智能機器人在機械工程創新實驗教學中的應用

王飛 周龍 劉建國

【摘 要】智能機器人技術在智能制造中具有重要的作用，新時代，培養新一代具有智能制造能力的機械專業大學生是每個高校必須面對的課題。上海理工大學機械學院經過多年的探索，巧妙地將智能思想引進機械專業創新實驗課程中，形成了智能機器人創新平臺，開設了相關創新類實驗課程，組建了機器人賽隊，引導學生優秀的想法落地生根，參加各項科技類機器人大賽。大學生通過這一系列的學習和鍛煉，激發大學生智能制造思維，且有效地提高了大學生解決復雜工程問題的能力。這種教學探索對其他高校也具有借鑒作用。

【關鍵詞】智能機器人;機械專業創新實驗;教學探索

【中圖分類號】TP242;G647 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0097-03

智能制造技術是國家明確的發展方向，智能制造的關鍵是人才。高等教育擔負著培養國家各行業未來接班人的重任， 2016年國務院關于印發《中國制造2025》的通知，提出緊密圍繞重點制造領域關鍵環節，開展新一代信息技術與制造裝備融合的集成創新和工程應用[1]。在這樣的背景下，制造行業對大學生智能技術領域的需要越來越高，尤其是智能機器人，為培養出適應新形勢下的智能制造科技類人才，高等院校已提出了較多的改革措施和方案，浙江大學智能系統與控制研究所的馮毅萍等人構建了新型智能制造教學工廠概念模型[2];天津大學的房朝暉采用專業虛擬仿真軟件，通過計算機網絡將智能制造設備3D虛擬模型與實體PLC設備建立實時數據連接，形成虛實結合的智能制造實驗教學系統[3]。目前的培養模式存在課程結構單一、缺少將智能學科融入教學中等問題，尤其是實踐類教學。因此，急需將智能領域的先進技術落實到現階段的實踐教學中，上海理工大學機械工程學院經過多年的探索，以機器人創新實驗平臺為抓手，將智能機器人課程貫穿在教學活動中，并以此為基礎參加各類科技比賽，提升學生動手解決復雜工程問題的能力。

1 機器人創新實驗平臺建設

機械工程實驗中心根據國家“以促進大學生的全面發展和適應社會需要為宗旨，以培養創新精神和實踐能力為核心”的要求，以“工業4.0”及“中國制造2025”為導向，緊密圍繞產學研及學科專業建設，注重國際合作，不斷引進新元素，先后與國際知名高校共建機器人創新實驗平臺，為引進國際機械工程領域先進實驗技術奠定基礎。

機器人創新實驗平臺實行完全開放運行，學生可隨時進入創新實驗室進行創新實驗，成為我校學生參加全國、上海市大學生機械設計競賽、工程問題競賽、機器人競賽、汽車設計競賽的基地。創新實驗室每年接納100多名優秀學生，在教師指導下獨立完成創新課題設計。

考慮到不同專業、不同年級的學生知識水平差異，在課程安排上首先通過一些有關機器人方面的基礎教學讓學生在機械結構、機械加工、編程方法、電子元件、傳感器等方面打下良好的基礎，然后可以通過5～6人分組的方式組建創新小組，由教師引導，學生小組討論、論證、答辯的方式來形成創新項目，接下來在規定的課時內同學們完成整個項目。整個過程中，同學們通過合作可以很好地取長補短，齊心協力，既學習了專業知識、鍛煉了創新能力，又培養了良好的集體合作精神。最后的答辯環節也訓練了PPT制作能力和語言表達、辯論能力，為其以后的學習和工作做了很好的準備。

2 智能機器人創新課程

2.1 相撲機器人實驗

課程內容包括以下幾個方面：①組裝相撲機器人;②學習使用BASIC STAMP軟件;③伺服電機介紹;④LED測試電路的搭建;⑤伺服電機調零;⑥測試電機;⑦相撲機器人巡航控制。

實驗教學目的與任務：①通過組裝機器人使學生能了解機器人學基本原理、運動基礎及相關擴展功能，并熟悉和掌握BASIC STAMP編譯軟件的原理和方法;了解Parallax微型伺服電機的基本構成及原理，學會搭建LED測試電路;掌握揚聲器的使用完成伺服電機的調零;學會調整、測試電機，通過連接、調整和測試相撲機器人的伺服電機，以及LED測試電路的搭建，使學生能夠基本掌握對伺服電機的控制。②通過編程使機器人能做出一些基本的動作，并能掌握調節方法使動作更加精確;通過本次實驗，讓學生掌握調節和校正機器人巡航路徑的方法，為后面的實驗做好準備;掌握子程序調用方法。

