《機器人技術》教學案例庫建設與探討
——以高鐵鋼軌修磨機器人為例＊

廣州大學機械與電氣工程學院 蕭仲敏 吳文強 王建暉 唐睿智 吳宇深

作為高校機器人工程專業的專業必修課，《機器人技術》是一門關于研究、設計、制造和應用機器人的重要課程。在機器人工程等專業教學中，建立教學案例，結合實際的機器人技術研發項目，深入工程問題，科教融合，將有助于《機器人技術》等專業課程的教學，同時教學案例庫的建設與應用對于機器人工程專業學生實踐創新能力的培養與提高具有重要的意義，也可以更好地幫助學生學習理解機器人專業知識[1]。通過具體的教學實施，《機器人技術》教學案例庫的建設起到了較好的教學效果。

《機器人技術》是一門關于研究、設計、制造和應用機器人的課程，多學科交叉，主要內容包括機器人結構、機器人運動學、機器人動力學、機器人控制、機器感知、機器視覺、路徑規劃、軌跡規劃等[2]。機器人技術側重實踐[3]，主要體現為機器人建模、機器人仿真、離線編程等，因此開展教學案例庫建設并將其與《機器人技術》課程相融合是培養理論知識扎實，專業實踐能力強的高素質復合型機器人工程類專業人才的有效途徑之一[4]。

本文所建設的高鐵鋼軌修磨機器人技術研發案例，是一個包括機器人設計、編程、規劃、控制、傳感、應用等機器人核心技術開發的案例，具有很好的教學案例展示效果與學習意義。同時，高鐵鋼軌修磨機器人研發項目已經成功參加第八屆中國國際“互聯網+”創新創業大賽，并獲得廣東省分賽省級銅獎榮譽稱號。因此，以該項目為《機器人技術》教學案例庫建設內容具有很好的學習價值。

1 《機器人技術》案例庫建設內容

教學案例庫建設已經被廣泛應用于高等教育、職業教育等教學環節中，教學案例庫的建設應該體現專業教學的內容與方法改革，除了能反映相關課程的時效性，還應該注重適應時間應用能力和創新能力的培養鍛煉[5-8]。

《機器人技術》課程針對機器人工程專業的特點，以工業機器人為研究對象，使學生掌握機器人的基本原理、基本結構、基本控制方式以及最新技術進展，為今后從事機電一體化控制、機器人技術應用的研究工作打下基礎，培養學生綜合運動機器人技術解決電氣領域實際工程問題的能力[9,10]。課程的教學目標是通過課堂教授，使學生掌握從事機器人技術開發與應用所需要具備的運動學/動力學分析、本體設計、制造和控制等專業知識，能用于解決復雜機器人技術工程問題。

基于教學案例庫建設的基本要求，根據《機器人技術》課程的教學目標和教學特點，本文對高鐵鋼軌修磨機器人的開發案例進行了深入發掘和教學設計，從案例的研究背景、技術基礎、基本情況、完成情況、學習要點以及案例總結詳細地介紹了高鐵鋼軌修磨機器人這個開發案例，如圖1 所示。

圖1 《機器人技術》案例庫建設內容Fig.1 Content of case library construction for “Robot Technology”

2 “科教融合”機器人案例庫建設

高鐵鋼軌修磨機器人項目是廣州大學與廣鐵集團合作研發項目，在鋼軌焊縫打磨工作中引進新型機器人自動化設備，研發全自動鋼軌焊縫打磨機器人系統，將新式自動化和可視化設備融入到傳統打磨行業中，實現制造過程全線自動化，無人化生產。該研究旨在建立一套完整的關于機器人鋼軌焊縫修磨的傳感、規劃、控制和應用技術體系，實現了機器換人，其技術難點體現在焊縫識別與檢測技術、自動編程與控制技術、機器人軌跡控制算法及柔性加減速以及機器人恒力控制和力/位混合控制等方面。該研究成果榮獲2020 年廣東省科技進步二等獎。

