應(yīng)用型本科工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成綜合實(shí)習(xí)教學(xué)探討

張穎 喬貴方 劉娣 黃家才

摘 ?要 圍繞“建設(shè)一流本科、做強(qiáng)一流專(zhuān)業(yè)、培養(yǎng)一流人才”的思路，針對(duì)應(yīng)用型本科院校對(duì)“工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成綜合實(shí)習(xí)”課程的教學(xué)需求，對(duì)本課程作為機(jī)器人工程、自動(dòng)化（機(jī)器人）專(zhuān)業(yè)的必修實(shí)踐課程的教學(xué)方法和教學(xué)過(guò)程進(jìn)行探討。本課程把教師、學(xué)生及教學(xué)方法都很好地進(jìn)行了整合，對(duì)于教師提高教學(xué)水平有很好的促進(jìn)作用，對(duì)于學(xué)生掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)與專(zhuān)業(yè)技能有很好的提升作用。同時(shí)，在本課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生思考解決問(wèn)題的能力得到提升，為就業(yè)及繼續(xù)深造都打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。該實(shí)踐課對(duì)于一流人才的培養(yǎng)提供了堅(jiān)實(shí)的幫助，對(duì)于一流專(zhuān)業(yè)的做強(qiáng)提供了有力的保障，為一流應(yīng)用型本科建設(shè)提供了無(wú)限的可能。

關(guān)鍵詞 工業(yè)機(jī)器人;系統(tǒng)集成綜合實(shí)習(xí);教學(xué)方法;控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）16-0123-03

Teaching Discussion of Comprehensive Practice of Industrial Robot System Integration in Applied Undergraduate Universities//

ZHANG Ying， QIAO Guifang， LIU Di， HUANG Jiacai

Abstract The teaching method and process of the Industrial Robot

System Integration Comprehensive Practice， a professional compul-sory course for the majors of robot engineering and automation （robot）， are discussed in this paper. The course is tight around the thought of building first-class undergraduate， achieving first-class major， cultivating first-class talent. This course integrates teacher， students and teaching methods well， which has a good promoting effect on teaching level of the teachers and a good promoting effect on mastering professional knowledge and skills of the students. Mean-

while， in the learning process of this course， the ability to think and

solve problems of the students has been improved， which lays a

solid foundation for employment and further education. This prac-tical course provides solid help for the cultivation of first-class talents， strong guarantee for the development of achieving first-class majors， and unlimited possibilities for the construction of first-class applied undergraduates.

Key words industrial robot; system integration comprehensive prac-

tice; teaching method; control system

1 引言

據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)提供的資料，2017年全球工業(yè)機(jī)器人的銷(xiāo)售量比上年增長(zhǎng)31%，中國(guó)以58%的增長(zhǎng)率成為需求量增幅最大的國(guó)家[1]，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的銷(xiāo)售量已經(jīng)在全球處于領(lǐng)先位置，并呈持續(xù)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，到2020年，全世界將會(huì)有超過(guò)300萬(wàn)的工業(yè)機(jī)器人用于工業(yè)生產(chǎn)中。雖然我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得明顯進(jìn)步，但是當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)化率低，進(jìn)口依賴(lài)性強(qiáng)。因此，國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)支持機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展政策。2015年，由國(guó)務(wù)院頒布的《中國(guó)制造2025》[2]明確指出，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用符合我國(guó)未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展方向，并進(jìn)一步明確了我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

工業(yè)機(jī)器人包括控制器（控制技術(shù)）、減速機(jī)、機(jī)器人專(zhuān)用伺服電機(jī)及其控制技術(shù)三大核心零部件的關(guān)鍵技術(shù)。在人口老齡化日趨嚴(yán)重的社會(huì)狀況與國(guó)家資助創(chuàng)新政策的影響下，進(jìn)入機(jī)器人研制和生產(chǎn)行列的國(guó)產(chǎn)企業(yè)日益增多，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)已經(jīng)進(jìn)入初步產(chǎn)業(yè)化階段[3]。根據(jù)中機(jī)院工業(yè)市場(chǎng)研究所的預(yù)測(cè)，在2016—2020年間，中國(guó)將形成較為完善的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)體系，技術(shù)創(chuàng)新能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力明顯增強(qiáng)，產(chǎn)品性能和質(zhì)量達(dá)到國(guó)際同類(lèi)水平，關(guān)鍵零部件取得重大突破，基本滿足市場(chǎng)需求。由此可見(jiàn)，工業(yè)機(jī)器人將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

