高校機械電子工程專業機器人實踐教學平臺建設研究

岳龍旺++邢曉柳

摘 要：“中國制造2025”是實施制造強國戰略的重要措施，工科院校機械電子工程專業是培養“中國制造2025”所需的新型制造業人才的主體。該文針對新型制造業人才的能力需求，進行了高校機械電子工程專業機器人教學平臺建設的研究。以培養新型制造業人才為目標，以4類能力需求為導向，基于專業課程體系群，構建基于通用機器人的高校機械電子工程專業機器人實踐教學平臺，建立分層次的實驗體系。該研究對于培養新型制造業人才，助力“中國制造2025”有重要意義。

關鍵詞：中國制造2025 機械電子工程專業 機器人實踐教學平臺 能力培養

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（c）-0160-04

實踐教學是高校機械電子工程專業不可或缺的重要教學環節，其在培養學生創新思維和實踐動手能力方面具有重要意義。機器人教學平臺是高校開展實踐教學，培養及提高學生創新能力的最佳平臺。當前，我國正處于“中國制造2025”戰略發展時期，高校機械電子工程專業作為制造業人才培養的主體機構，積極開展機器人實踐教學平臺建設，正是響應國家智能制造戰略“以人為本”的基本方針，充分把握智能制造業人才培養市場機會，順應高校實踐教學發展趨勢，提高學生實踐和創新能力，適應智能制造發展對高素質機械電子工程人才需求的重要工作。

1 高校機械電子工程專業機器人實踐教學平臺建設的必要性

1.1 高校助力“中國制造2025”的重要措施

2015年5月8日國務院公布的為強化高端制造業的國家戰略《中國制造2025》明確提出“以人為本”的基本方針，強調“堅持把人才作為建設制造強國的根本”，“加快培養制造業發展急需的專業技術人才”，“以高層次、急需緊缺專業技術人才和創新型人才為重點，實施專業技術人才知識更新工程和先進制造卓越工程師培養計劃，在高等學校建設一批工程創新訓練中心，打造高素質專業技術人才隊伍”[1]。高校機械電子工程專業是培養制造業人才的主體。機器人教學平臺是高校進行工程訓練，開展實踐教學，培養提高學生創新能力的最佳平臺[2]。因此，高校機械電子工程專業應依托機器人實踐教學平臺，加強新型制造業人才培養力度，提高制造業人才整體素質，以響應制造業強國戰略、助力“中國制造2025”。

1.2 把握智能制造人才培養市場機會的客觀要求

高校人才培養要關注新問題，迎接新挑戰[3]。當前，我國正處于傳統制造向智能制造的升級轉變階段，智能制造也是“中國制造2025”戰略發展的主攻方向。要實施“中國制造2025”發展戰略，達到中國制造強國的發展目標，必然需要大量具有以機器人和數控機床為代表的自動化、智能化裝備專業背景知識、具備創新設計能力和自動化、智能化產品研發和制造能力的高素質制造業人才[4]。然而，目前我國制造業人才中高級技工人數僅占5%，遠低于歐美制造業強國35%～40%的平均水平，而且具有大學本科學歷的制造業工人的數量也甚少[5]。實踐教學是高校人才培養的重要環節，而機器人平臺是開展工程實踐訓練，培養學生創新思維和實踐能力的最佳平臺[2]。因此，高校應把握新形勢下的人才需求市場機會，積極建設機器人實踐教學平臺，提升高校機械電子工程專業人才培養質量，增強學生綜合能力，適應智能制造發展對高素質制造人才的需要。

