新工科背景下運(yùn)動控制實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目探索

陳嵐萍

(常州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 常州 213164)

0 引言

為適應(yīng)工業(yè)4.0及中國制造2025行業(yè)發(fā)展[1～3]，常州大學(xué)自動化專業(yè)主動對接長三角地區(qū)智能制造產(chǎn)業(yè)規(guī)劃發(fā)展需要和企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新要求，優(yōu)化學(xué)科專業(yè)布局，發(fā)展視覺導(dǎo)向機(jī)器智能技術(shù)工科領(lǐng)域，改革常州大學(xué)自動化專業(yè)傳統(tǒng)的工程人才培養(yǎng)模式，積極發(fā)展新興工科，打造常州大學(xué)自動化專業(yè)的升級，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。培養(yǎng)學(xué)生了解掌握以數(shù)字化為導(dǎo)向的創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)升級帶來的前沿機(jī)器人控制新技術(shù)，完善新工科背景下工程創(chuàng)新人才應(yīng)具備的知識結(jié)構(gòu)，提升學(xué)生綜合素養(yǎng)和工程關(guān)聯(lián)力，以適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的要求。常大自動化專業(yè)建設(shè)視覺導(dǎo)向機(jī)器運(yùn)動控制及虛擬仿真綜合創(chuàng)新平臺，集成了自動化專業(yè)多門核心專業(yè)知識，如自動控制原理、電機(jī)拖動、PLC技術(shù)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、電氣控制等，因而嘗試突破原有的局限于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動控制實(shí)訓(xùn)，引入機(jī)器人控制先進(jìn)技術(shù)，將其改革為綜合性的創(chuàng)新工程項(xiàng)目教學(xué)，促使學(xué)生了解目前市場的需求以及較為前沿的智能自動化控制及相關(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力[4]，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)和實(shí)施運(yùn)作智能運(yùn)動控制系統(tǒng)，提高解決實(shí)際工業(yè)問題的能力。此創(chuàng)新實(shí)踐工程項(xiàng)目教學(xué)運(yùn)用最新的自動化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生在此平臺上可全方位了解各個(gè)模塊的應(yīng)用，掌握如何設(shè)計(jì)及搭建實(shí)踐的工業(yè)自動化系統(tǒng)。通過實(shí)踐工程項(xiàng)目旨在提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的先進(jìn)專業(yè)技術(shù)應(yīng)用能力，提高工程教育認(rèn)證所要求的復(fù)雜工程能力,提升學(xué)生就業(yè)競爭力[5～7]。

1 創(chuàng)新教學(xué)項(xiàng)目實(shí)施思路

目前，在長三角地區(qū)，工業(yè)機(jī)器人創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目居多，且江蘇省制定了“十三五”智能制造發(fā)展規(guī)劃及2018-2020年三年行動計(jì)劃[8]。常州大學(xué)自動化專業(yè)發(fā)展規(guī)劃方向正是迎合地方新型經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，將傳統(tǒng)的運(yùn)動控制方向?qū)嵺`類課程進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新，提出了結(jié)合先進(jìn)的視覺檢測和機(jī)器人控制技術(shù)的視覺導(dǎo)向機(jī)器運(yùn)動控制實(shí)踐工程項(xiàng)目改革，作為新工科教育的探索。它依托自動化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺開展應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，旨在將原本分散的專業(yè)知識集合成一個(gè)新的整體，鼓勵學(xué)生按照工業(yè)自動化個(gè)性設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)基于視覺的檢測及運(yùn)動控制創(chuàng)新課題，集成平臺的各種典型功能模塊設(shè)計(jì)實(shí)施自動化綜合工程，通過典型的工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)可應(yīng)用于生產(chǎn)線零部件組裝、產(chǎn)品檢測、生產(chǎn)線的監(jiān)控、機(jī)器運(yùn)動控制、電氣設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品的分類和識別等。學(xué)生可全方位了解各個(gè)模塊的應(yīng)用，掌握如何設(shè)計(jì)及搭建實(shí)際的工業(yè)自動化系統(tǒng)。該項(xiàng)目融合了機(jī)械、電子、自動化、計(jì)算機(jī)技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域的學(xué)科知識，可開設(shè)大量相關(guān)專業(yè)綜合項(xiàng)目課題，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，從而提高學(xué)生的先進(jìn)專業(yè)技術(shù)應(yīng)用能力。通過此創(chuàng)新項(xiàng)目，能讓學(xué)生了解目前市場的需求以及較為前沿的自動化及相關(guān)學(xué)科的工程技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)施系統(tǒng)，提高解決實(shí)際工業(yè)問題的能力，提升學(xué)生就業(yè)競爭力[9～11]。