2.2 工業機器人創新實驗課程

實驗目的：了解motoman工業機器人的結構、控制操作特點;初步掌握該型機器人的操作步驟和方法。

2.2.1 面板介紹

面板包括控制面板（如圖1所示）、回饋面板、操作面板。

2.2.2 運動方式及坐標系

利用坐標軸按鈕移動或定位機械手，包括關節坐標系和直角坐標系。

2.2.3 打開電源

打開電源時，首先打開總電源開關，然后打開伺服電源開關。開電源之前，務必保證機械手周圍區域的安全。打開總電源開關，把XRC面板前部的總電源開關扳到ON所指示的位置。打開伺服電源：①在運行（PLAY）模式中。按回饋面板上的SERVO ON READY鍵打開伺服電源。伺服電源指示燈亮。②在示教（TEACH）模式中。按回饋面板上的SERVO ON READY鍵打開伺服電源。伺服電源指示燈亮。按TEACH LOCK鍵進入示教模式。操作者按住操作面板開關，操作面板伺服電源打開，同時操作面板上的SERVO ON READY按鈕指示燈亮。

2.2.4 示教步驟（輸入預設軌跡）

（1）示教準備：①按下回饋面板上的TEACH鍵進入示教模式。②按下控制面板上的TEACH LOCK鍵，進入示教鎖定狀態。③移動光標到主菜單上的{JOB}選項，按下SELECT鍵選擇{JOB}，同樣方式在隨后菜單上選擇{CREATE NEW JOB}。④輸入名稱，如：TEST。要輸入“TEST”，按下換頁鍵，屏幕顯示字母表。將游標移至“T”，按下SELECT鍵，同樣操作選擇“E”“S”和“T”。按下ENTER完成輸入。⑤將游標移至“EXEC”按下SELECT鍵，工作“TEST”就被儲存在XRC存儲器中（待編程）。

（2）示教（編程）。

（3）路徑確認：將游標移至第一步（第0001行）。按下FST鍵或SLW鍵將速度調為中速。按下FWD鍵確信每一步驟機械手都會執行。每按一次FWD鍵。機械手就會執行一步。當你完成了步驟確認，將游標移至工作開始處。將所有步驟連續運行一遍。按下INTERLOCK和TEST START鍵，機械手會在執行一個工作循環后自動停下。

2.2.5 回饋（運行）

（1）運行前的準備：將游標移至程序開始的地方。用坐標控制鍵將機械手移至靠近第一步位置的地方。松開示教鎖定按鈕TEACH LOCK，TEACH LOCK指示燈滅。

（2）運行：在回饋面板上按下PLAY鍵。在回饋面板上按下START鍵，機械手會按照程序完成一個完整的循環后停下。

3 智能機器人校隊與科技類賽事

3.1 智能機器人校隊

以機器人創新實驗平臺為基地，專業老師指導大學生組建智能機器人校隊，在全校范圍內招募各專業大學生加入。專業涵蓋自動化、光學工程、計算機、機械工程、電氣工程及出版藝術專業，充分發揮各專業的優勢特點，學科交叉融合，由學生自主管理，開展關于智能機器人領域的培訓，專業教師指導答疑，通過智能機器人校隊的模式，達到在過程中培養學生的創新能力。

3.2 科技類賽事和獲獎

專業教師為了鍛煉學生的創新意識和解決復雜問題能力，整合智能機器人平臺的資源。開展以大學生為中心的創新項目指導，在相應創新類實踐課堂上，引導大學生參加各類科技類賽事，探索在實踐中運用各專業學科的優勢，將想法落地生根。近3年來，我校學生參加的科技類賽事有中國工程機器人大賽暨國際公開賽、中國服務機器人大賽、中國大學生方程式汽車大賽等一系列科技類賽事。表1為機電控制創新實驗室的主要成就。

智能機器人創新實驗平臺已經為學生產出200余個項目，大部分項目參加比賽并獲獎，20余個項目轉換為國家專利。對大學生智能制造能力的培養具有較好的促進作用。圖2為學生自主開發創新實驗項目：家庭清潔機器人和硬幣分揀計數機。

4 結語

智能機器人創新實驗平臺作為“智能制造工程教育”人才培養的重要實踐基地之一，承擔了機械類學生智能創新領域的實踐教學，包括課程實驗、自主創新項目、大學生賽事、科研實驗。緊密依托學科專業優勢，整合教學資源，實現資源共享和有效利用。在圓滿完成教學計劃的基礎上，著力開發、開放自主性、提高性、創新性實驗項目，培養學生實踐動手能力、創新能力和社會責任感，成為培養智能制造領域工程技術人才的重要抓手。

參 考 文 獻

[1]周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[2]馮毅萍，榮岡，趙久強，等.面向工程教育的智能制造教學工廠[J].實驗技術與管理，2018，35（5）：173-179.

[3]房朝暉，白瑞峰，韓洪洪.電氣工程與自動化虛擬仿真實驗教學體系構建[J].實驗室科學，2017，20（2）：127-130.

[責任編輯：陳澤琦]