1.3 機械電子工程專業人才培養中實踐教學的發展趨勢

機器人是典型的機電一體化系統，它融合了機械、電子、單片機軟硬件、傳感器、通訊和自動控制技術等眾多先進技術，涉及單片機、C/C++語言、傳感器、機械設計、自動控制技術、無線通訊等專業課程知識內容，被稱為“當代最高意義上的自動化”。機器人實踐教學一直是個熱點，其在培養學生實踐創新能力方面具有重要作用。早在1970年，麻省理工學院（MIT）機械電子工程系的H.H.Richardson教授就采用了《設計課程導論》課程，并將其改造成一項設計競賽，成功開創了“工程導向式”培養模式的先河，目前它已經成為全世界眾多遙控機器競賽和機器人比賽的典范[6]。此外，美國、日本、德國、法國和韓國的高校都開設了機器人課程。其中，美國高校不僅開設了諸如《機器人學》《機器人學導論》這樣的機器人相關理論課程，它們還將機器人作為課程的學習平臺以提高學生的工程實踐能力和創新能力。近年來在國內，清華大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業大學、西安交通大學等傳統工科優勢高校也相繼以教學機器人或者改造過的工業機器人為載體，開展了工程實踐課程或者相關活動，并取得了一些成效。依托機器人平臺，已成為高校實踐教學發展的大趨勢，高校要順應這一趨勢，大力開展機器人實踐教學平臺建設，提高高校教學質量。

1.4 有限實驗條件下的有效人才培養措施

實踐教學活動是工科院校人才培養的重要組成部分，但是很多院校由于實驗經費投入不足、實驗人員數量不足、實踐教學活動時間少等原因，導致學生的培養質量下降。選擇通用的實踐教學平臺、構建合理的課程體系是實現“有限實驗條件下的有效人才培養”的重要措施。具有高度綜合和學科交叉性質的機器人實踐教學平臺，同時具備機械、電子、自動化、計算機等學科的實踐教學功能。構建高校機械專業機器人實踐教學平臺是解決工科院校在有限實驗條件下，進行人才培養的有效措施。

2 機械電子工程專業機器人實踐教學平臺建設的目標和基本思路

2.1 建設目標

機械電子工程專業機器人實踐教學平臺旨在以機械臂教學平臺、各種傳感器模塊、開放式控制器平臺、輪式移動機器人教學平臺、機電一體化綜合應用等幾大機器人教學平臺為載體，通過分年級、分層次的模塊化能力培養模式，實現專業課程體系的理論知識和機器人實踐教學平臺的有效銜接，從而達到機械電子工程專業的培養目標，即：培養掌握基本數學和自然科學知識；具備堅實的機械學科的基本理論和機械電子工程專業知識；具有從事機械電子工程行業所需的數值計算與分析能力、機構設計與分析能力、控制系統設計與分析能力、工程實踐綜合運用能力；勝任機械電子工程領域的研究開發、設計制造、技術經濟管理等崗位的智能型制造人才。

2.2 基本思路

結合智能制造人才的內涵，依據解決工程問題的能力需求，我們認為智能制造時代機械電子工程專業大學生應具備4類基本能力，即數值計算與分析能力、機構設計與分析能力、控制系統設計與分析能力、工程實踐綜合運用能力。對應這4個能力模塊，將機械電子工程專業機器人實踐教學劃分為4個層次，即：關注數值計算與分析能力培養的基礎實驗、關注機械設計與分析能力培養的拓展實驗、關注控制系統設計與分析能力培養的提高實驗、關注工程實踐綜合運用能力培養的綜合實驗。基本建設思路如圖1所示。

2.2.1 基礎實驗

基礎實驗的適用對象為大一學生，旨在幫助大一學生了解和掌握工科專業基礎知識，強化數值計算與分析能力的培養。實驗內容涉及的課程主要包括《Matlab程序設計與應用》《工程數學》《工程力學》。實驗項目包括：（1）基于“機械臂教學平臺”和“輪式移動機器人教學平臺”，運用《工程數學》的基本數學理論知識，結合Matlab的Robot工具箱進行機器人運動學分析，使學生深入理解數學的基本概念和基本方法，掌握微積分運算、矩陣運算、線性方程組運算的方法，培養學生使用數學工具、建立數學模型解決實際問題的意識與能力，并培養大學生運用數學知識解決工程實踐的能力。（2）以《工程力學》基本理論為基礎，以“機械臂教學平臺”和“輪式移動機器人教學平臺”的傳動軸設計為研究對象，利用Matlab進行建模、仿真，根據運算結果輸出傳動軸的彎矩圖、扭矩圖及合成彎矩圖，對機器人傳動軸進行校核與優化設計。（3）以機器人教學平臺為基礎，在《工程數學》《工程力學》等課程的學習過程中，借助Matlab軟件強大的計算、仿真和繪圖功能，激發學生的學習興趣，培養學生獨立思考問題的能力，在奠定工程理論基礎的同時達到培養學生數值計算與分析能力的目的。

