張穎 喬貴方 劉娣 黃家才

摘 ?要 圍繞“建設(shè)一流本科、做強一流專業(yè)、培養(yǎng)一流人才”的思路，針對應(yīng)用型本科院校對“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成綜合實習(xí)”課程的教學(xué)需求，對本課程作為機器人工程、自動化（機器人）專業(yè)的必修實踐課程的教學(xué)方法和教學(xué)過程進行探討。本課程把教師、學(xué)生及教學(xué)方法都很好地進行了整合，對于教師提高教學(xué)水平有很好的促進作用，對于學(xué)生掌握專業(yè)知識與專業(yè)技能有很好的提升作用。同時，在本課程的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生思考解決問題的能力得到提升，為就業(yè)及繼續(xù)深造都打下夯實的基礎(chǔ)。該實踐課對于一流人才的培養(yǎng)提供了堅實的幫助，對于一流專業(yè)的做強提供了有力的保障，為一流應(yīng)用型本科建設(shè)提供了無限的可能。

關(guān)鍵詞 工業(yè)機器人;系統(tǒng)集成綜合實習(xí);教學(xué)方法;控制系統(tǒng)

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：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)國際機器人聯(lián)合會提供的資料，2017年全球工業(yè)機器人的銷售量比上年增長31%，中國以58%的增長率成為需求量增幅最大的國家[1]，中國工業(yè)機器人的銷售量已經(jīng)在全球處于領(lǐng)先位置，并呈持續(xù)快速增長的態(tài)勢，到2020年，全世界將會有超過300萬的工業(yè)機器人用于工業(yè)生產(chǎn)中。雖然我國機器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得明顯進步，但是當(dāng)前工業(yè)機器人市場國產(chǎn)化率低，進口依賴性強。因此，國家陸續(xù)出臺支持機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展政策。2015年，由國務(wù)院頒布的《中國制造2025》[2]明確指出，工業(yè)機器人應(yīng)用符合我國未來制造業(yè)的發(fā)展方向，并進一步明確了我國機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

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

機器人是一門控制工程、機械工程、電氣工程、電子工程、計算機科學(xué)與技術(shù)等多學(xué)科融合的專業(yè)，要求學(xué)生掌握的專業(yè)知識與技能涉及面非常廣。作為一所設(shè)置有機器人工程、自動化（機器人）專業(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)機器人相關(guān)技術(shù)儲備的學(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)自動化（機器人）專業(yè)、機器人工程專業(yè)學(xué)生對工業(yè)機器人認知及應(yīng)用能力，開設(shè)工業(yè)機器人系統(tǒng)集成綜合實習(xí)，為期四周。課程的主要內(nèi)容包括工業(yè)機器人機械本體結(jié)構(gòu)相關(guān)知識、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)及開發(fā)平臺的應(yīng)用、工業(yè)機器人的集成應(yīng)用，要求學(xué)生在該實習(xí)結(jié)束之后能夠了解工業(yè)機器人的基本機構(gòu)、部件組成、控制系統(tǒng)、開發(fā)平臺、指令系統(tǒng)乃至工業(yè)設(shè)計及集成要求，掌握工業(yè)機器人集成應(yīng)用方面的實踐操作能力。

2 課程特點及教學(xué)目標

工業(yè)機器人是打造自動化工廠的重要組成，可有效提高生產(chǎn)效率、降低成本和控制質(zhì)量。工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。目前，工業(yè)機器人的應(yīng)用種類大致分為焊接機器人、噴涂機器人、搬運機器人、碼垛機器人、裝配機器人、切割機器人、涂膠機器人及其他（貼片、清洗、去毛刺、特殊處理、復(fù)合機器人）等種類。本課程旨在培養(yǎng)自動化（機器人）專業(yè)、機器人工程專業(yè)學(xué)生對工業(yè)機器人的認知及應(yīng)用能力，課程目標為：要求學(xué)生了解工業(yè)機器人的基本機構(gòu)、部件組成、控制系統(tǒng)、開發(fā)平臺、指令系統(tǒng)乃至工業(yè)設(shè)計及集成要求;要求學(xué)生掌握工業(yè)機器人集成應(yīng)用方面的實踐操作能力。

3 課程的具體實施與效果分析

實踐主要任務(wù) ?本課程面向自動化（機器人）和機器人工程專業(yè)四年級的學(xué)生開設(shè)，每個班級的學(xué)生在40名左右。在教學(xué)實踐中主要對教學(xué)方法和考核方式進行改革。實習(xí)場地為南京工程學(xué)院工程實踐中心7號樓不二越和埃斯頓工業(yè)機器人實訓(xùn)基地，實習(xí)的主要任務(wù)以及對學(xué)生的要求包括四個方面。

任務(wù)一：工業(yè)機器人示教編程。在該任務(wù)中，要求學(xué)生能夠熟練正確編寫示教程序并調(diào)試;詳細說明自動運行的操作步驟;熟練完成操作，并能正確回答作業(yè)相關(guān)問題。

任務(wù)二：埃斯頓工業(yè)機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：安川機器人拆解、測量與繪圖。要求學(xué)生掌握SolidWorks的基本使用方法;了解工業(yè)機器人的機械本體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵零部件及其作用;正確使用各種工具拆解機器人各關(guān)節(jié)及主要部件，并能正確回答相關(guān)問題;能利用SolidWorks針對機器人主要部件繪圖;對實習(xí)進行總結(jié)，撰寫相應(yīng)報告。

