智能機(jī)器人在機(jī)械工程創(chuàng)新實驗教學(xué)中的應(yīng)用

王飛 周龍 劉建國

【摘 要】智能機(jī)器人技術(shù)在智能制造中具有重要的作用，新時代，培養(yǎng)新一代具有智能制造能力的機(jī)械專業(yè)大學(xué)生是每個高校必須面對的課題。上海理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院經(jīng)過多年的探索，巧妙地將智能思想引進(jìn)機(jī)械專業(yè)創(chuàng)新實驗課程中，形成了智能機(jī)器人創(chuàng)新平臺，開設(shè)了相關(guān)創(chuàng)新類實驗課程，組建了機(jī)器人賽隊，引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)秀的想法落地生根，參加各項科技類機(jī)器人大賽。大學(xué)生通過這一系列的學(xué)習(xí)和鍛煉，激發(fā)大學(xué)生智能制造思維，且有效地提高了大學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。這種教學(xué)探索對其他高校也具有借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】智能機(jī)器人;機(jī)械專業(yè)創(chuàng)新實驗;教學(xué)探索

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

智能制造技術(shù)是國家明確的發(fā)展方向，智能制造的關(guān)鍵是人才。高等教育擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)國家各行業(yè)未來接班人的重任， 2016年國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《中國制造2025》的通知，提出緊密圍繞重點制造領(lǐng)域關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開展新一代信息技術(shù)與制造裝備融合的集成創(chuàng)新和工程應(yīng)用[1]。在這樣的背景下，制造行業(yè)對大學(xué)生智能技術(shù)領(lǐng)域的需要越來越高，尤其是智能機(jī)器人，為培養(yǎng)出適應(yīng)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(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所的馮毅萍等人構(gòu)建了新型智能制造教學(xué)工廠概念模型[2];天津大學(xué)的房朝暉采用專業(yè)虛擬仿真軟件，通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將智能制造設(shè)備3D虛擬模型與實體PLC設(shè)備建立實時數(shù)據(jù)連接，形成虛實結(jié)合的智能制造實驗教學(xué)系統(tǒng)[3]。目前的培養(yǎng)模式存在課程結(jié)構(gòu)單一、缺少將智能學(xué)科融入教學(xué)中等問題，尤其是實踐類教學(xué)。因此，急需將智能領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)落實到現(xiàn)階段的實踐教學(xué)中，上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院經(jīng)過多年的探索，以機(jī)器人創(chuàng)新實驗平臺為抓手，將智能機(jī)器人課程貫穿在教學(xué)活動中，并以此為基礎(chǔ)參加各類科技比賽，提升學(xué)生動手解決復(fù)雜工程問題的能力。

1 機(jī)器人創(chuàng)新實驗平臺建設(shè)

機(jī)械工程實驗中心根據(jù)國家“以促進(jìn)大學(xué)生的全面發(fā)展和適應(yīng)社會需要為宗旨，以培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力為核心”的要求，以“工業(yè)4.0”及“中國制造2025”為導(dǎo)向，緊密圍繞產(chǎn)學(xué)研及學(xué)科專業(yè)建設(shè)，注重國際合作，不斷引進(jìn)新元素，先后與國際知名高校共建機(jī)器人創(chuàng)新實驗平臺，為引進(jìn)國際機(jī)械工程領(lǐng)域先進(jìn)實驗技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

機(jī)器人創(chuàng)新實驗平臺實行完全開放運行，學(xué)生可隨時進(jìn)入創(chuàng)新實驗室進(jìn)行創(chuàng)新實驗，成為我校學(xué)生參加全國、上海市大學(xué)生機(jī)械設(shè)計競賽、工程問題競賽、機(jī)器人競賽、汽車設(shè)計競賽的基地。創(chuàng)新實驗室每年接納100多名優(yōu)秀學(xué)生，在教師指導(dǎo)下獨立完成創(chuàng)新課題設(shè)計。

考慮到不同專業(yè)、不同年級的學(xué)生知識水平差異，在課程安排上首先通過一些有關(guān)機(jī)器人方面的基礎(chǔ)教學(xué)讓學(xué)生在機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械加工、編程方法、電子元件、傳感器等方面打下良好的基礎(chǔ)，然后可以通過5～6人分組的方式組建創(chuàng)新小組，由教師引導(dǎo)，學(xué)生小組討論、論證、答辯的方式來形成創(chuàng)新項目，接下來在規(guī)定的課時內(nèi)同學(xué)們完成整個項目。整個過程中，同學(xué)們通過合作可以很好地取長補(bǔ)短，齊心協(xié)力，既學(xué)習(xí)了專業(yè)知識、鍛煉了創(chuàng)新能力，又培養(yǎng)了良好的集體合作精神。最后的答辯環(huán)節(jié)也訓(xùn)練了PPT制作能力和語言表達(dá)、辯論能力，為其以后的學(xué)習(xí)和工作做了很好的準(zhǔn)備。

2 智能機(jī)器人創(chuàng)新課程

2.1 相撲機(jī)器人實驗

課程內(nèi)容包括以下幾個方面：①組裝相撲機(jī)器人;②學(xué)習(xí)使用BASIC STAMP軟件;③伺服電機(jī)介紹;④LED測試電路的搭建;⑤伺服電機(jī)調(diào)零;⑥測試電機(jī);⑦相撲機(jī)器人巡航控制。

