開發(fā)高水平實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使機(jī)器人技術(shù)系列課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系更加完善。

1 科研設(shè)備成果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)關(guān)系

1.1 科研設(shè)備成果與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合

機(jī)電學(xué)院機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心科研團(tuán)隊(duì)多年來涉足軌道交通技術(shù)、航空航天等領(lǐng)域，在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)及工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用方面取得了驕人的成績，利用申報(bào)的縱向基金資助課題經(jīng)費(fèi)研制出如工業(yè)機(jī)器人噴涂系統(tǒng)、多關(guān)節(jié)機(jī)器人目標(biāo)識別與目標(biāo)捕捉等，這些設(shè)備在完成預(yù)定科研任務(wù)目標(biāo)后，除了開展一些專題研究以外，大多數(shù)時(shí)間處于閑置的狀態(tài)。因此，對于這些設(shè)備在開展科研活動之余面向本科生開放，有效地將這種結(jié)合學(xué)科或?qū)I(yè)的內(nèi)容融入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的形成，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)能力[6]。因此，科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)有利于形成專業(yè)特色，提高專業(yè)競爭力，實(shí)現(xiàn)教學(xué)創(chuàng)新[7]。一些科研設(shè)備在完成了科研實(shí)驗(yàn)工作后，如能將其改造后應(yīng)用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將提高設(shè)備利用率[8]。

目前，高校面向機(jī)械工程專業(yè)本科生開設(shè)有“機(jī)器人技術(shù)”“機(jī)器人控制技術(shù)”“機(jī)器人設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與實(shí)踐”等與機(jī)器人相關(guān)的課程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備方面由于受到投資方面的限制，一般硬件配備像“慧魚機(jī)器人”及一般通用教學(xué)機(jī)器人，而真正代替人干活的工業(yè)機(jī)器人投入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的卻很少，而工業(yè)機(jī)器人在機(jī)器人理論課程內(nèi)容里占有不小的比例。

1.2 構(gòu)建機(jī)器人技術(shù)系列課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系

傳統(tǒng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，一般分為2大模塊，即認(rèn)知與分析實(shí)驗(yàn)?zāi)K和示教控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K。認(rèn)知與分析實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要包括：機(jī)器人機(jī)械本體分析、機(jī)械與傳感控制單元認(rèn)知與分析等內(nèi)容；示教控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要包括：控制軟件編寫、軌跡規(guī)劃與示教動作調(diào)試等[9]。這些內(nèi)容一般是基于實(shí)驗(yàn)專用設(shè)備的軟硬件配置固化的一種模式，學(xué)生創(chuàng)新思維空間受到限制，學(xué)生難以接觸高水平機(jī)器人實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。因此，增加工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)?zāi)K，為開發(fā)高水平綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目創(chuàng)造條件，使學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)器人課程期間感受到工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)中的神奇本領(lǐng)[10]。該實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要包括：工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體分析實(shí)驗(yàn)、工業(yè)機(jī)器人目標(biāo)識別與追蹤、工業(yè)機(jī)器人變曲面軌跡示較控制實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)中心科研團(tuán)隊(duì)依托科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)購置或自制的機(jī)器人有知名品牌“六軸關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人”“大行程直角坐標(biāo)機(jī)器人”?？梢蕴钛a(bǔ)本科生六軸關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人及直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的空白。設(shè)計(jì)“直角坐標(biāo)機(jī)器人復(fù)雜軌跡規(guī)劃及對象識別模塊”向大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的學(xué)生開放，為學(xué)生提供一個(gè)自主設(shè)計(jì)自主創(chuàng)新的實(shí)踐平臺。

基于以上思路，對科研用實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了軟、硬件升級，并設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2 基于科研設(shè)備成果的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)

2.1 大行程直角坐標(biāo)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)中心科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“大型復(fù)雜特種工件防熱層自動噴涂裝備關(guān)鍵技術(shù)研究”，可以完成對特種工件自動噴涂過程中噴涂軌跡規(guī)劃及噴涂流量、噴槍移動速度、噴槍擺角等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化等工作。其中的主要設(shè)備是自制的三直線軸加兩旋轉(zhuǎn)軸框架式工業(yè)噴涂機(jī)器人(見圖1)。該設(shè)備具有行程大、多自由度、末端手腕轉(zhuǎn)動精巧、精度高等特點(diǎn)，可以開展復(fù)雜曲面形貌檢測與噴涂、抓取工件等動作，可作為機(jī)械、傳感、控制多學(xué)科融合的實(shí)踐平臺。

圖1 直角坐標(biāo)噴涂機(jī)器人

2.1.1 實(shí)驗(yàn)開發(fā)內(nèi)容要點(diǎn)

(1) 認(rèn)知分析與初始化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容要點(diǎn)：通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)與配置、傳感器與控制硬件系統(tǒng)分析，了解并掌握框架式直角坐標(biāo)機(jī)器人本體組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。學(xué)習(xí)半閉環(huán)控制驅(qū)動電機(jī)配置特點(diǎn)、大行程同步控制機(jī)構(gòu)等內(nèi)容。通過對控制系統(tǒng)軟、硬件組成與配置認(rèn)知與分析，了解并掌握該類機(jī)器人控制器運(yùn)用特點(diǎn)。重點(diǎn)掌握半閉環(huán)控制精度、伺服減速電機(jī)、編碼器設(shè)計(jì)選型等技術(shù)問題；學(xué)習(xí)機(jī)器人坐標(biāo)原點(diǎn)與極限位置點(diǎn)傳感器的設(shè)計(jì)與選型相關(guān)知識。