機(jī)器人是一門(mén)控制工程、機(jī)械工程、電氣工程、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等多學(xué)科融合的專(zhuān)業(yè)，要求學(xué)生掌握的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與技能涉及面非常廣。作為一所設(shè)置有機(jī)器人工程、自動(dòng)化（機(jī)器人）專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用型工程大學(xué)，南京工程學(xué)院在培養(yǎng)具有工業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備的學(xué)生方面，已經(jīng)有一套成熟使用的培養(yǎng)方案。為了培養(yǎng)自動(dòng)化（機(jī)器人）專(zhuān)業(yè)、機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知及應(yīng)用能力，開(kāi)設(shè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成綜合實(shí)習(xí)，為期四周。課程的主要內(nèi)容包括工業(yè)機(jī)器人機(jī)械本體結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)及開(kāi)發(fā)平臺(tái)的應(yīng)用、工業(yè)機(jī)器人的集成應(yīng)用，要求學(xué)生在該實(shí)習(xí)結(jié)束之后能夠了解工業(yè)機(jī)器人的基本機(jī)構(gòu)、部件組成、控制系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)平臺(tái)、指令系統(tǒng)乃至工業(yè)設(shè)計(jì)及集成要求，掌握工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用方面的實(shí)踐操作能力。

2 課程特點(diǎn)及教學(xué)目標(biāo)

工業(yè)機(jī)器人是打造自動(dòng)化工廠的重要組成，可有效提高生產(chǎn)效率、降低成本和控制質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成。目前，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用種類(lèi)大致分為焊接機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、裝配機(jī)器人、切割機(jī)器人、涂膠機(jī)器人及其他（貼片、清洗、去毛刺、特殊處理、復(fù)合機(jī)器人）等種類(lèi)。本課程旨在培養(yǎng)自動(dòng)化（機(jī)器人）專(zhuān)業(yè)、機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人的認(rèn)知及應(yīng)用能力，課程目標(biāo)為：要求學(xué)生了解工業(yè)機(jī)器人的基本機(jī)構(gòu)、部件組成、控制系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)平臺(tái)、指令系統(tǒng)乃至工業(yè)設(shè)計(jì)及集成要求;要求學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用方面的實(shí)踐操作能力。

3 課程的具體實(shí)施與效果分析

實(shí)踐主要任務(wù) ?本課程面向自動(dòng)化（機(jī)器人）和機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)四年級(jí)的學(xué)生開(kāi)設(shè)，每個(gè)班級(jí)的學(xué)生在40名左右。在教學(xué)實(shí)踐中主要對(duì)教學(xué)方法和考核方式進(jìn)行改革。實(shí)習(xí)場(chǎng)地為南京工程學(xué)院工程實(shí)踐中心7號(hào)樓不二越和埃斯頓工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)基地，實(shí)習(xí)的主要任務(wù)以及對(duì)學(xué)生的要求包括四個(gè)方面。

任務(wù)一：工業(yè)機(jī)器人示教編程。在該任務(wù)中，要求學(xué)生能夠熟練正確編寫(xiě)示教程序并調(diào)試;詳細(xì)說(shuō)明自動(dòng)運(yùn)行的操作步驟;熟練完成操作，并能正確回答作業(yè)相關(guān)問(wèn)題。

任務(wù)二：埃斯頓工業(yè)機(jī)器人離線編程軟件學(xué)習(xí)。要求學(xué)生掌握離線編程的基本概念、方法，了解離線編程軟件的開(kāi)發(fā)方法;了解埃斯頓離線編程軟件的使用方法。

任務(wù)三：安川機(jī)器人拆解、測(cè)量與繪圖。要求學(xué)生掌握SolidWorks的基本使用方法;了解工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵零部件及其作用;正確使用各種工具拆解機(jī)器人各關(guān)節(jié)及主要部件，并能正確回答相關(guān)問(wèn)題;能利用SolidWorks針對(duì)機(jī)器人主要部件繪圖;對(duì)實(shí)習(xí)進(jìn)行總結(jié)，撰寫(xiě)相應(yīng)報(bào)告。