實驗教學(xué)目的與任務(wù)：①通過組裝機(jī)器人使學(xué)生能了解機(jī)器人學(xué)基本原理、運動基礎(chǔ)及相關(guān)擴(kuò)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(jī)的基本構(gòu)成及原理，學(xué)會搭建LED測試電路;掌握揚聲器的使用完成伺服電機(jī)的調(diào)零;學(xué)會調(diào)整、測試電機(jī)，通過連接、調(diào)整和測試相撲機(jī)器人的伺服電機(jī)，以及LED測試電路的搭建，使學(xué)生能夠基本掌握對伺服電機(jī)的控制。②通過編程使機(jī)器人能做出一些基本的動作，并能掌握調(diào)節(jié)方法使動作更加精確;通過本次實驗，讓學(xué)生掌握調(diào)節(jié)和校正機(jī)器人巡航路徑的方法，為后面的實驗做好準(zhǔn)備;掌握子程序調(diào)用方法。

2.2 工業(yè)機(jī)器人創(chuàng)新實驗課程

實驗?zāi)康模毫私鈓otoman工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、控制操作特點;初步掌握該型機(jī)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(biāo)系

利用坐標(biāo)軸按鈕移動或定位機(jī)械手，包括關(guān)節(jié)坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系。

2.2.3 打開電源

打開電源時，首先打開總電源開關(guān)，然后打開伺服電源開關(guān)。開電源之前，務(wù)必保證機(jī)械手周圍區(qū)域的安全。打開總電源開關(guān)，把XRC面板前部的總電源開關(guān)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(jìn)入示教模式。操作者按住操作面板開關(guān)，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(yù)設(shè)軌跡）

（1）示教準(zhǔn)備：①按下回饋面板上的TEACH鍵進(jìn)入示教模式。②按下控制面板上的TEACH LOCK鍵，進(jìn)入示教鎖定狀態(tài)。③移動光標(biāo)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?lián)Q頁鍵，屏幕顯示字母表。將游標(biāo)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(biāo)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(rèn)：將游標(biāo)移至第一步（第0001行）。按下FST鍵或SLW鍵將速度調(diào)為中速。按下FWD鍵確信每一步驟機(jī)械手都會執(zhí)行。每按一次FWD鍵。機(jī)械手就會執(zhí)行一步。當(dāng)你完成了步驟確認(rèn)，將游標(biāo)移至工作開始處。將所有步驟連續(xù)運行一遍。按下INTERLOCK和TEST START鍵，機(jī)械手會在執(zhí)行一個工作循環(huán)后自動停下。

2.2.5 回饋（運行）

（1）運行前的準(zhǔn)備：將游標(biāo)移至程序開始的地方。用坐標(biāo)控制鍵將機(jī)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(jī)械手會按照程序完成一個完整的循環(huán)后停下。

3 智能機(jī)器人校隊與科技類賽事

3.1 智能機(jī)器人校隊

以機(jī)器人創(chuàng)新實驗平臺為基地，專業(yè)老師指導(dǎo)大學(xué)生組建智能機(jī)器人校隊，在全校范圍內(nèi)招募各專業(yè)大學(xué)生加入。專業(yè)涵蓋自動化、光學(xué)工程、計算機(jī)、機(jī)械工程、電氣工程及出版藝術(shù)專業(yè)，充分發(fā)揮各專業(yè)的優(yōu)勢特點，學(xué)科交叉融合，由學(xué)生自主管理，開展關(guān)于智能機(jī)器人領(lǐng)域的培訓(xùn)，專業(yè)教師指導(dǎo)答疑，通過智能機(jī)器人校隊的模式，達(dá)到在過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.2 科技類賽事和獲獎

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

智能機(jī)器人創(chuàng)新實驗平臺已經(jīng)為學(xué)生產(chǎn)出200余個項目，大部分項目參加比賽并獲獎，20余個項目轉(zhuǎn)換為國家專利。對大學(xué)生智能制造能力的培養(yǎng)具有較好的促進(jìn)作用。圖2為學(xué)生自主開發(fā)創(chuàng)新實驗項目：家庭清潔機(jī)器人和硬幣分揀計數(shù)機(jī)。

4 結(jié)語

智能機(jī)器人創(chuàng)新實驗平臺作為“智能制造工程教育”人才培養(yǎng)的重要實踐基地之一，承擔(dān)了機(jī)械類學(xué)生智能創(chuàng)新領(lǐng)域的實踐教學(xué)，包括課程實驗、自主創(chuàng)新項目、大學(xué)生賽事、科研實驗。緊密依托學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，整合教學(xué)資源，實現(xiàn)資源共享和有效利用。在圓滿完成教學(xué)計劃的基礎(chǔ)上，著力開發(fā)、開放自主性、提高性、創(chuàng)新性實驗項目，培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力、創(chuàng)新能力和社會責(zé)任感，成為培養(yǎng)智能制造領(lǐng)域工程技術(shù)人才的重要抓手。

參 考 文 獻(xiàn)

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

[2]馮毅萍，榮岡，趙久強(qiáng)，等.面向工程教育的智能制造教學(xué)工廠[J].實驗技術(shù)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(xué)體系構(gòu)建[J].實驗室科學(xué)，2017，20（2）：127-130.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]