1.1 實(shí)踐項(xiàng)目選題

傳統(tǒng)的項(xiàng)目選題限制學(xué)生自主創(chuàng)新性，選題內(nèi)容應(yīng)結(jié)合當(dāng)今前沿的新工科技術(shù)，注重實(shí)際的應(yīng)用背景，以學(xué)為中心，采取小組合作項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式踐行項(xiàng)目教學(xué)理念，將工業(yè)生產(chǎn)控制中的實(shí)際問題，跨學(xué)科整合出項(xiàng)目。激發(fā)學(xué)生挖掘出感興趣且新穎實(shí)用的題目，且每個(gè)小組題目由學(xué)生們自擬，教師確認(rèn)其可行性，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。同時(shí)，學(xué)生會由此產(chǎn)生探索新知識的欲望，積極嘗試項(xiàng)目內(nèi)容的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并樂于沉浸其中，激發(fā)出更多的創(chuàng)造力。有效地培養(yǎng)學(xué)生分析、提出方案并解決工程實(shí)際問題的能力及項(xiàng)目開發(fā)、設(shè)計(jì)、技術(shù)改造與創(chuàng)新的能力。

1.2 項(xiàng)目可行性分析

該實(shí)踐教學(xué)課程設(shè)計(jì)不同于畢業(yè)設(shè)計(jì)，綜合性實(shí)踐通常為3～4周，所以工作量和難度應(yīng)該適當(dāng)可控，在有限的時(shí)間內(nèi)，選題既要讓學(xué)生感興趣，積極參與且有成就感，同時(shí)，需要通過團(tuán)隊(duì)合作完成，讓善長硬件的同學(xué)負(fù)責(zé)項(xiàng)目系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)，讓擅長編程的同學(xué)負(fù)責(zé)系統(tǒng)程序編寫等，讓擅長理論鉆研的同學(xué)負(fù)責(zé)算法設(shè)計(jì)，讓小組真正成為合作的小組，訓(xùn)練實(shí)踐創(chuàng)新能力。在掌握創(chuàng)新平臺的基本操作和設(shè)計(jì)方法后，由教師和學(xué)生根據(jù)工程問題來創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目，解決實(shí)際問題。如設(shè)計(jì)視覺導(dǎo)向機(jī)器運(yùn)動控制項(xiàng)目，包括商標(biāo)條碼檢測，瓶蓋表面瑕疵的手機(jī)檢測與分揀，工件定位及抓取，機(jī)械手點(diǎn)膠或繪制圖案、工件組裝，多關(guān)節(jié)機(jī)械臂動作控制等，這些都是學(xué)生根據(jù)實(shí)際工業(yè)中所碰到的問題，創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目，理論與實(shí)踐結(jié)合。

1.3 考核評價(jià)體系

常州大學(xué)自動化專業(yè)教學(xué)創(chuàng)新工程項(xiàng)目要求在教學(xué)的過程以學(xué)生為中心，更要求教師在學(xué)生活動的過程中要適時(shí)的指導(dǎo)，及時(shí)的組織評價(jià)，以教師評價(jià)、自評、互評結(jié)合，及時(shí)反饋學(xué)生學(xué)習(xí)效果為導(dǎo)向，使創(chuàng)新項(xiàng)目按照合理有序的方向進(jìn)行。在評價(jià)中滲透此教育理念，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好的自主學(xué)習(xí)思考習(xí)慣、發(fā)展創(chuàng)新思維。如教師在學(xué)生完成某個(gè)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)任務(wù)后，根據(jù)項(xiàng)目要求提出設(shè)計(jì)要求，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成；學(xué)生針對自身與其他成員參與學(xué)習(xí)活動的態(tài)度、合作精神、創(chuàng)造精神等方面進(jìn)行自評，進(jìn)行自我調(diào)整，自我完善，提高學(xué)生在小組合作學(xué)習(xí)中的能力和學(xué)習(xí)效果；教師在學(xué)生完成每一個(gè)項(xiàng)目后，不光只關(guān)注他們的結(jié)果，更關(guān)注他們在完成過程中是否有創(chuàng)新，是否有自己獨(dú)到的地方，及時(shí)給予肯定和支持。

2 自動化創(chuàng)新教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

2.1 創(chuàng)新實(shí)踐平臺設(shè)計(jì)

