機(jī)器人技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

鄭明輝

（1.山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253034；2.智能制造裝備設(shè)計(jì)工程技術(shù)研發(fā)中心，山東 德州 253034；3.德州市工業(yè)機(jī)器人控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 德州 253034）

引言

機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為生產(chǎn)中不可缺少的得力助手，這也促使以培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型人才目標(biāo)的應(yīng)用型本科高校紛紛開設(shè)機(jī)器人技術(shù)相關(guān)課程。機(jī)器人技術(shù)課程不同于機(jī)器人學(xué)等理論課程，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，我們在教學(xué)過程中不能只講解理論知識(shí)，而必須以強(qiáng)化工程應(yīng)用與實(shí)踐能力為人才培養(yǎng)目標(biāo)，堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合，適應(yīng)現(xiàn)在制造行業(yè)人才需求為主要目標(biāo)，注重加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生在機(jī)器人編程操作、安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)等動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力等方面都能得到訓(xùn)練和提高[1-2]。

《機(jī)器人技術(shù)》是我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程專業(yè)課程體系中的核心課程，在新工科和智能制造背景下，要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，必須改變目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中新技術(shù)融入不夠、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)考核方式單一的狀況。

1 機(jī)器人技術(shù)課程主要內(nèi)容

我校人才類型定位為應(yīng)用型、技術(shù)技能型人才。緊密圍繞學(xué)校人才培養(yǎng)定位和專業(yè)特色，結(jié)合新工科和智能制造背景，在機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)中不能重理論輕實(shí)踐，必須加大并結(jié)合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，才能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，達(dá)到培養(yǎng)的學(xué)生的工程應(yīng)用及實(shí)踐操作能力。機(jī)器人技術(shù)課程涉及多方面的知識(shí)，主要包括機(jī)器人的基本概念、機(jī)械結(jié)構(gòu)、感知系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、編程語言、機(jī)器人的應(yīng)用。機(jī)器人技術(shù)是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的新技術(shù)，本課程內(nèi)容較多且前后內(nèi)容交錯(cuò)，必須是理論與實(shí)踐相結(jié)合，才能加深對理論知識(shí)的理解，提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

2 需解決的問題

加大實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)比重。“職教20條”下，“1+X”工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程、工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維等職業(yè)技能等級證書要求對職業(yè)技能等級標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容與課程進(jìn)行高度融合。應(yīng)該通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和結(jié)構(gòu)，增加機(jī)器人編程與操作實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生們應(yīng)用編程、操作與運(yùn)維等技能，為“1+X”工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程、操作與運(yùn)維的“課證融合”的開發(fā)提供思路，為職業(yè)技能等級證書考取奠定基礎(chǔ)。

理論考核和實(shí)踐考核的結(jié)合。目前機(jī)器人技術(shù)課程考核一般偏重于理論考核成績，實(shí)驗(yàn)成績一般只作為平時(shí)成績的一部分，今后考核時(shí)要注重實(shí)驗(yàn)成績的與理論考核結(jié)合，實(shí)驗(yàn)成績應(yīng)該作為總評成績的一部分。實(shí)驗(yàn)考核采用要求學(xué)生現(xiàn)場獨(dú)立完成機(jī)器人實(shí)踐項(xiàng)目，完成操作和調(diào)試，同時(shí)現(xiàn)場向?qū)W生提問實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)專業(yè)知識(shí)，根據(jù)課堂表現(xiàn)、實(shí)際操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告，最后給出實(shí)驗(yàn)成績。通過這種考核方法，可以極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和實(shí)際操作的能力[3-5]。

3 機(jī)器人技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容探索

根據(jù)中國電子學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用人才需要重點(diǎn)關(guān)注的技能指標(biāo)有以下四個(gè)方面。1.編程能力：PLC編程、伺服控制程序調(diào)試；2.裝配調(diào)試：機(jī)器人安裝、電氣調(diào)試、氣路連接；3.維修檢測：斷路故障檢測、接線錯(cuò)誤檢測。4.安全生產(chǎn)：生產(chǎn)效率把控、防護(hù)用具使用、場地安全維護(hù)。通過本門《機(jī)器人技術(shù)》課程的學(xué)習(xí)，基本能達(dá)到培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用人才主要的技能指標(biāo)。我校機(jī)械工程學(xué)院擁有機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)器人編程與操作、機(jī)器人綜合訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)室等多個(gè)設(shè)備先進(jìn)、功能完善的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室。其中工業(yè)機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)室被立項(xiàng)為德州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，充分滿足本課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、創(chuàng)新、競賽等方面的需要。

《機(jī)器人技術(shù)》本門課程主要包含8課時(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一：機(jī)械手拆裝；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目二：工業(yè)機(jī)器人模擬機(jī)的使用；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目三：模塊化機(jī)器人的示教與再現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目四：工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)。采用“項(xiàng)目導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)方法進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。