任務(wù)四：NACHI工業(yè)機器人視覺應(yīng)用、系統(tǒng)集成。要求學(xué)生了解機器人視覺的基本概念和基本方法;結(jié)合機器人視覺，編寫示教程序并調(diào)試;熟練完成現(xiàn)場考核，并能正確回答作業(yè)相關(guān)問題;對實習(xí)進行總結(jié)，撰寫相應(yīng)報告。

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

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

2）操作練習(xí)，安排學(xué)生獨立或分組實習(xí)，完成每個設(shè)定的課題;

3）學(xué)生按要求完成實習(xí)報告。

針對任務(wù)一，首先對現(xiàn)場多種型號的工業(yè)機器人作總體介紹，包括：機器人的類別、工作載荷、機械機構(gòu)特點、伺服電機型號、減速器等組成部件;工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)認知;機器人語言、各指令系統(tǒng)和典型指令的使用練習(xí);NACHI工業(yè)機器人和埃斯頓工業(yè)機器人的開發(fā)應(yīng)用平臺的熟識和使用，包括手動模式和自動模式、示教面板的輸入練習(xí)、典型運動方式的選擇。然后要求學(xué)生對NACHI工業(yè)機器人進行編程示教，包含兩個項目，分別為平面物體的示教搬運和斜面物體的示教搬運，其中平面搬運只涉及末端執(zhí)行器位置的調(diào)整，而斜面的搬運涉及位置與姿態(tài)的同時調(diào)整。實踐過程采用分組練習(xí)、單獨考核的方式，對學(xué)生操作機器人的效果及效率進行打分評定。

針對任務(wù)二，要求學(xué)生安裝埃斯頓離線編程軟件進行編程練習(xí)，同時在實習(xí)過程中邀請南京埃斯頓機器人工程有限公司的工程師進校為學(xué)生現(xiàn)場授課，包括機器人基礎(chǔ)知識、埃斯頓機器人控制系統(tǒng)介紹、弧焊功能、碼垛功能、機器人示教再現(xiàn)、安全注意事項等內(nèi)容。在理論知識介紹完畢之后還在埃斯頓工業(yè)機器人實訓(xùn)基地進行現(xiàn)場演示，并由學(xué)生進行獨立操作。

針對任務(wù)三，首先介紹典型工業(yè)機器人的世界坐標系、工具坐標系等坐標系的建立，現(xiàn)場工業(yè)機器人零部件尺寸的測繪;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，裝配體的機械仿真等部分，要求學(xué)生對給出的一套完整教學(xué)用車進行繪制，并進行單獨考核;接著，為了讓學(xué)生對機器人的結(jié)構(gòu)有更為深刻的了解，對學(xué)生分組進行機器人的拆解、測量與繪制、組裝，讓學(xué)生在此過程中清楚地認識到一個典型的工業(yè)機器人的組成，了解機器人的套軸結(jié)構(gòu)、電機減速器的安防位置，各種零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的巧妙與完美的配合。

針對任務(wù)四，結(jié)合實訓(xùn)基地NACHI機器人安裝的康耐視相機進行具體介紹，包括外部視覺裝置偏移量基本算法、使用外部視覺偏移的方法、通信過程。要求學(xué)生能夠熟悉工業(yè)機器人及外圍控制系統(tǒng)的開發(fā)平臺，并能夠?qū)唧w工業(yè)機器人集成應(yīng)用對象（噴涂、搬運、涂膠、視覺、力覺）等任務(wù)詳細分析實現(xiàn)過程步驟。

課程效果分析 ?本課程在整個教學(xué)過程中以實現(xiàn)新時代高等教育內(nèi)涵式發(fā)展為目標，圍繞“建設(shè)一流本科、做強一流專業(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)場操作以及實習(xí)報告三部分內(nèi)容，對學(xué)生的實習(xí)表現(xiàn)進行綜合評價，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，整個班級的平均分為85.74分。成績上反映了機器人整個班級學(xué)風(fēng)非常好，學(xué)生間的團隊協(xié)作能力也很好。

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

4 結(jié)語

工業(yè)機器人系統(tǒng)集成綜合實習(xí)課程綜合了理論知識的學(xué)習(xí)與實踐，通過對該課程教學(xué)方法和考核方式的不斷改進與探索，在教學(xué)過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)生能夠開展主動學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)、項目學(xué)習(xí)、從做中學(xué)、實踐學(xué)習(xí)、問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)、自我學(xué)習(xí)、同伴互學(xué)和團隊學(xué)習(xí)，對機器人專業(yè)的知識有了更加深刻的認識，對當(dāng)前機器人產(chǎn)業(yè)、自動化產(chǎn)業(yè)的人才需求有了清晰了解，為后續(xù)就業(yè)及進一步深造打下堅實的基礎(chǔ)。本次實習(xí)圍繞以學(xué)生為中心提升教學(xué)質(zhì)量，確保每個學(xué)生得到良好的教學(xué)體驗，鼓勵原創(chuàng)思維，推動參與，為在全球范圍內(nèi)工作做準備。同時，本次實踐激發(fā)每個學(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)。

一門課程的展開離不開師生共同的努力，就工業(yè)機器人系統(tǒng)集成綜合實習(xí)這門課而言，為了保證課程的順利有序進行，對師生提出如下建議：

1）要求任課教師有過硬的專業(yè)知識與實踐操作能力，既能夠結(jié)合自己的研究方向為學(xué)生傳遞前沿的學(xué)術(shù)進展，又能夠為在實踐中遇到困惑的學(xué)生指點迷津;

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

本實習(xí)開設(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)輕視本次實習(xí)，實習(xí)的任務(wù)對所有學(xué)生的下一步選擇都有很重要的意義。

參考文獻

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