從案例的核心技術研發內容可以看出，高鐵鋼軌修磨機器人系統的技術要點符合《機器人技術》的課程教學內容與教學目標，因此可以建立案例技術要點與課程教學計劃相對應的案例內容，并將其中的案例技術要點提取出來，形成獨立的、專門的教學環節，以此通過實際運用到機器人案例上的技術點來引導學生學習相應的知識點，如表1 所示。

表1 課程與案例結合內容Tab.1 Content of combination of courses and cases

（1）介紹機器人整體結構設計：修磨機器人整體結構由機器人本體與輔助設備構成，如圖2 所示。教學過程中將具體分析機器人整體結構和打磨頭結構的設計原理。

圖2 修磨機器人整體結構Fig.2 Overall structure of grinding robot

（2）軌跡規劃：軌跡規劃模塊內容包括機器人運動學、動力學及插補等模塊，運算量很大且非常復雜，如何簡化處理過程，提高運算效率，保證算法的實時性是該模塊實現的難點。因此在案例中所涉及的平滑軌跡規劃方法對以直線、圓弧為主的機器人空間軌跡進行平滑規劃，以解決機器人軌跡停頓、不流暢、抖動、偏離路徑、超速等問題，進一步提升機器人運動的效率和平穩性。

（3）柔性加減速技術：修磨機器人采用擺線加減速規劃方法，使用簡化的正弦曲線或余弦曲線加減速模型，其完整的加減速過程分為加加速、減加速、勻速、加減速、減減速5 個階段，相對S 曲線加減速，該方法具有加加速度連續、計算簡單等優點。

（4）無碰協調運動規劃：提出了多種基于任務的多機器人無碰協調運動規劃的方法。相比于傳統概率路徑地圖規劃法造成路徑冗余和產生離散路徑點，案例提出的基于構型空間與空間資源分配規劃法能產生優化的路徑，實現連續的操作任務。

（5）在線自動編程系統：基于SolidWorks 三維建模軟件和Visual Studio 開發平臺，結合鋼軌及其焊縫的形貌特征，開發一款提高機器人修磨焊縫程序的編寫效率、解決復雜曲面離線編程困難的問題、便于和CAD/CAM系統集成，做到CAD/CAM/Robotics 一體化的高鐵鋼軌焊縫修磨機器人自動編程系統的實現方案，如圖3 所示。

圖3 高鐵鋼軌焊縫修磨機器人自動編程系統方案Fig.3 Scheme of automatic programming system for highspeed rail welding seam grinding robot

（6）機器人恒力控制：研究機器人力/位混合控制技術、力反饋阻抗控制技術，提出基于位置與速度的聯合控制方法。結合鋼軌修磨的實際情況，在經典的阻抗控制方案加入期望力信息，并將接觸力的大小進行重力補償，建立通過末端位移來修正力的阻抗控制模型。

（7）修磨機器人工作站：設計并組建機器人焊縫粗磨生產線，對焊縫檢測技術、自動編程技術、運動規劃技術和打磨力控技術等進行測試實驗，并投入實際生產，是全國第一條機器人打磨鋼軌焊縫生產線，系統總體運行情況良好，穩定，打磨質量已取得鐵科院的質量檢驗認證，通過對打磨后鋼軌表面誤差測量，打磨效果也比較好，誤差可控，精度滿足要求。

3 教學效果體現與總結

借助教學案例庫建設的機會，高鐵鋼軌修磨機器人項目已經在課堂上通過講授、視頻等方式介紹給機器人工程專業學生認識、研究與探討。同學們也對案例里面涉及的知識點表示出極大的興趣，并根據自身的想法提出一些較有意義的創新點，這也促進了高鐵鋼軌修磨機器人項目的深入研究與改進。

同時經過具體的教學實施，《機器人技術》案例庫的建設，不僅豐富教學內容、提高教學質量，而且能夠通過引進機器人產品、組建機器人實驗室來強化基礎條件，讓學生理論知識與實際操作相結合，提高能力培養的有效性。《機器人技術》案例庫的建設能夠幫助學生開闊自己的學習領域，研究探討更深層次的知識，形成自己的學習模式和學習網絡，同時可以建立更加優良、開放性更好的學習平臺，將更多的優質教學資源傳授于學生，促進學生全方位發展。