KUKA本體的工業機器人實踐教學案例庫建設探索與研究*

李光宇 ，范 鈞 ，張 錦 ，葛海浪 ，李守軍

（宿遷學院機電工程學院，江蘇 宿遷 223800）

隨著工業機器人在各行各業的廣泛應用，相關專業的人才需求也在快速增長，根據《中國工業機器人產業發展白皮書》數據，2020年中國機器人產業人才缺口已達300萬，隨著機器人工程專業在本科院校的全面鋪開，可以有效緩解該問題。但如何不斷提高該專業學生的工程實踐能力，讓他們更符合企業的需要，是專業課程實踐教學發展的方向與目標。

1 工業機器人實踐教學存在的主要問題

工業機器人作為目前機器人工程專業與其他機電類專業必修課之一，其實踐教學主要存在以下問題。

1.1 教學內容過于理論化

實踐課程是鍛煉學生動手能力和生產實踐能力的重要環節，但是實踐課程內容設置往往會傾向理論化，類似于說明書的照本宣科，缺少應用背景，不能滿足企業實際應用對人才的需求。

1.2 實踐教學資源不足

教學中使用的案例大多以知識驗證為主，缺乏應用背景案例，且數量不足，課堂教學內容陳舊，更新滯后。

1.3 缺乏對學生自主學習能力培養

目前，教學大多仍以老師講、學生聽、聽完做實驗這種傳統的教學模式為主，無法吸引學生。學生課堂缺少自主思考、自主創新的空間。

2 案例教學與案例庫建設目標

2.1 案例教學與應用

案例教學是將教學內容以案例的形式運用到課堂教學活動中，通過剖析案例，按照相應知識體系認知過程來引導學生，提高學生對知識體系的認識[1]。案例教學法在機器人教學上應用廣泛，陳曉江等結合專業主干課程開發出機器人應用案例庫，有效提高了學生理論分析能力與應用編程能力[2]。顧繼俊在機器人技術課堂教學采用研討式案例教學模式，激發了學生學習興趣[3]。李尚榮等在某型足球機器人平臺上設計了教學案例，提高了實踐教學效果[4]。趙玉俠等以學生學習的興趣為切入點，通過設計工業機器人寫字案例來探討機器人編程[5]。隋欣采用ABB機器人仿真系統設計了離線編程案例，解決了設備臺套不足等問題[6]。謝勝龍等設計基于下肢康復機器人的機電一體化系統，在此系統基礎上開發教學案例，提高了學生工程意識和對復雜工程的分析問題、解決問題的能力[7]。諸多教學案例成功應用于機器人相關課程教學，充分說明了案例教學效果顯著，對提高學生相關綜合能力效果顯著。

2.2 案例庫建設目標

工業機器人實踐教學案例庫的建設將以人才培養方案和大綱為依據，針對教學內容的各章節重要程度及相互關系，結合專業教師研究課題以及企業需求，確定該案例庫框架架構。案例庫案例分為基礎案例、拓展案例以及虛擬仿真案例三類，以基礎案例與拓展案例為主體。基礎案例主要針對課程基礎理論設置，是要求學生學習案例之前必須掌握的內容，該部分案例主要將理論知識以實際案例的形式展現，讓學生親自動手進行編程調試。拓展案例具有一定難度，將進一步提高學生知識應用水平和實踐能力，該部分案例給出需要實現的功能要求，讓學生自己查閱相關資料，構思案例實施方案，并最終實現功能要求，并進行相互評比。

工業機器人實踐教學案例庫建設主要實現以下目標：1）建成工業機器人實踐教學的精品案例庫，根據工業機器人課程內容和企業實際應用需求，開發建設涵蓋工業機器人課程主要知識點的實踐教學案例庫，案例要實現精品化和企業化。2）形成一套能長期執行且行之有效的案例實施方案。開展案例庫實施方法研究，解決目前實踐教學存在的問題，如重講解和演示、輕動手的現象。3）提升學生工程素養和綜合能力。通過精品化和企業化案例庫的實施，激發學生學習興趣，培養學生自主學習能力、創新能力、團隊協作意識和精益求精的工匠精神。

3 案例庫方案設計

3.1 案例庫框架設計

案例庫設計框架如圖1所示。案例庫建設主要分為基礎案例與拓展案例兩種，包含8個主要案例。基礎案例包括描繪、打磨、搬運，以基礎指令訓練為主，難度較低。拓展案例包括碼垛、焊接、裝配，拓展案例有一定難度，是對基礎案例的知識的融合與加深。另外還有兩個虛擬仿真實驗案例，在機房完成，可以作為學生的選做案例。

圖1 案例庫框架圖

3.2 基礎案例

基礎案例較為簡單，以基礎運動指令編程為主，包括描繪案例、搬運案例與打磨案例。描繪案例是對ptp、lin、circ三個基本運動指令的訓練，可進行圓、直線、曲線等軌跡的描繪練習，該案例是所有案例中最基礎的案例。搬運案例是機器人通過吸盤工具按要求對物件進行分類擺放，此案例除對三個基礎運動指令進行訓練外，增加了wait和out輸出端用來預留吸盤工具吸取時間和吸盤工具控制。打磨案例機器人通過I/O和以太網與PLC進行信息交互，在搬運案例各個指令訓練基礎上增加了in指令，開始打磨之前，PLC需開啟打砂帶旋轉，機器人通過in指令來實現。