常州大學(xué)自動化專業(yè)要求學(xué)生通過搭建運(yùn)動控制系統(tǒng)，配合機(jī)器視覺對機(jī)器臂進(jìn)行智能導(dǎo)向，包括視覺檢測模塊、通訊模塊、機(jī)械運(yùn)動模塊和電氣控制模塊。采用攝像頭、光電傳感器作為檢測裝置，來獲取圖像圖片，通過圖像處理算法測量產(chǎn)品尺寸、識別產(chǎn)品瑕疵；對于物體遮擋等復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行圖片處理時(shí)，可考慮機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能算法提高處理效率。運(yùn)動控制部分包括PLC分揀檢測產(chǎn)品，或運(yùn)用步進(jìn)伺服電機(jī)作為執(zhí)行裝置來調(diào)整機(jī)械手臂位置，通過控制算法實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的多軸運(yùn)動控制動作，實(shí)現(xiàn)定位功能抓取、軌跡繪制等功能；對于運(yùn)行空間存在障礙物等復(fù)雜環(huán)境下可考慮設(shè)計(jì)路徑規(guī)劃提高動作響應(yīng)效率。

2.2 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容

1)視覺檢測

可模擬實(shí)際工業(yè)檢測中對各種目標(biāo)物體的輪廓檢測；目標(biāo)物體的尺寸測量；表面瑕疵等缺陷檢測；靜止或移動目標(biāo)物體的定位、顏色檢測等，設(shè)計(jì)的各功能模塊可切換使用，也可組合使用。通過此部分，鍛煉學(xué)生掌握工業(yè)自動化生產(chǎn)中對于各種目標(biāo)物體的自動化檢測的實(shí)現(xiàn)方法，包括光源控制、坐標(biāo)標(biāo)定、圖像檢測、圖像采集、圖像處理及識別算法設(shè)計(jì)，圖1所示為視覺檢測及分揀控制系統(tǒng)。

(a)傳送帶產(chǎn)品檢測

(b)分揀系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖1 視覺檢測及分揀控制系統(tǒng)

2)機(jī)械伺服運(yùn)動控制

可實(shí)現(xiàn)多軸機(jī)械臂傳送帶或旋轉(zhuǎn)盤流水線的多工位安裝，搬運(yùn)，點(diǎn)膠，鎖螺絲等工業(yè)應(yīng)用；模擬給料、抓取、組裝產(chǎn)品的各模塊的協(xié)同配合，完美展示此類自動組裝生產(chǎn)應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)。通過此部分的學(xué)習(xí)，可以學(xué)習(xí)應(yīng)用伺服電機(jī)控制、PLC邏輯控制、運(yùn)動控制卡驅(qū)動電機(jī)控制等專業(yè)知識，包括加速度、速度的控制，多軸配合及復(fù)雜軌跡的運(yùn)動控制等。

以實(shí)現(xiàn)六軸關(guān)節(jié)機(jī)器臂準(zhǔn)確定位、夾取產(chǎn)品、運(yùn)送物品等功能為項(xiàng)目任務(wù)，學(xué)生設(shè)計(jì)搭建一個(gè)形象逼真的3D工作場景平臺如圖2(a)：傳送帶、視覺檢測、工件臺、末端夾抓等。學(xué)生可通過離線或在線調(diào)用虛擬對象進(jìn)行生產(chǎn)線的工藝設(shè)計(jì),對虛擬對象中機(jī)械手、電機(jī)、閥門等執(zhí)行器的控制。通過多關(guān)節(jié)機(jī)械臂運(yùn)動虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作取得實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，可真實(shí)地反映機(jī)械臂工作特性和運(yùn)行原理如圖2(b)。

(a) 虛擬抓取動作

(b)實(shí)際抓取動作圖2 六軸機(jī)器臂智能動作控制應(yīng)用

3)電氣控制及通訊設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目控制要求，對搭建系統(tǒng)使用的高、低壓電器進(jìn)行電氣控制模塊設(shè)計(jì)，完成各個(gè)電器元件的作用以及相互之間的配合使用。通訊模塊可以進(jìn)行工業(yè)自動化設(shè)備間的多種通訊，包括串口通訊，數(shù)字IO通訊、Ethernet通訊、CAN等協(xié)議通訊。通過此模塊的學(xué)習(xí)，了解各種通訊方式的實(shí)現(xiàn)原理及優(yōu)缺點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)搭建系統(tǒng)的最優(yōu)通訊方式。

4)軟件集成

所有設(shè)計(jì)模塊，包括圖像采集及處理、運(yùn)動控制卡驅(qū)動定位抓取或組裝、質(zhì)量檢測及PLC分揀動作等都通過VS環(huán)境下的高級語言編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，如圖3所示的學(xué)生設(shè)計(jì)的各類機(jī)械臂動作控制界面。

