工業機器人教學之機電方向

陳慶軍

摘 要： 本文根據工業機器人教學的特點，分析了傳統工業機器人教學的現狀， 從基本課程內容和教學方法入手，提出理論結合實際的教學方法。并以取貨機器人為例，詳細論述的機電方向的工業機器人教學方案，采用教學任務逐步分解的方法，提高學生的主觀能動性，訓練學生的實際技能。

關鍵詞：工業機器人；教學；機電；控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.021

1 引言

目前，工業機器人正在全世界迅猛發展，中國的工業機器人市場也是一片欣欣向榮的景象。要實現“機器人替代人”除了需要先進的科學技術和制造工業技術之外，還需要一大批掌握工業機器人應用技術的專業性技術人才。與工業機器人結合最為緊密的專業，毫無疑問就是機電專業，工業機器人技術囊括了機械設計、機械制造和電子控制等幾大專業。所以對于工業機器人教學，我們要把握準方向，要以機電方向為主，配合其他相關專業，真正的做到理論聯系實際，培養出合格的工業機器人應用型人才。

2 工業機器人教學的基礎課程

機器人學是一門綜合了機械學、控制理論、電子學和力學的交叉性前沿學科。要想真正掌握工業機器人的應用技術，必須貯備一定理論的知識，否則僅僅是一名工業機器人操作工，而無法進一步的提升自我。工業機器人機電方向的基礎核心課主要有機械工程制圖、機械設計、機械原理、電子信息技術、機械控制理論、材料力學、理論力學和有限元分析等。機械工程制圖是一切機械設計制造的基礎，能繪制和看懂機械工程圖是一個合格工業機器人應用工程師的基本能力。作為工業而機器人的使用者，不能僅僅關注機器的操作和使用，應當去探尋其實現的原理和方法。機械設計和機械原理很好為我們提供了這方面的途徑。

3 工業機器人教學方法

工業機器人課程是兼具理論性和實踐性的課程，對學生的要求不僅僅局限于對工業機器人本體機構和編程控制的了解，還起到培養學生創新性的作用。目前，各大本科及專科院校，對工業機器人的教學主要存在以下幾點缺陷：

（1）課程進度快，內容抽象，學生理解困難。當前教學多運用多媒體教學，用幻燈片替代了以前板書，缺乏對機械理論的分析和公式的推導過程。雖然提高了教師的授課效率，但增加了學生理解的難度和較少了學生的思考時間。

（2）缺乏教學重點，知識點零星分散，學生難以從總體感知上有一個主觀認識。首先，工業機器人教學既需要學習機器人的總體結構，還需要學習運動學、傳動與驅動等，容易使學生產生迷惑，難以抓住重點。其次，工業機器人課程涉及到坐標方程變換、運動學方程及其推導、有限元的剛度矩陣計算和力雅克比與靜力計算等，這一部分公式復雜、推導繁瑣，是學生最缺乏耐心和興趣的部分，但恰恰是這部分，才是這門課程的核心。

（3）教師主要是以理論講解為主，缺少學生實際動手能力的鍛煉。一方面，工業機器人設備昂貴，一般普通院校無力承擔此費用；另一方面，即使開設實驗課程也難以全方位覆蓋全體學生，更不用說讓學生獨立完成工業機器人的設計任務。

針對工業機器人教學中所出現的問題，提出以下幾點：1）明確工業機器人教學的核心任務。為了避免由于學科交叉對學生產生的困惑，可以以某一類型的工業機器人為參照，著重分析講解，此類工業機器人的機械本體結構、運動方式、驅動原理、邏輯控制原理和末端軌跡規劃等。通過此類工業機器人，使學生對機器人有一個全面的認識，關聯所學的力學、電學等其他相關專業的知識，激發學生對工業機器人的興趣。2）多媒體課件的內容僅僅是書本內容的提煉而已，難以提高學生的學習積極性。教師應當利用虛擬仿真技術和三維設計軟件等工具，更加直觀的表現工業機器人。比如，利用PROE、SOLIDWORKS和UG等三維設計軟件繪制出某類型工業機器人的裝配圖和主要零部件圖，使學生更加直觀的認識機器人機構；利用前面建立的三維模型，運用ADAMS軟件，對工業機器人的運動進行運動學分析。虛擬運動仿真與控制動畫演示，讓學生了解工業機器人真實的運動方式。3）由于經費和其他原因，工業機器人教學往往理論傳授多于實驗模擬。各大中專院校，應積極尋求與企業合作機會，以企業需求為導向，培養適合企業要求的應用型工業機器人人才。

4 工業機器人教學案列

如圖1所示，取貨機器人由四自由度組成，分別為行走自由度（Y方向）、臂伸縮自由度（X方向）、臂升降自由度（X方向）、臂回轉自由度和爪張開自由度。將取貨機器人分為五個子課題，分別選取不同專業學生進行設計，如表2所示。

通過將取貨機器人結構的分解，將復雜問題簡單化，待五組課題全部完成后，各小組之間相互學習，了解取貨機器人的整體工作流程。 在老師的指導下，完成最后的總裝配工程，用ADAMS軟件，對工業機器人的運動進行運動學分析，虛擬運動仿真與控制動畫演示，達到虛擬仿真的目的。此外，取貨機器人在各大汽車廠使用較為普遍，通過校企聯合的方式，組織學生實地考察，進一不了解取貨機器人的工作環境和使用方法，做到理論聯系實際。通過設計加考察的途徑，加深學生對取貨機器人的理解，使其不僅僅是工業機器人的“操作工”，更是工業機器人的應用專家。

5 結論

本文首先介紹工業機器人教學所需要的理論課程，其次分析傳統工業機器人教學中存在的問題并創新性的提出交互式的教學方法，最后以取貨工業機器人為案例進行分析。

參考文獻：

[1]李華強.基于虛擬樣機技術在《工業機器人》課程教學實踐[J]. 教學實戰，2015（21）：98-102.