趙鳳申 李愛芹

（南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 南通 226010）

高職院校工業(yè)機器人課程建設(shè)研究*

趙鳳申 李愛芹

（南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 南通 226010）

針對高職院校工業(yè)機器人課程教學(xué)存在的問題，應(yīng)采用項目化教學(xué)法，設(shè)置合適的項目，融合理論與實踐知識，以期取得良好的教學(xué)效果。

高職院校；工業(yè)機器人；課程建設(shè)

近年來，工業(yè)機器人在企業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，企業(yè)對技術(shù)人才需求迫切。由于高職院校以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主，學(xué)生的知識基礎(chǔ)、就業(yè)導(dǎo)向與本科院校不同，因此必須探索適合高職院校的工業(yè)機器人課程教學(xué)方案。

課程定位

工業(yè)機器人課程應(yīng)定位于為企業(yè)培養(yǎng)能夠完成工業(yè)機器人編程、操作、維保的應(yīng)用型人才。課程應(yīng)傾向于工業(yè)機器人，而非常見的基于單片機和嵌入式系統(tǒng)的移動機器人，或基于PC和多傳感器的競賽機器人；課程應(yīng)具有明顯的重實踐、輕理論的特征，對工業(yè)機器人的理論知識可只做簡單介紹，而對其操作、結(jié)構(gòu)特性則要求學(xué)生能夠深入理解，熟練掌握；課程應(yīng)采用項目化教學(xué)模式，項目來源于工業(yè)實際案例，并應(yīng)將相關(guān)理論知識融入項目教學(xué)過程中，做到實踐與理論相輔相成。

本課程可采用安川SSF2000弧焊工業(yè)機器人，配備焊槍、送絲機構(gòu)、數(shù)字焊機、空壓機、真空吸盤、氣動手爪等外圍設(shè)備，配套動態(tài)模擬軟件MOTOSIM-EG和通訊軟件MOTOCOM-32，并采用北京博創(chuàng)“創(chuàng)意之星”組合式機器人套件輔助工業(yè)機器人課程教學(xué)。

工業(yè)機器人理論知識的分解與取舍

在傳統(tǒng)的工業(yè)機器人課程教學(xué)中，多注重理論知識講解，由于工業(yè)機器人造價高、數(shù)量少、維護難等原因，實訓(xùn)環(huán)節(jié)所占比重不大。而理論知識繁雜，有坐標(biāo)變換、矩陣?yán)碚?、微積分等高等數(shù)學(xué)的內(nèi)容，運動規(guī)劃、軌跡控制摻雜過多的算法，內(nèi)容抽象，與企業(yè)具體應(yīng)用脫節(jié)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來難度大，興趣不高，影響了教學(xué)質(zhì)量。為了既能夠滿足企業(yè)要求，又能使學(xué)生有一定的理論知識和發(fā)展后勁，應(yīng)將理論知識分解并融入項目教學(xué)過程中。具體而言，可將工業(yè)機器人認(rèn)知、結(jié)構(gòu)、電氣控制、正運動學(xué)、示教理論、編程、維保等知識滲透到項目教學(xué)中，而對電機運動控制、路徑規(guī)劃、逆運動學(xué)、虛擬示教、離線編程只做簡單介紹。

項目化課程設(shè)計

結(jié)合工業(yè)機器人的企業(yè)應(yīng)用狀況，設(shè)計項目如圖1所示。下面對項目做詳細介紹。

工業(yè)機器人認(rèn)知 學(xué)生對機器人的認(rèn)知比較片面，大多停留于人形機器人、智能機器人層面，缺乏對工業(yè)機器人的多種結(jié)構(gòu)形式和各種應(yīng)用場合的了解。本項目通過視頻、圖像、實訓(xùn)設(shè)備等，使學(xué)生了解工業(yè)機器人、深海機器人、空間機器人、軍事機器人、仿生及人形機器人、娛樂與服務(wù)機器人等在各種場合的應(yīng)用。對于機器人的工業(yè)應(yīng)用著重講解其各種結(jié)構(gòu)形式及應(yīng)用場合，如SCARA結(jié)構(gòu)、PUMA560結(jié)構(gòu)、直角坐標(biāo)機器人等，通過該項目使學(xué)生對機器人學(xué)科有全面認(rèn)識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