(2) 直線軸聯(lián)動軌跡規(guī)劃與控制。實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容要點(diǎn)：學(xué)習(xí)和掌握parker9000多軸運(yùn)動控制器原理，學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)XY平面或YZ平面兩軸聯(lián)動的軌跡控制方法；學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)XYZ三軸聯(lián)動的軌跡控制方法，進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握parker9000多軸運(yùn)動控制器的使用方法，并可借助在CAD矢量坐標(biāo)環(huán)境下規(guī)劃好軌跡并取得關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值，編制示教控制程序，實(shí)現(xiàn)軌跡控制。

2.1.2 科研設(shè)備軟硬件改造

科研設(shè)備功能先進(jìn)、科技含量高，但不能直接用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，需要進(jìn)行軟、硬件必要的開發(fā)工作，使其融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并適應(yīng)教學(xué)內(nèi)容需要，在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)發(fā)揮作用[11]。在設(shè)備改造過程中也進(jìn)一步鍛煉了教師的科研水平，實(shí)現(xiàn)了科研、教學(xué)互相促進(jìn)互相融合[12]。

針對結(jié)構(gòu)認(rèn)知及控制模塊，主要完成了各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的控制例程及控制界面的軟件開發(fā)工作。針對復(fù)雜軌跡規(guī)劃及對象識別模塊，完成了機(jī)器人末端激光測距傳感器的選購(見圖2)，并設(shè)計(jì)制造了激光傳感器的安裝胎具(見圖3)，在此基礎(chǔ)上完成了基于末端測量的機(jī)器人三軸聯(lián)動示例程序的編寫。

圖2 激光測距傳感器

圖3 激光測距傳感器安裝胎具

2.2 六軸關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開發(fā)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)開發(fā)內(nèi)容要點(diǎn)

(1) 工業(yè)機(jī)器人初始化與坐標(biāo)系建立方法實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容要點(diǎn)：了解多軸工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成、操作控制特點(diǎn)，學(xué)習(xí)機(jī)器人初始化參數(shù)設(shè)置，了解工業(yè)機(jī)器人的大地坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)與用戶坐標(biāo)系特點(diǎn)，學(xué)習(xí)工具坐標(biāo)系的建立方法。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目側(cè)重于工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)與基本技能訓(xùn)練方面，為進(jìn)一步開展創(chuàng)新運(yùn)用型實(shí)驗(yàn)打下良好基礎(chǔ)。

工具坐標(biāo)系的建立是工業(yè)機(jī)器人非常重要的一項(xiàng)初始化配置工作。如圖4所示，將工具中心點(diǎn)(TCP，tool center point)設(shè)為零位，由此再定義工具的位置和方向。執(zhí)行程序時(shí)，機(jī)器人就是將TCP移至編程位置。通過設(shè)置該中心點(diǎn)的偏移值，就可以定義一個(gè)新的工具坐標(biāo)系。

圖4 多點(diǎn)法設(shè)置工具坐標(biāo)原點(diǎn)過程示意圖

(2) 工業(yè)機(jī)器人目標(biāo)測量與追蹤實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容要點(diǎn)：重點(diǎn)了解工業(yè)機(jī)器人接口技術(shù)與外部設(shè)備信息交互功能，以工業(yè)相機(jī)為外部設(shè)備，圖像是接收的信息，由計(jì)算機(jī)統(tǒng)籌控制，由機(jī)器人自動變量編程完成對目標(biāo)的捕捉動作。對象為多邊形(6邊)識別與邊長測量；骰子點(diǎn)數(shù)識別與檢出等，如圖5、6所示。

在一個(gè)隨意擺放的骰子區(qū)域中，按點(diǎn)數(shù)規(guī)律的快速檢出并要求擺放到相應(yīng)的位置上。

2.2.2 軟硬件配置與開發(fā)

六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人工具坐標(biāo)建立需要制作定義坐標(biāo)的專用胎具，坐標(biāo)點(diǎn)要求胎具的頂部為尖點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人目標(biāo)測量與追蹤實(shí)驗(yàn)需要配置與開發(fā)的內(nèi)容和難度較大，需要配備的硬件有工業(yè)相機(jī)、專用光源裝置、機(jī)械安裝接口裝置、真空吸盤、工控機(jī)，測量識別、接口鏈接、控制主程序等具備開展實(shí)驗(yàn)條件，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)工程中要了解如何安裝搭接成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)功能系統(tǒng)，還要完成初始化的參數(shù)設(shè)置與選擇，編制一些子程序等工作來開展實(shí)驗(yàn)，將動手操作、設(shè)計(jì)與調(diào)試等多環(huán)節(jié)工作綜合在一起。

圖5 任意六邊形測量

圖6 骰子點(diǎn)數(shù)識別與快速檢出

3 結(jié)語

通過開展利用科研設(shè)備及成果開發(fā)本科生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研究工作，探索與實(shí)踐了科研成果與本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化融合的新模式，有效利用了科研成果。在投入少量資金的基礎(chǔ)上，將科研設(shè)備融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，促使教師從教學(xué)角度出發(fā)對現(xiàn)有科研設(shè)備進(jìn)行升級改造，進(jìn)一步鍛煉了教師的科研能力，真正實(shí)現(xiàn)了教學(xué)和科研的相互促進(jìn)、相互融合。通過實(shí)施表明，留給學(xué)生自己發(fā)揮的空間大大增強(qiáng)了，給學(xué)生提供了一個(gè)接觸和利用學(xué)科前沿實(shí)驗(yàn)平臺的條件，對大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)起到了較好的作用。