虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索與實(shí)踐*

張 姣

（重慶移通學(xué)院智能工程學(xué)院，重慶 401520）

傳統(tǒng)制造業(yè)人才培養(yǎng)以單一設(shè)備操作、控制為主，不能滿足智能制造產(chǎn)業(yè)對(duì)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才的需求。為適應(yīng)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，推動(dòng)智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，迫切需要為國(guó)家培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用型人才。

工業(yè)機(jī)器人是多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，實(shí)踐性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力要求高。因此，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理成為機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)的重點(diǎn)工作。

1 機(jī)器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)及現(xiàn)狀

為適應(yīng)智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需培養(yǎng)具備從事工業(yè)機(jī)器人、智能制造領(lǐng)域工作的專業(yè)技能人才，能在工業(yè)機(jī)器人、智能制造等相關(guān)領(lǐng)域從事工程設(shè)計(jì)、技術(shù)開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)集成、運(yùn)行維護(hù)與管理、技術(shù)支持與服務(wù)等方面的工作，富有較強(qiáng)的創(chuàng)新精神、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和溝通能力的高素質(zhì)復(fù)合型人才。

只有通過(guò)設(shè)備的實(shí)際操作訓(xùn)練，在貼近真實(shí)工作環(huán)境的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)，才能培養(yǎng)契合企業(yè)發(fā)展需求的高素質(zhì)人才。但工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，且占地面積大，部分本科高校因經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)場(chǎng)地限制等因素，難以購(gòu)置足夠數(shù)量的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，導(dǎo)致機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)條件受到限制。課堂上多名學(xué)生共用一套實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)施，導(dǎo)致學(xué)生課上獨(dú)立操作實(shí)訓(xùn)設(shè)備的時(shí)間較短，進(jìn)而造成學(xué)生對(duì)設(shè)備及其操作過(guò)程不熟悉，降低了教學(xué)效果[1]。

2 校企共建工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室

2.1 虛實(shí)結(jié)合，校企合作共建

實(shí)驗(yàn)室是高校開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)現(xiàn)高校素質(zhì)教育和學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的主要場(chǎng)所[1]。重慶移通學(xué)院建設(shè)工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室除了能夠滿足機(jī)器人工程專業(yè)“工業(yè)機(jī)器人仿真技術(shù)”“工業(yè)機(jī)器人編程與應(yīng)用”和“機(jī)器人視覺(jué)與檢測(cè)技術(shù)”等課程的實(shí)踐教學(xué)；滿足“機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)”“機(jī)器人機(jī)械基礎(chǔ)與機(jī)構(gòu)學(xué)課程設(shè)計(jì)”“機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等集中實(shí)踐環(huán)節(jié)的需求；還需要滿足該院校企合作特色班“智能制造工程師班”對(duì)智能制造項(xiàng)目實(shí)踐、工程工藝項(xiàng)目實(shí)踐、機(jī)械制造項(xiàng)目實(shí)踐、工程應(yīng)用實(shí)踐的需求；該實(shí)驗(yàn)室還能開(kāi)展其他專業(yè)畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的部分實(shí)踐內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)室作為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的平臺(tái)之一，還要滿足學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等活動(dòng)的需求。綜合上述因素，重慶移通學(xué)院采用虛實(shí)結(jié)合、校企合作共建的方式，建設(shè)工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。結(jié)合企業(yè)崗位需求、專業(yè)發(fā)展、課程建設(shè)，校企共同完成實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案。既滿足企業(yè)的人才需求，又符合學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的需要。

2.2 工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)

依據(jù)虛實(shí)結(jié)合、校企共建的指導(dǎo)思想，構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)。實(shí)驗(yàn)室由“虛”“實(shí)”兩部分組成，“虛”指的是工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，“實(shí)”指的是智能制造創(chuàng)新實(shí)踐中心。“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)知識(shí)掌握、技能鍛煉到綜合應(yīng)用的層層遞進(jìn)。校企共建的方式有利于企業(yè)為專業(yè)建設(shè)、實(shí)踐能力培養(yǎng)、技術(shù)更新、師資實(shí)踐能力提升提供支持；有利于智能制造產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)，服務(wù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展；有利于根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)格局合理布置實(shí)驗(yàn)室設(shè)備；有利于學(xué)校合理使用現(xiàn)有資源[2]。