工業(yè)機器人的基本操作 本項目由學(xué)生操作示教盒在不同坐標(biāo)系下運轉(zhuǎn)工業(yè)機器人，并在動態(tài)模擬軟件MOTOSIM-EG中完成虛擬機器人的加載和控制。通過關(guān)機坐標(biāo)系下的運動使學(xué)生了解PUMA560機器人的結(jié)構(gòu)形式，通過直角坐標(biāo)系了解軌跡控制的概念，并簡要介紹用戶坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系的實用意義。教師簡單講解工業(yè)機器人的系統(tǒng)構(gòu)成、各部分原理和作用，如控制柜（主控制器、軸控制器、焊接控制板、變頻器、IO板等）、數(shù)字焊機、氣罐、送絲結(jié)構(gòu)、交流伺服電機等，并可講解弧焊、點焊、釬焊的差異及其應(yīng)用。

汽車車門點焊實訓(xùn) 本項目由學(xué)生編制程序，驅(qū)動工業(yè)機器人模擬點焊作業(yè)。由于點焊設(shè)備較重，對機器人負(fù)載能力的要求較高（一般在165kg級別），使得機器人造價高，不適合高職院校使用。本項目采用弧焊機器人加外部IO模擬點焊操作，并使用動態(tài)模擬軟件加載虛擬點焊槍模擬點焊過程。本項目涉及的知識點為：工業(yè)機器人的程序錄入與示教再現(xiàn)方法、點焊原理及其應(yīng)用、外部IO的連接與控制、點位運動模式下的路徑規(guī)劃方法等。

圖1 課程項目圖

汽車消聲器弧焊實訓(xùn) 本項目由學(xué)生設(shè)定合適的焊接參數(shù)（電流、電壓等），使用起弧、收弧和圓弧運動指令，完成汽車消聲器兩端的正圓形焊縫的焊接。通過本項目使學(xué)生對工業(yè)機器人的實際焊接過程有親身體會，在焊接過程中教師應(yīng)做好安全防護工作。涉及的知識點為：圓弧運動命令模式下的路徑規(guī)劃、正逆運動學(xué)、弧焊原理、焊接參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響等。

馬鞍形焊縫焊接實訓(xùn) 馬鞍形焊縫多出現(xiàn)在圓管與圓管“T”字形連接接口，在壓力容器等設(shè)備中比較常見。其特點為大厚度、深坡口，需要多層多道連續(xù)焊接，多采用焊接專機或機器人加外部軸的方式進行。由于本實訓(xùn)室機器人未配備外部軸，故可采用近似方法，即在焊縫上設(shè)置若干關(guān)鍵點作為運動目標(biāo)點，使用機器人點位運動或直線運動命令做近似的軌跡擬合，由于關(guān)鍵點間距較小，加之弧焊對精度要求不高，本方法基本能夠滿足企業(yè)應(yīng)用要求，并可使用動態(tài)模擬軟件加載虛擬機器人和外部軸完成作業(yè)。通過本項目使學(xué)生了解焊接專機和外部軸的應(yīng)用場合，了解多軸控制器的作用，提高編程能力，熟練掌握工業(yè)機器人操作方法。

藥盒裝箱碼垛實訓(xùn) 本項目要求學(xué)生使用真空吸盤將藥片（由塑料塊模擬）裝入包裝盒，裝滿后將藥盒放至相應(yīng)位置，然后繼續(xù)裝藥操作。本項目程序比較復(fù)雜，需要使用外部IO擴展、子程序調(diào)用、系統(tǒng)變量等要素，有一定的綜合性。相關(guān)知識點為：真空吸盤原理和使用、外部IO擴展和控制、機器人在食品包裝行業(yè)的應(yīng)用等。

啤酒裝箱搬運實訓(xùn) 本項目主要是將空啤酒瓶裝箱后搬運，需要氣動手爪和真空吸盤配合使用，手爪完成裝箱，真空吸盤完成搬運。本項目在編程上比上個項目偏難，基本知識點與上個項目相同。通過本項目強化學(xué)生編制復(fù)雜程序的能力。

AGV設(shè)計編程與調(diào)試 AGV（自動導(dǎo)引車）系統(tǒng)作為柔性裝配系統(tǒng)、物流自動化系統(tǒng)，可適應(yīng)現(xiàn)代汽車制造業(yè)柔性化、敏捷化、智能化、信息化的發(fā)展趨勢，工業(yè)機器人在汽車生產(chǎn)中主要完成點焊、弧焊、裝配、噴涂等工作，AGV和工業(yè)機器人相結(jié)合，可大大提高勞動生產(chǎn)率。學(xué)生使用組合式機器人套件，選用相應(yīng)的傳感器，自主設(shè)計四輪移動小車，如圖2所示，使用C語言或者圖形化編程軟件完成程序設(shè)計，使得小車能夠沿著指定路徑前進，實現(xiàn)自動導(dǎo)引功能。本項目使學(xué)生了解AGV的原理和應(yīng)用，組裝AGV以提高動手能力，通過對小車編程了解單片機開發(fā)流程，培養(yǎng)使用C語言編制復(fù)雜程序的能力，了解傳感器的原理及與主控制器的連接方法，掌握直流電動機的調(diào)速方法。