以機(jī)械手的拆裝實(shí)驗(yàn)為例，課前提前通過學(xué)習(xí)通手機(jī)App或者電腦端將實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻、課件、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目任務(wù)下發(fā)，學(xué)生們可以反復(fù)觀看教學(xué)視頻，提前做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，也能積極引發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)操作的興趣和探究興趣。

課中在機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行理論講解，首先介紹機(jī)械手拆裝所需工具和實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。再講解組成和原理：機(jī)械手拆裝實(shí)訓(xùn)裝置機(jī)械系統(tǒng)主要由以下幾大部分組成：原動(dòng)部件、傳動(dòng)部件、執(zhí)行部件。基本機(jī)械結(jié)構(gòu)連接方式為原動(dòng)部件→傳動(dòng)部件→執(zhí)行部件。原動(dòng)部件采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，在機(jī)器人末端有一個(gè)氣動(dòng)夾持器，以完成抓取、裝配等作業(yè)。由老師演示拆卸順序和裝配順序，學(xué)生分組在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行拆裝操作，教師巡回指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決問題，要求每位同學(xué)都能夠獨(dú)立完成拆裝實(shí)驗(yàn)，并對每位同學(xué)進(jìn)行實(shí)操情況和課堂表現(xiàn)打分；課后要求學(xué)生提交機(jī)械手拆裝實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)報(bào)告，由老師根據(jù)實(shí)際情況打分。

圖1 機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置

線上在學(xué)習(xí)通討論區(qū)創(chuàng)建話題發(fā)起討論歸納總結(jié)實(shí)操問題，實(shí)現(xiàn)線上線下和老師互動(dòng)討論交流。通過學(xué)習(xí)通的統(tǒng)計(jì)功能也能監(jiān)測學(xué)生們的線上學(xué)習(xí)和互動(dòng)情況。

實(shí)驗(yàn)成績包括實(shí)際操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、課堂表現(xiàn)三部分組成，并作為課程最終考核成績的一部分，解決了以往只看實(shí)驗(yàn)報(bào)告評價(jià)實(shí)驗(yàn)成績，實(shí)驗(yàn)課程走過場只寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的傳統(tǒng)教學(xué)模式。

《機(jī)器人技術(shù)》課程進(jìn)行中間，還有《機(jī)器人編程與操作實(shí)訓(xùn)》集中實(shí)踐課程，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目主要內(nèi)容包括工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)應(yīng)用、工業(yè)機(jī)器人焊接應(yīng)用、工業(yè)機(jī)器人打磨應(yīng)用等實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目，緊密結(jié)合行業(yè)和企業(yè)需求，貼合企業(yè)實(shí)際崗位能力要求，能夠讓學(xué)生進(jìn)一步掌握典型工業(yè)機(jī)器人的基本編程和操作知識(shí)，為考取“1+X”相關(guān)技能證書打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并可以進(jìn)一步鞏固理論課程內(nèi)容，提升學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力。通過實(shí)驗(yàn)課程和集中實(shí)踐課程，最終實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化，將理論知識(shí)和實(shí)際操作相互促進(jìn)、融為一體，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)，鞏固理論知識(shí)。課外通過開放相關(guān)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室，開展學(xué)生的第二課堂，讓學(xué)生們進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目重新設(shè)計(jì)強(qiáng)化、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練，能夠培養(yǎng)他們的創(chuàng)新實(shí)踐能力[6]。

通過《機(jī)器人技術(shù)》實(shí)驗(yàn)課程和集中實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作，實(shí)驗(yàn)課程從基礎(chǔ)機(jī)器人機(jī)械認(rèn)知、虛擬仿真操作、示教編程操作到初步的系統(tǒng)集成，使學(xué)生在編程操作、調(diào)試維護(hù)機(jī)器人任務(wù)過程中掌握機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)，其中包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、編程語言、控制系統(tǒng)等理論知識(shí)；掌握機(jī)器人示教編程操作；掌握使用機(jī)器人仿真軟件完成編程與仿真運(yùn)行；具有工業(yè)機(jī)器人工作站的編程、調(diào)試維護(hù)能力；初步具有工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成能力。能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的任務(wù)要求，使學(xué)生對機(jī)器人從硬件和軟件等方面都能有全面地認(rèn)識(shí)和掌握。

4 結(jié)論

我們學(xué)校是應(yīng)用型本科高校，是培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展，具有高度社會(huì)責(zé)任感，扎實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，較強(qiáng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的高素質(zhì)應(yīng)用技術(shù)型人才。通過對本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐，將機(jī)器人課程抽象復(fù)雜的理論知識(shí)與生動(dòng)有趣的實(shí)踐操作相結(jié)合，能提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣和積極性，既可以讓同學(xué)們加深對理論知識(shí)的理解，又可以讓學(xué)生們掌握機(jī)器人的編程操作、調(diào)試維護(hù)等技能，為社會(huì)培養(yǎng)高素質(zhì)的復(fù)合型應(yīng)用型人才。