任務(wù)四：NACHI工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)應(yīng)用、系統(tǒng)集成。要求學(xué)生了解機(jī)器人視覺(jué)的基本概念和基本方法;結(jié)合機(jī)器人視覺(jué)，編寫(xiě)示教程序并調(diào)試;熟練完成現(xiàn)場(chǎng)考核，并能正確回答作業(yè)相關(guān)問(wèn)題;對(duì)實(shí)習(xí)進(jìn)行總結(jié)，撰寫(xiě)相應(yīng)報(bào)告。

任務(wù)的具體實(shí)現(xiàn) ?圍繞以上教學(xué)任務(wù)和目標(biāo)，本課程采用的實(shí)習(xí)方式有：

1）集中實(shí)習(xí)，實(shí)習(xí)中安排有概論講課、示范講解、獨(dú)立操作和實(shí)習(xí)考核等內(nèi)容;

2）操作練習(xí)，安排學(xué)生獨(dú)立或分組實(shí)習(xí)，完成每個(gè)設(shè)定的課題;

3）學(xué)生按要求完成實(shí)習(xí)報(bào)告。

針對(duì)任務(wù)一，首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)多種型號(hào)的工業(yè)機(jī)器人作總體介紹，包括：機(jī)器人的類(lèi)別、工作載荷、機(jī)械機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、伺服電機(jī)型號(hào)、減速器等組成部件;工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)認(rèn)知;機(jī)器人語(yǔ)言、各指令系統(tǒng)和典型指令的使用練習(xí);NACHI工業(yè)機(jī)器人和埃斯頓工業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)應(yīng)用平臺(tái)的熟識(shí)和使用，包括手動(dòng)模式和自動(dòng)模式、示教面板的輸入練習(xí)、典型運(yùn)動(dòng)方式的選擇。然后要求學(xué)生對(duì)NACHI工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行編程示教，包含兩個(gè)項(xiàng)目，分別為平面物體的示教搬運(yùn)和斜面物體的示教搬運(yùn)，其中平面搬運(yùn)只涉及末端執(zhí)行器位置的調(diào)整，而斜面的搬運(yùn)涉及位置與姿態(tài)的同時(shí)調(diào)整。實(shí)踐過(guò)程采用分組練習(xí)、單獨(dú)考核的方式，對(duì)學(xué)生操作機(jī)器人的效果及效率進(jìn)行打分評(píng)定。

針對(duì)任務(wù)二，要求學(xué)生安裝埃斯頓離線編程軟件進(jìn)行編程練習(xí)，同時(shí)在實(shí)習(xí)過(guò)程中邀請(qǐng)南京埃斯頓機(jī)器人工程有限公司的工程師進(jìn)校為學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)授課，包括機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)、埃斯頓機(jī)器人控制系統(tǒng)介紹、弧焊功能、碼垛功能、機(jī)器人示教再現(xiàn)、安全注意事項(xiàng)等內(nèi)容。在理論知識(shí)介紹完畢之后還在埃斯頓工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示，并由學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立操作。

針對(duì)任務(wù)三，首先介紹典型工業(yè)機(jī)器人的世界坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系等坐標(biāo)系的建立，現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)機(jī)器人零部件尺寸的測(cè)繪;然后引導(dǎo)學(xué)生集中學(xué)習(xí)SolidWorks軟件的使用，包括零部件的繪制、裝配，裝配體的機(jī)械仿真等部分，要求學(xué)生對(duì)給出的一套完整教學(xué)用車(chē)進(jìn)行繪制，并進(jìn)行單獨(dú)考核;接著，為了讓學(xué)生對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)有更為深刻的了解，對(duì)學(xué)生分組進(jìn)行機(jī)器人的拆解、測(cè)量與繪制、組裝，讓學(xué)生在此過(guò)程中清楚地認(rèn)識(shí)到一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器人的組成，了解機(jī)器人的套軸結(jié)構(gòu)、電機(jī)減速器的安防位置，各種零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的巧妙與完美的配合。

針對(duì)任務(wù)四，結(jié)合實(shí)訓(xùn)基地NACHI機(jī)器人安裝的康耐視相機(jī)進(jìn)行具體介紹，包括外部視覺(jué)裝置偏移量基本算法、使用外部視覺(jué)偏移的方法、通信過(guò)程。要求學(xué)生能夠熟悉工業(yè)機(jī)器人及外圍控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并能夠?qū)唧w工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用對(duì)象（噴涂、搬運(yùn)、涂膠、視覺(jué)、力覺(jué)）等任務(wù)詳細(xì)分析實(shí)現(xiàn)過(guò)程步驟。