2.3 工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可為學(xué)生工業(yè)機(jī)器人離線編程實(shí)踐提供平臺(tái)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的各元素、環(huán)節(jié)及整個(gè)過(guò)程進(jìn)行合理配置，該方式更經(jīng)濟(jì)、有效，降低了設(shè)備的投資風(fēng)險(xiǎn)，成為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展的趨勢(shì)。

為了對(duì)現(xiàn)有資源充分利用，對(duì)原3D打印實(shí)驗(yàn)室的電腦進(jìn)行升級(jí)，保留3D打印機(jī)，給電腦加裝35套正版InteRobot仿真軟件、三維建模軟件、MATLAB仿真軟件、數(shù)控機(jī)床仿真軟件等常用教學(xué)軟件。InteRobot仿真軟件自帶機(jī)器人庫(kù)、模型庫(kù)，可根據(jù)需要選擇機(jī)器人型號(hào)，進(jìn)行應(yīng)用實(shí)例的仿真。還可結(jié)合三維軟件完成建模及模型的導(dǎo)入。自主設(shè)計(jì)虛擬柔性制造生產(chǎn)線，并進(jìn)行仿真，培養(yǎng)創(chuàng)新能力[3]。

2.4 建設(shè)智能制造創(chuàng)新中心

智能制造創(chuàng)新實(shí)踐中心由1條智能制造生產(chǎn)線、1個(gè)數(shù)控加工生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)區(qū)、6套機(jī)器人拆裝及控制工作站構(gòu)成。

智能制造生產(chǎn)線主要由智能倉(cāng)庫(kù)單元、AGV物料單元、機(jī)械加工單元、機(jī)器人鐳雕單元、機(jī)器人裝配單元、機(jī)器人自動(dòng)擰釘單元、機(jī)器人視覺(jué)檢測(cè)單元、自動(dòng)輸送線單元、PLC總控系統(tǒng)單元、信息化管理系統(tǒng)單元構(gòu)成。可完成加工、鐳雕、裝配、擰釘、視覺(jué)檢測(cè)、上下料等。

數(shù)控加工生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)區(qū)由3臺(tái)數(shù)控車床構(gòu)成，可滿足學(xué)生數(shù)控編程、加工、裝配的實(shí)操訓(xùn)練，還能夠滿足學(xué)科競(jìng)賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽的加工需求。

機(jī)器人拆裝及控制工作站由可拆裝式機(jī)械本體、操作實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、多功能夾具、軌跡描繪、碼垛、搬運(yùn)等實(shí)訓(xùn)組件組成?？蛇M(jìn)行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的認(rèn)知以及本體拆裝、夾具安調(diào)。還能實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人軌跡描繪、棒料搬運(yùn)、工件碼垛等典型應(yīng)用案例的示教編程。

通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方式，可以利用有限的資源，為每一位學(xué)生提供實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)。通過(guò)InteRobot仿真軟件，可以進(jìn)行機(jī)器人庫(kù)管理、工具庫(kù)管理、加工方式選擇、加工路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、機(jī)器人選解、控制參數(shù)設(shè)置、防碰撞和干涉檢查、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真等操作。通過(guò)數(shù)控機(jī)床仿真軟件，學(xué)生可以熟悉數(shù)控機(jī)床的操作、注意事項(xiàng)，保證了學(xué)生的安全性且隨時(shí)可以學(xué)習(xí)，非常方便。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)行硬件設(shè)備的操作，在貼近企業(yè)真實(shí)工作環(huán)境下進(jìn)行實(shí)踐，可以鍛煉應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

3 工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法改革

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)性、實(shí)用性很強(qiáng)，如果不動(dòng)手操作實(shí)際設(shè)備，一切都是紙上談兵。因此，要對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行改革，工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程采用理論講解、虛擬仿真、實(shí)踐操作相結(jié)合的“虛實(shí)一體化”教學(xué)模式。在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，采用學(xué)生為主、老師為輔的教學(xué)理念。