2.2.2 拓展實驗

拓展實驗的適用對象為大二學生，旨在幫助大二學生了解和掌握機械電子工程專業的相關知識，強化機構設計與分析能力的培養。實驗內容涉及的機械專業基礎課程有《金屬工藝學》《工程制圖》《機械原理》《機械設計》《互換性與測量技術》《基于SolidWorks的機械CAD/CAE》等。其中，學生通過《基于SolidWorks的機械CAD/CAE》課程的學習，要能使用SolidWorks軟件進行機構設計與分析。因為，SolidWorks軟件以其強大的工程圖設計、零件建模、裝配體建模、鈑金設計、模具設計、機構運動仿真、機構力學分析、機構優化、計算液體力學分析、虛擬樣機等功能，目前在航空航天、機車、食品、機械、國防、交通等領域得到廣泛應用。在國外，包括麻省理工學院（MIT）、斯坦福大學等在內的著名大學都已經把SolidWorks列為制造專業的必修課。在國內，清華大學、華中科技大學、哈爾濱工業大學、北京航空航天大學、大連理工大學、北京理工大學、武漢理工大學等一批具有機械電子工程優勢專業的高校也都在應用SolidWorks開展實踐教學。實驗項目包括：基于“機械臂教學平臺”和“輪式移動機器人教學平臺”，利用SolidWorks軟件進行機器人關鍵零部件的3D設計、機構運動學仿真、機構優化設計，在具備一定的設計基礎后進行新型機器人運動機構的設計與開發，最終達到機構設計與分析能力培養的目的。

2.2.3 提高實驗

提高實驗的適用對象為大三學生，旨在幫助大三學生了解和掌握電氣與控制相關專業知識，強化控制系統設計與分析能力培養。提高實驗涉及的課程為電氣與控制專業課程，不同課程實現不同能力與技能的培養。如通過學習《電路基礎》《電工電子》課程，要求學生掌握基本的電路設計方法；通過學習《C/C++語言程序設計》《單片機應用技術》《微機原理與接口技術》課程，要求學生掌握控制系統設計的方法；通過學習《機械工程控制基礎》《傳感器與測試技術》《機械故障診斷》《Labview虛擬儀器技術》課程，要求學生掌握基本的控制理論；通過學習《PLC原理與應用》《液壓與氣壓傳動技術》《機電傳動控制》課程，要求學生掌握常用執行機構的工作原理及應用方法。該實驗模塊的內容包括：（1）基于“開放式控制器平臺”，利用單片機、工控機、PC機、PLC等控制器實現電機、液壓缸、液壓馬達、氣壓缸等常用執行器的運動控制，掌握開放式運動控制器的應用與開發方法；（2）基于“各種傳感器模塊”平臺，利用Labview軟件，掌握各類傳感器的使用及信號采集與處理方法；（3）基于“開放式控制器平臺”“各類傳感器模塊”“機械臂教學平臺”和“輪式移動機器人教學平臺”，根據控制理論，通過設計C/C++控制程序，實現機器人的運動控制，并通過Matlab的Simulation工具箱對控制系統進行分析。