機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及示教系統(tǒng)實現(xiàn) 一般而言，工業(yè)機器人是一個封閉的系統(tǒng)，用戶只能通過示教盒或PC機軟件完成工業(yè)機器人的編程控制，其D-H參數(shù)也不公開。因此，僅依靠工業(yè)機器人無法驗證正逆運動學(xué)、電機控制理論。為克服此難點，本項目要求學(xué)生使用組合式機器人套件設(shè)計PUMA560結(jié)構(gòu)形式的機器人，如圖3所示，利用主控制編程實現(xiàn)示教盒功能，即能夠控制該機器人的關(guān)節(jié)運動，并能夠記錄和復(fù)現(xiàn)運動軌跡。該機器人的關(guān)節(jié)由開放通訊協(xié)議的舵機驅(qū)動，主控制器能夠與舵機雙向通訊，設(shè)定或獲得關(guān)節(jié)角度。由于該套件可提供各構(gòu)件的三維模型，學(xué)生可以導(dǎo)入UG、Pro/E完成虛擬裝配，通過運動仿真了解工業(yè)機器人的正運動學(xué)理論。通過該項目使學(xué)生深刻理解PUMA560形式機器人的結(jié)構(gòu)，了解工業(yè)機器人離線編程、虛擬示教與示教盒示教的區(qū)別和聯(lián)系，掌握使用C語言編制復(fù)雜程序的過程，掌握舵機的原理和控制方法，能熟練地使用UG、Pro/E，教師能夠通過該開放式機器人講解正逆運動學(xué)并由學(xué)生驗證。

圖2 AGV小車圖

機器人常見故障與維護 本項目主要講述工業(yè)機器人常見故障處理，如碰撞、線纜損壞、焊接異常等，常規(guī)維護如防塵、防潮、防靜電，末端執(zhí)行機構(gòu)、夾具、焊槍等的換裝，加注潤滑油的方法等。由于工業(yè)機器人數(shù)量有限，本項目主要由教師通過圖片、視頻等方式講解，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進行拆裝。此外，還應(yīng)強調(diào)規(guī)范化的故障診斷和排除流程。

教學(xué)方案與成績評價

本課程采用項目教學(xué)法，每組安排4～6人，考慮到工業(yè)機器人數(shù)量有限，程序錄入占用時間較長，可采取以下方式：（1）利用虛擬機器人與實體機器人互補，一部分學(xué)生操作實體機器人，一部分學(xué)生利用模擬軟件操作虛擬機器人；（2）組合機器人與工業(yè)機器人互補，項目順序不必拘泥于圖1所示，如一部分學(xué)生可先進行項目8和項目9，利用組合式教學(xué)機器人即可完成教學(xué)。

學(xué)生完成本項目課程后，能夠掌握工業(yè)機器人操作、編程、維保技能，熟悉工業(yè)機器人及相關(guān)設(shè)備在自動化生產(chǎn)中的應(yīng)用，了解相關(guān)理論知識，即可認(rèn)為實現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)。在教學(xué)過程中，應(yīng)注意過程評價，主要著眼點為動手能力、團隊協(xié)作能力、創(chuàng)新能力、紀(jì)律性及職業(yè)素質(zhì)，在課程結(jié)束后，可由學(xué)生選擇某一項目提交研究性報告，以考查其綜合應(yīng)用知識的能力和文書寫作能力。

教學(xué)實踐證明，本課程采用項目教學(xué)法，緊貼企業(yè)應(yīng)用，淡化理論，強化實踐，并使二者有機結(jié)合于項目中，取得了良好的教學(xué)效果。尤其是引入組合式教學(xué)機器人，可以彌補工業(yè)機器人封閉性的不足，增強學(xué)生的參與性，使得課堂教學(xué)生動活潑，寓理論于實踐，對工業(yè)機器人課程教學(xué)具有很好的促進作用。

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G712

A

1672-5727（2011）03-0039-02

趙鳳申（1982—），男，河南商水人，碩士，江蘇省南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向為應(yīng)用電子技術(shù)、機器人技術(shù)與教學(xué)。

圖3 組合式工業(yè)機器人圖