3.3 拓展案例

拓展案例綜合了所有基礎案例基礎知識點并在此基礎上加入判斷、循環、子程序調用等，更具有綜合性與設計性，主要包括碼垛案例、裝配案例與焊接案例。碼垛案例能練習對工業機器人碼垛的理解和編程示教的強化訓練，實現多種垛型，拓展知識點有loop循環使用、for循環使用等。裝配案例是用于有一定裝配順序的零件裝配，裝配完成后完成成品入庫，拓展知識點有switch與if的應用。焊接案例是適配外圍控制器套件、標準電氣接口套件及焊槍快換，可實現模擬工業焊接訓練，拓展知識點有switch指令、if指令與for指令等。

另外還有工業機器人模擬拆裝與機器人Matlab仿真實驗，作為備選實驗，供學有余力的學生選做。

3.4 實現平臺

本案例庫是在某KUKA機器人實驗平臺上構建的，如圖2所示，中間黑色區域為機器人移動滑軌。區域⑦為工具快換區域，主要包括吸盤工具、夾爪工具、描筆工具、焊接工具與磨棒工具，KUKA機器人在執行不同案例時需要切換不同的工具，有的案例完成需要切換幾種不同工具。描繪案例在區域①位置完成，使用描繪工具根據平臺上已有的線條進行描繪，搬運案例在區域②完成，使用吸盤工具將物塊搬運到右側空區域。打磨案例在區域④位置完成，機器人通過夾爪工具將一立方體工件運送到④區域，電機驅動砂帶高速轉動，機器人將需要打磨的面與砂帶接觸來進行打磨，通過變換不同姿態來打磨不同的面。焊接案例在區域③完成，機器人通過焊槍工具來焊接平臺上方立方體工件的內側，工件需要通過步進電機來變換平臺上工件姿態來實現焊接，焊接完成后，機器人需要換磨棒工具對焊縫進行打磨。碼垛案例也是在區域②位置完成，是對搬運案例加深學習。裝配案例在區域⑤處進行，裝備零件如圖3所示，主要使用吸盤與夾爪兩種工具來實現裝配，裝配完成后放入倉儲平臺⑧。

圖2 KUKA機器人實驗平臺

圖3 裝配零件圖

4 案例庫實施過程

案例以實驗室的工業機器人為對象，用企業中機器人實際工作案例，切實提高學生工程實踐能力。案例開始前可先布置預習任務，然后介紹案例目標，并提出案例要求，案例的實施將由學生為主導，指導老師輔助完成，學生每5～10人為一個小組，組內各成員先討論實現方案，分工完成案例要求。最終將在課堂上公開演示、討論各組的案例實施效果，提升師生互動性。

基礎案例主要針對課程基礎理論設置，是要求學生學習案例之前必須掌握的內容，該部分案例主要將基礎指令以實際案例的形式展現，讓學生親自動手進行編程調試。基礎案例每組學生選做1～2個，根據進度與時間靈活調整。

拓展案例均具有一定難度，主要是針對有興趣繼續挑戰的同學設置，以進一步提高其知識面和實踐能力，該部分案例給出需要實現的功能要求，讓學生查閱相關資料，構思案例實施方案，并最終實現預定的功能要求，并進行相互評比。拓展案例每組最少選做1個。

案例庫在實施過程中還要不斷地改進與完善，學生完成案例后教師需對案例完成效果進行評估，對于完成效果不夠理想的案例要分析原因，并與學生進行討論，了解學生對案例學習困難點，在此基礎上來改進教學方法與教學內容。

5 案例庫實施效果反饋

通過在宿遷學院機電工程學院一學年對機電一體化與自動化兩個專業的教學實踐，學生的學習熱情有了明顯的提高，分組后討論熱烈，教師答疑頻次明顯高于之前的教學，實驗完成的效果上也明顯好于之前，具體提升體現在以下幾個方面：

1）對原有實踐教學內容進行篩選、整理與擴充，將原本理論化、說明書化的知識穿插到實際應用案例中，將抽象模糊的知識實例化，更有利于學生掌握。

2）通過案例庫教學的實施，學生分組后可以自主選擇學習的案例，有效地激發了學生學習熱情，充分體現了以學生為主體、教師為主導的教學思想。在小組內的研討與分工也提高了學生的團隊協作能力。

3）提升了學生的動手能力，在案例的教學過程中，每個教學單元都需要學生親自完成案例，鍛煉了學生解決實際問題的能力，完成案例的過程也讓學生獲取到了實際工程經驗，提高了工程實踐能力。

6 結束語

綜上所述，工業機器人實踐教學容易走入重理論講解輕實踐應用的誤區，造成學習內容枯燥，學生學習積極性低，不利于培養學生的工程實踐能力，將案例庫應用于實踐教學并調整相應的知識體系與教學手段可以有效解決這些問題。案例庫建設不能一蹴而就，是一個長期的、不斷完善的過程，后期的案例庫建設計劃向兩個方向進行完善。一是要深入企業，開展校企合作，結合生產實際來對目前的案例庫進行修改、補充。二是針對目前的一些大學生機器人競賽項目，如第四屆中國高校智能機器人創意大賽的俄羅斯方塊項目，用這些項目來擴充案例庫。在教學的同時還可以進行競賽隊員選拔，組隊去參加這些比賽，達到以賽促學、以賽代練的目的。