2.2.4 綜合實驗

綜合實驗的適用對象為大四學生，旨在幫助大四學生了解和掌握機械電子工程的專業知識，強化工程實踐綜合運用能力。綜合實驗要求大四學生通過《機器人技術》《數控加工技術》《工業設計》《工業系統工程》《自動化產品設計》和《自動化生產線設計》等課程的學習，基于各類機器人教學平臺，以課程設計、畢業設計的形式，進行以工程應用為導向的各類課題的研究。以工程應用為導向的相關的課題包括：傳感器類課題（機器人路徑規劃、移動機器人精確定位研究、傳感器信號采集及處理）、運動控制類課題（基于PID控制的機器人軌跡跟蹤、移動機器人控制方法研究、開放式機器人控制器研究）、機器人系統類課題（新型機器人系統開發、機器人尋跡、機器人避障、機器人滅火）、圖像處理類課題（視覺伺服控制、機器人視覺信息處理、運動目標跟蹤）、人機交互類課題（語音識別技術研究、手勢識別技術研究）、工業現場類課題（自動包裝生產線研究、自動化倉庫研究）。通過工程應用前景明確的課題的研究，實現機電一體化產品開發能力的培養。

3 機械電子工程專業機器人實踐教學平臺的實踐效果

河南工業大學機電工程學院以現有機械電子工程訓練中心為基礎，在學校實驗室建設專項經費支持下，規劃建設了機械電子工程專業機器人實踐教學平臺。長期的實踐教學表明，機器人實踐教學平臺對促進學生能力培養，激發學生的學習興趣，提高人才培養質量有重要作用。

3.1 培養了學生從事機械電子工程專業所需的能力

專業能力培養是機械電子工程專業的重要教學目標。通過以能力培養為導向的專業課程體系群學習后，學生掌握了工科專業基礎知識和機械電子工程專業知識；通過基于機器人教學平臺的實踐教學環節的培養后，學生具備了從事機械電子工程行業所需的數值計算與分析能力、機構設計與分析能力、控制系統設計與分析能力和工程實踐綜合運用能力。其中，在工程實踐綜合運用能力培養過程中，基于機器人教學平臺，運用工程軟件解決復雜工程問題的培養效果尤為明顯。如運用Matlab進行工程計算、運用Matlab Simulation進行控制系統仿真、運用SolidWorks進行機構3D設計、運用SolidWorks Simulation進行機構力學特性分析與仿真、運用SolidWorks Flow Simulation進行流體力學分析、運用Labview進行控制系統構建、信號采集與處理等，極大地提高了學生解決復雜工程問題的能力。

3.2 激發了學生的學習興趣，提高了人才培養質量

趣味性是學習的原動力，基于機器人教學平臺的實驗教學模式以工程應用能力為培養目標，以工程問題為研究對象，有效地提高課程的趣味性，增強了學生的學習主動性。通過組織小組對抗賽、校內機器人大賽、校間機器人大賽，充分調動了學生學習的積極性、主動性；通過組織參加挑戰杯、機械設計創新大賽，提高了學生的創新思維能力，實現了工程應用能力培養的目的，在提高人才培養質量的同時，大大提高了大學畢業生的首任職業勝任率。

4 結語

針對機械電子工程行業對數值計算與分析能力、機構設計與分析能力、控制系統設計與分析能力和工程實踐綜合運用能力的需求，構建基于機械臂、傳感器模塊、開放式控制器平臺、移動機器人和機電一體化系統的機械電子工程機器人實踐教學平臺，建立包括基礎實驗、拓展實驗、提高實驗和綜合實驗的分層次實驗體系。實踐教學效果表明，機器人實踐教學平臺對于培養大學生綜合能力，激發學習興趣，提高培養質量有重要作用。

參考文獻

[1] 于志晶，劉海，岳金鳳，等.中國制造“2025”與技術技能人才培養[J].職業技術教育，2015（21）：10-24.

[2] 黃文愷，陳虹.機器人創新性教學平臺的實踐與探索[J].今日科苑，2009（5）：131-132.

[3] 鐘秉林.大學人才培養要研究新問題，應對新挑戰[J].中國大學教學，2013（7）：1-2.

[4] 周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程，2015（17）：2273-2284.

[5] 史紅.淺析“中國制造2025”發展戰略倒逼高職機械類專業教學改革[J].才智，2015（22）：330-333.

[6] Siciliano，Bruno，Oussama Khatib.Springer handbook of robotics[M].Springer，2008.