課程效果分析 ?本課程在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中以實(shí)現(xiàn)新時(shí)代高等教育內(nèi)涵式發(fā)展為目標(biāo)，圍繞“建設(shè)一流本科、做強(qiáng)一流專(zhuān)業(yè)、培養(yǎng)一流人才”的教育新思路，以學(xué)生為中心，取得良好效果。綜合學(xué)生的出勤、現(xiàn)場(chǎng)操作以及實(shí)習(xí)報(bào)告三部分內(nèi)容，對(duì)學(xué)生的實(shí)習(xí)表現(xiàn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最后有26.32%的學(xué)生為優(yōu)秀，63.16%的學(xué)生為良好，10.53%的學(xué)生為中，整個(gè)班級(jí)的平均分為85.74分。成績(jī)上反映了機(jī)器人整個(gè)班級(jí)學(xué)風(fēng)非常好，學(xué)生間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力也很好。

在后期調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，本次實(shí)習(xí)對(duì)學(xué)生的幫助非常大：為就業(yè)的學(xué)生在機(jī)器人相關(guān)企業(yè)的面試以及考研學(xué)生的復(fù)試面試積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使得相關(guān)學(xué)生更具優(yōu)勢(shì);而在任務(wù)三中學(xué)習(xí)的SolidWorks軟件的使用，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中發(fā)揮了極其重要的作用，實(shí)習(xí)積累的經(jīng)驗(yàn)讓學(xué)生更方便快捷地設(shè)計(jì)出自己想要的機(jī)器人，其中有學(xué)生自行設(shè)計(jì)的二指/三指機(jī)械手爪、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、仿生機(jī)器人等。

4 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成綜合實(shí)習(xí)課程綜合了理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，通過(guò)對(duì)該課程教學(xué)方法和考核方式的不斷改進(jìn)與探索，在教學(xué)過(guò)程中取得一定的效果，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才奠定良好的基礎(chǔ)。學(xué)生能夠開(kāi)展主動(dòng)學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)、項(xiàng)目學(xué)習(xí)、從做中學(xué)、實(shí)踐學(xué)習(xí)、問(wèn)題導(dǎo)向?qū)W習(xí)、自我學(xué)習(xí)、同伴互學(xué)和團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)，對(duì)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)的知識(shí)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，對(duì)當(dāng)前機(jī)器人產(chǎn)業(yè)、自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的人才需求有了清晰了解，為后續(xù)就業(yè)及進(jìn)一步深造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本次實(shí)習(xí)圍繞以學(xué)生為中心提升教學(xué)質(zhì)量，確保每個(gè)學(xué)生得到良好的教學(xué)體驗(yàn)，鼓勵(lì)原創(chuàng)思維，推動(dòng)參與，為在全球范圍內(nèi)工作做準(zhǔn)備。同時(shí)，本次實(shí)踐激發(fā)每個(gè)學(xué)生的潛能，增加畢業(yè)生就業(yè)，尤其是在高技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域就業(yè)。

一門(mén)課程的展開(kāi)離不開(kāi)師生共同的努力，就工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成綜合實(shí)習(xí)這門(mén)課而言，為了保證課程的順利有序進(jìn)行，對(duì)師生提出如下建議：

1）要求任課教師有過(guò)硬的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與實(shí)踐操作能力，既能夠結(jié)合自己的研究方向?yàn)閷W(xué)生傳遞前沿的學(xué)術(shù)進(jìn)展，又能夠?yàn)樵趯?shí)踐中遇到困惑的學(xué)生指點(diǎn)迷津;

2）要求學(xué)生具有足夠的耐心與自學(xué)能力，能夠融會(huì)貫通、舉一反三。

本實(shí)習(xí)開(kāi)設(shè)在大學(xué)的第七學(xué)期，學(xué)生面臨升學(xué)與繼續(xù)深造的壓力，不能為了當(dāng)下的任務(wù)輕視本次實(shí)習(xí)，實(shí)習(xí)的任務(wù)對(duì)所有學(xué)生的下一步選擇都有很重要的意義。

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