工程型院校機器人課程的教學改革與實踐

劉凌云++羅敏+李慧玲+吳岳敏

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

關鍵詞：機器人教學；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)生產第一線培養(yǎng)高級工程應用型人才。針對這一總的指導思想，我校自動化專業(yè)明確提出以汽車生產自動化作為專業(yè)方向，把培養(yǎng)和造就綜合素質高、工程創(chuàng)新意識和實踐能力強的工程應用型人才作為本專業(yè)人才培養(yǎng)目標，在人才培養(yǎng)計劃、課程設置等方面大膽的進行改革與探索，突出數控系統與工業(yè)控制方面的工程訓練內容及培養(yǎng)方向，形成機械基礎—PLC技術—數控技術及編程—典型數控系統及應用—工業(yè)機器人工程應用為主線的汽車生產自動化技術系列課程。

尤其是工業(yè)機器人技術廣泛應用于各個工業(yè)領域，成為制造業(yè)生產自動化中主要的機電一體化設備，與PLC、數控技術并列成為當今工業(yè)自動化生產的三大支柱[1]。為了適應這種社會需求的變革，在高等院校中開設相關機器人技術及應用的課程和實驗，有利于培養(yǎng)學生的科學素質和工程意識[2]。

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

一、機器人課程教學情況

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

我校自動化專業(yè)于2006年開設《機器人技術導論》課程，盡管在教學內容上反映當前工業(yè)機器人技術的發(fā)展現狀與趨勢，在教學方法上從興趣方面引導學生積極自主地學習，同時借助于多媒體技術，特別是講解機器人數學建模時，結合動畫和錄像演示以增強教學的時效性；但教學環(huán)節(jié)上偏重于教師的講授，學生獨立思考欠缺、無實踐教學環(huán)節(jié)、教學內容工程實踐性不強。且本門課程涉及面廣、知識復雜、公式繁多、內容抽象，理解困難就成為歷屆學生對該課程的共同印象。

二、課程建設與改進的思考

1.教學內容的更新

依據我校自動化專業(yè)本科生的培養(yǎng)目標，且在技術性層面上最大限度的體現理論和生產實踐相結合，我校自動化專業(yè)將機器人課程名稱更改為《工業(yè)機器人應用技術》，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)機器人實訓系統。

課程授課學時在原有的30學時理論教學基礎上增加了6學時實驗教學；且在課程教學大綱上作了相應的更新，理論教學內容圍繞實驗室的Motoman Up6工業(yè)機器人系統進行增補和刪減：①在機器人運動學章節(jié)的講解中，以Motoman Up6工業(yè)機器人結構為對象，將重點放在前向運動學原理與計算中；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上。③在傳感器原理講述中，應側重于目前機器人系統中應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/攝像機二維位姿檢測在機器人弧焊或上下料中的應用；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應用的講解，便于后續(xù)試驗項目的開展。

同時，在教學方式上增加了現場講解環(huán)節(jié)。為了讓學生們能夠更好地理解和掌握機器人運動學的知識，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，講解機器人的關節(jié)、連桿、坐標系、D-H建模、正運動學和逆運動學的知識。這種教學方式直接、直觀、便于理解，讓學生的學習做到了理論與實際有機結合。

2.機器人技術的實踐教學

為了鞏固工業(yè)機器人的相關理論知識和加深對理論認識，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質工程技術人員，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)機器人實訓系統，并且對本課程相關的實踐教學內容及方法進行了優(yōu)化改進。

其中弧焊工業(yè)機器人平臺由標準型工業(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、氣動V型夾爪）及Meta視覺系統公司的激光定位系統等組成，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/工件坐標系的標定實驗；③復雜構件三維空間模擬點焊實驗；④復雜構件三維空間連續(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)機器人實訓系統以白車身沖壓生產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，以適應對輸送線上處于任意位姿的工件進行抓取。該系統能從控制系統集成、工業(yè)機器人及機器視覺幾個大方向開展創(chuàng)新實驗設計，目前已開出的綜合實驗有：①工業(yè)機器人與PLC之間數據交互及應答通訊；②為滿足各子系統間的協調動作，進行機器人運動程序及PLC控制程序設計；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抓取工件程序設計。

這些綜合性實驗項目的設置，充分體現了與工程實踐相結合的的特點，大大豐富了實驗教學的案例內容。

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合的教學模式，能充分激發(fā)學生的學習興趣、積極性及創(chuàng)新思維，提高了學生的實踐動手能力和工程創(chuàng)新意識，使學生們對于機器人課程有了一個系統的認識和理解。

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

三、結束語

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

參考文獻：

[1] 郗安民，劉穎，陳工，馬祥華等. 工業(yè)機器人教學實驗工作站[J]. 實驗技術與管理，2001：18（5）： 17-20.

[2] 萬佑紅，蔣國平.機器人教育與大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索[J].電氣電子教學學報，2005：27（4）： 6-9.

[3] 戰(zhàn)強，閆彩霞，蔡堯. 機器人教學改革的探索與實踐[J].現代教育技術，2010：20（3）：144-146.

[4] 張國民，張劍平. 課程視角下的機器人競賽輔導研究[J].中國電化教育，2008，262（11）：92-94.

[5 ] 胡蓉，蔣海燕. 構建“機器人”教學平臺完善工程訓練創(chuàng)新與實踐教學體系[J]. 決策管理2008，1：73-74.

[6] 李鳴華. 機器人教育的教學設計[J].中國電化教育， 2007，247（8） ：98-101.

作者簡介：劉凌云，男，湖北荊州人，副教授，研究方向：機器視覺、機器人應用研究；E-mail：270228224@qq.com ；羅敏，男，教授，研究方向：數控技術等。