實(shí)訓(xùn)課程采用線上線下混合式教學(xué)方法，在學(xué)習(xí)通上建設(shè)線上教學(xué)資源，包括課件、機(jī)器人本體拆裝視頻、空氣壓縮機(jī)及儲(chǔ)氣罐的排氣視頻、智能制造生產(chǎn)線的備妥視頻和補(bǔ)充資料等學(xué)習(xí)資源，實(shí)現(xiàn)課前教學(xué)資源、項(xiàng)目任務(wù)下發(fā)，學(xué)生提前預(yù)習(xí)。課中采用分組實(shí)訓(xùn)強(qiáng)化學(xué)習(xí)，課下進(jìn)行總結(jié)，線上答疑和互動(dòng)。采用線上和線下相融合的方式，提高了老師的課堂效率與教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)在學(xué)中做，在做中學(xué)，強(qiáng)化理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)模式，有助于解決學(xué)生數(shù)量多與實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足的矛盾，大大提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)效率。

4 工業(yè)機(jī)器人師資隊(duì)伍建設(shè)

工業(yè)機(jī)器人“理實(shí)一體化”的教學(xué)方式對(duì)教師提出更高的要求，要求教師既要懂理論又要會(huì)操作。為了適應(yīng)師資隊(duì)伍建設(shè)需要，學(xué)院為傳統(tǒng)理論教學(xué)的教師制訂了“雙師型教師”培訓(xùn)計(jì)劃，以提高教師的動(dòng)手實(shí)踐水平。

此外，為了充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，抽調(diào)專職教師并聘請(qǐng)部分企業(yè)兼職教師，形成主輔交叉、校企混編的教師隊(duì)伍。學(xué)校專職教師完成機(jī)器人的理論教學(xué)和部分實(shí)踐教學(xué)。企業(yè)兼職教師輔助學(xué)校教師完成綜合設(shè)計(jì)、畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等復(fù)雜、綜合性強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，進(jìn)行復(fù)合型人才培養(yǎng)，同時(shí)為學(xué)校教師的實(shí)踐能力培養(yǎng)提供指導(dǎo)。

5 其他問(wèn)題

5.1 做好實(shí)驗(yàn)室安全管理

做好實(shí)驗(yàn)室安全管理工作，是保障高校實(shí)踐教學(xué)順利開(kāi)展的前提，是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的戰(zhàn)略需求，是創(chuàng)建平安和諧校園的重要基礎(chǔ)[4]。要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室安全管理制度建設(shè)，有效組織安全培訓(xùn)，增加實(shí)驗(yàn)室教師及學(xué)生的安全意識(shí)。加強(qiáng)安全檢查、安全提醒，明確責(zé)任人。及時(shí)更新和完善實(shí)驗(yàn)室安全設(shè)施，安放滅火器、煙霧報(bào)警器，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)還要配備視頻監(jiān)控，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

5.2 做好實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放工作

工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室僅面向特定專業(yè)的學(xué)生開(kāi)放，依附于相關(guān)課程在指定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，存在面向?qū)ο蠓秶^(guò)窄、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容單一、開(kāi)放時(shí)間短等問(wèn)題[5]。造成實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)出效益較低，實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率不高，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室不能有效地支撐人才培養(yǎng)[6]。實(shí)驗(yàn)室的使用效率和開(kāi)放力度既是對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)完成后的評(píng)估指標(biāo)，也是實(shí)驗(yàn)室管理的重要環(huán)節(jié)。積極探索實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放體系，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量管理和實(shí)驗(yàn)室績(jī)效考核，規(guī)范管理，嚴(yán)格考核，為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力提供良好的保障[7]。

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要平臺(tái)。采用虛實(shí)結(jié)合、校企共建的方式，完成工業(yè)機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)室和智能制造創(chuàng)新實(shí)踐中心建設(shè)。并進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革，探索實(shí)驗(yàn)室安全管理和開(kāi)放，使之成為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的主陣地。