(a)三軸運(yùn)動控制及PLC控制界面

(b)觸摸屏編程界面圖3 系統(tǒng)控制界面編程

2.3 創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目案例

實(shí)施實(shí)踐工程項(xiàng)目要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成各項(xiàng)任務(wù)，首先利用創(chuàng)新實(shí)踐平臺，在教師的引導(dǎo)下，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，確定自擬選題。根據(jù)選題查找相關(guān)文獻(xiàn)梳理并確定設(shè)計(jì)方案。如圖4繪制鑰匙，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括采集鑰匙字體及輪廓圖像，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，將圖像處理結(jié)果傳給三軸機(jī)械臂，控制三軸運(yùn)動繪制字體及圖案。此項(xiàng)目可訓(xùn)煉學(xué)生學(xué)習(xí)圖像處理算法及三軸運(yùn)動軌跡優(yōu)化控制。

圖4 鑰匙圖像采集及描繪系統(tǒng)

圖5示出多工位自動檢測組裝系統(tǒng)，模擬自動生產(chǎn)線多工位視覺檢測及工件組裝，視覺檢測包括相機(jī)、傳送帶及光電傳感器，控制系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、出料機(jī)構(gòu)、搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)及電控裝置等構(gòu)成。模擬完成工件組裝過程，包括各工位氣缸動作配合及上下料的夾抓控制。項(xiàng)目設(shè)計(jì)包括工件檢測及各工位控制動作以及機(jī)械部件等。進(jìn)一步針對設(shè)計(jì)方案具體化，包括硬件模塊的選型及電氣控制，程序設(shè)計(jì)流程以及控制動作的順序等。在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件模塊的電氣連接及通訊，基于PC的C#程序設(shè)計(jì)及PLC編程，并進(jìn)行模塊測試以評估功能實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量。最后進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試，優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)工件全自動組裝功能。

圖5 多工位自動組裝系統(tǒng)

實(shí)踐工程項(xiàng)目可以根據(jù)學(xué)生自身能力和學(xué)習(xí)精力加以調(diào)整，如可將在線檢測與智能識別及抓取動作作為一個(gè)項(xiàng)目，也可拆分為兩個(gè)項(xiàng)目。鼓勵學(xué)生有所創(chuàng)新，能夠?qū)崿F(xiàn)更具創(chuàng)意性的智能動作控制，如引入機(jī)器學(xué)習(xí)快速識別工件及抓取，真正將理論和實(shí)踐、軟硬件結(jié)合起來，切實(shí)鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動手能力和解決實(shí)際問題的創(chuàng)新能力[12]。另外，學(xué)生可自擬項(xiàng)目，如圖6基于視覺檢測的手機(jī)智能貼膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，此項(xiàng)目后來選為高校自動化設(shè)計(jì)大賽獲獎作品。

圖6 手機(jī)智能貼膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 創(chuàng)新能力培養(yǎng)實(shí)踐成果

視覺導(dǎo)向機(jī)器人創(chuàng)新能力培養(yǎng)平臺從初始構(gòu)建至今，已建設(shè)成為常州大學(xué)首批創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育示范基地，在此基地平臺上學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)取得了一些成果。校級創(chuàng)新教育課題3項(xiàng)，十三五及江蘇省重點(diǎn)教材2部，教研論文3篇。基于該平臺除了常規(guī)實(shí)踐活動之外，還申請參加了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，臺達(dá)杯兩岸高校自動化設(shè)計(jì)大賽等，其中基于項(xiàng)目內(nèi)容申請了3項(xiàng)國家發(fā)明專利，具體成果見表1。另外，通過該平臺培養(yǎng)的學(xué)生當(dāng)中，在考研面試中表現(xiàn)優(yōu)異，在就業(yè)競爭中有絕對優(yōu)勢，優(yōu)先被機(jī)器視覺以及機(jī)器人相關(guān)的公司錄用，其薪資待遇超過傳統(tǒng)自動化科技公司30%左右，且更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表1 實(shí)踐成果

4 結(jié)語

將機(jī)器視覺與智能運(yùn)動控制引入自動化實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)，成為專業(yè)進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的一個(gè)重要載體，師生借此可進(jìn)一步了解自動化產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)，接受正規(guī)的工程培訓(xùn)，也可借助平臺承接研發(fā)課題，提升了專業(yè)教師的業(yè)務(wù)能力及學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。探索新工科背景下培養(yǎng)專業(yè)創(chuàng)新工程實(shí)踐人才的新模式，實(shí)踐表明，提升了專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和綜合實(shí)踐能力，取得了階段性成果，通過實(shí)踐工程項(xiàng)目訓(xùn)練形成完整的知識體系，真正從實(shí)際工程應(yīng)用角度開展項(xiàng)目教學(xué)嘗試。同時(shí)，也為高校教學(xué)提供一種工程創(chuàng)新教育與前沿技術(shù)相結(jié)合探索模式，激發(fā)了自動化專業(yè)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識，探索新領(lǐng)域新技術(shù)知識的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)適應(yīng)高校新工科建設(shè)下的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。