工程型院校機器人課程的教學(xué)改革與實踐

劉凌云++羅敏+李慧玲+吳岳敏

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

關(guān)鍵詞：機器人教學(xué)；工程實踐；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)高級工程應(yīng)用型人才。針對這一總的指導(dǎo)思想，我校自動化專業(yè)明確提出以汽車生產(chǎn)自動化作為專業(yè)方向，把培養(yǎng)和造就綜合素質(zhì)高、工程創(chuàng)新意識和實踐能力強的工程應(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)計劃、課程設(shè)置等方面大膽的進行改革與探索，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)機器人工程應(yīng)用為主線的汽車生產(chǎn)自動化技術(shù)系列課程。

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

結(jié)合我校自動化專業(yè)在機器人課程方面所做的改革與實踐，本文就課程內(nèi)容的更新、實踐教學(xué)平臺建設(shè)及實驗項目的提煉等進行探討，以期進一步完善和優(yōu)化機器人教學(xué)課程內(nèi)容。

一、機器人課程教學(xué)情況

國內(nèi)許多高等院校都已開展了機器人教學(xué)工作，開設(shè)的專業(yè)也較廣，且課程教學(xué)以理論為主，實驗學(xué)時數(shù)相對較少，大多數(shù)高校的實驗課時數(shù)甚至為零[3]。

我校自動化專業(yè)于2006年開設(shè)《機器人技術(shù)導(dǎo)論》課程，盡管在教學(xué)內(nèi)容上反映當(dāng)前工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，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)，同時借助于多媒體技術(shù)，特別是講解機器人數(shù)學(xué)建模時，結(jié)合動畫和錄像演示以增強教學(xué)的時效性；但教學(xué)環(huán)節(jié)上偏重于教師的講授，學(xué)生獨立思考欠缺、無實踐教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容工程實踐性不強。且本門課程涉及面廣、知識復(fù)雜、公式繁多、內(nèi)容抽象，理解困難就成為歷屆學(xué)生對該課程的共同印象。

二、課程建設(shè)與改進的思考

1.教學(xué)內(nèi)容的更新

依據(jù)我校自動化專業(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)實踐相結(jié)合，我校自動化專業(yè)將機器人課程名稱更改為《工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)》，為配合該課程改革，本專業(yè)先后購置兩套工業(yè)機器人教學(xué)實驗平臺：帶激光焊縫跟蹤的Motoman Up6弧焊工業(yè)機器人及FANAC智能工業(yè)機器人實訓(xùn)系統(tǒng)。

課程授課學(xué)時在原有的30學(xué)時理論教學(xué)基礎(chǔ)上增加了6學(xué)時實驗教學(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)容圍繞實驗室的Motoman Up6工業(yè)機器人系統(tǒng)進行增補和刪減：①在機器人運動學(xué)章節(jié)的講解中，以Motoman Up6工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)為對象，將重點放在前向運動學(xué)原理與計算中；②在操作臂的控制這一章節(jié)中將授課重點放在機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、電位計和機器視覺，并增加機器視覺案例分析：激光焊縫跟蹤系統(tǒng)/攝像機二維位姿檢測在機器人弧焊或上下料中的應(yīng)用；④在機器人軌跡規(guī)劃和編程章節(jié)，增加了與Motoman工業(yè)機器人配套的離線編程軟件Rotsy應(yīng)用的講解，便于后續(xù)試驗項目的開展。

同時，在教學(xué)方式上增加了現(xiàn)場講解環(huán)節(jié)。為了讓學(xué)生們能夠更好地理解和掌握機器人運動學(xué)的知識，我們把部分課堂環(huán)節(jié)改在機器人實驗室進行，以真實的Motoman Up6工業(yè)機器人為例，講解機器人的關(guān)節(jié)、連桿、坐標(biāo)系、D-H建模、正運動學(xué)和逆運動學(xué)的知識。這種教學(xué)方式直接、直觀、便于理解，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)做到了理論與實際有機結(jié)合。

2.機器人技術(shù)的實踐教學(xué)

為了鞏固工業(yè)機器人的相關(guān)理論知識和加深對理論認識，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)工程技術(shù)人員，我校自動化專業(yè)先后購置兩套工業(yè)機器人實踐教學(xué)實驗平臺（如圖1所示）：帶激光焊縫跟蹤的Motoman Up6弧焊工業(yè)機器人及FANAC智能工業(yè)機器人實訓(xùn)系統(tǒng)，并且對本課程相關(guān)的實踐教學(xué)內(nèi)容及方法進行了優(yōu)化改進。

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

FANAC智能工業(yè)機器人實訓(xùn)系統(tǒng)以白車身沖壓生產(chǎn)線的自動上下料為控制對象，由PLC控制沖床及自動輸送線的動作，工業(yè)機器人根據(jù)智能相機檢測反饋的白車身位姿偏差量對工具控制點進行實時糾正，以適應(yīng)對輸送線上處于任意位姿的工件進行抓取。該系統(tǒng)能從控制系統(tǒng)集成、工業(yè)機器人及機器視覺幾個大方向開展創(chuàng)新實驗設(shè)計，目前已開出的綜合實驗有：①工業(yè)機器人與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)動作，進行機器人運動程序及PLC控制程序設(shè)計；③基于機器視覺的零件位姿/尺寸測量及缺陷檢測等實驗；④基于機器視覺的機器人自適應(yīng)抓取工件程序設(shè)計。

這些綜合性實驗項目的設(shè)置，充分體現(xiàn)了與工程實踐相結(jié)合的的特點，大大豐富了實驗教學(xué)的案例內(nèi)容。

實踐證明這種以工業(yè)機器人作載體，形成理論與實踐相結(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)生的實踐動手能力和工程創(chuàng)新意識，使學(xué)生們對于機器人課程有了一個系統(tǒng)的認識和理解。

同時，利用該“工業(yè)機器人教學(xué)試驗平臺”結(jié)合東風(fēng)汽車公司各專業(yè)廠的工程實際項目，有效的指導(dǎo)本專業(yè)部分學(xué)生進行畢業(yè)設(shè)計，例如：“汽車前懸梁架工業(yè)機器人焊接的研究與實現(xiàn)”、“工業(yè)機器人激光焊縫跟蹤子系統(tǒng)軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)”、“視覺機器人手眼系統(tǒng)標(biāo)定算法研究”等畢業(yè)設(shè)計課題的開展，學(xué)生既可以在工業(yè)現(xiàn)場了解實際工業(yè)機器人系統(tǒng)的工作原理及運行狀況，同時對現(xiàn)場的不足提出改進意見、制定方案并進行系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，進一步在實驗室工業(yè)機器人平臺上加以演示和驗證，使學(xué)生在訓(xùn)練中學(xué)會如何將知識應(yīng)用到生產(chǎn)實際中。

三、結(jié)束語

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

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作者簡介：劉凌云，男，湖北荊州人，副教授，研究方向：機器視覺、機器人應(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。