应用型本科工业机器人系统集成综合实习教学探讨

    张颖 乔贵方 刘娣 黄家才

    摘 ?要 围绕“建设一流本科、做强一流专业、培养一流人才”的思路，针对应用型本科院校对“工业机器人系统集成综合实习”课程的教学需求，对本课程作为机器人工程、自动化（机器人）专业的必修实践课程的教学方法和教学过程进行探讨。本课程把教师、学生及教学方法都很好地进行了整合，对于教师提高教学水平有很好的促进作用，对于学生掌握专业知识与专业技能有很好的提升作用。同时，在本课程的学习过程中，学生思考解决问题的能力得到提升，为就业及继续深造都打下夯实的基础。该实践课对于一流人才的培养提供了坚实的帮助，对于一流专业的做强提供了有力的保障，为一流应用型本科建设提供了无限的可能。

    关键词 工业机器人;系统集成综合实习;教学方法;控制系统

    中图分类号：G642.0 ? ?文獻标识码：B

    文章编号：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

    据国际机器人联合会提供的资料，2017年全球工业机器人的销售量比上年增长31%，中国以58%的增长率成为需求量增幅最大的国家[1]，中国工业机器人的销售量已经在全球处于领先位置，并呈持续快速增长的态势，到2020年，全世界将会有超过300万的工业机器人用于工业生产中。虽然我国机器人产业已经取得明显进步，但是当前工业机器人市场国产化率低，进口依赖性强。因此，国家陆续出台支持机器人产业的发展政策。2015年，由国务院颁布的《中国制造2025》[2]明确指出，工业机器人应用符合我国未来制造业的发展方向，并进一步明确了我国机器人产业的发展方向。

    工业机器人包括控制器（控制技术）、减速机、机器人专用伺服电机及其控制技术三大核心零部件的关键技术。在人口老龄化日趋严重的社会状况与国家资助创新政策的影响下，进入机器人研制和生产行列的国产企业日益增多，我国工业机器人和服务已经进入初步产业化阶段[3]。根据中机院工业市场研究所的预测，在2016—2020年间，中国将形成较为完善的机器人产业体系，技术创新能力和国际竞争能力明显增强，产品性能和质量达到国际同类水平，关键零部件取得重大突破，基本满足市场需求。由此可见，工业机器人将发挥越来越重要的作用。

    机器人是一门控制工程、机械工程、电气工程、电子工程、计算机科学与技术等多学科融合的专业，要求学生掌握的专业知识与技能涉及面非常广。作为一所设置有机器人工程、自动化（机器人）专业的应用型工程大学，南京工程学院在培养具有工业机器人相关技术储备的学生方面，已经有一套成熟使用的培养方案。为了培养自动化（机器人）专业、机器人工程专业学生对工业机器人认知及应用能力，开设工业机器人系统集成综合实习，为期四周。课程的主要内容包括工业机器人机械本体结构相关知识、工业机器人控制系统及开发平台的应用、工业机器人的集成应用，要求学生在该实习结束之后能够了解工业机器人的基本机构、部件组成、控制系统、开发平台、指令系统乃至工业设计及集成要求，掌握工业机器人集成应用方面的实践操作能力。

    2 课程特点及教学目标

    工业机器人是打造自动化工厂的重要组成，可有效提高生产效率、降低成本和控制质量。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。目前，工业机器人的应用种类大致分为焊接机器人、喷涂机器人、搬运机器人、码垛机器人、装配机器人、切割机器人、涂胶机器人及其他（贴片、清洗、去毛刺、特殊处理、复合机器人）等种类。本课程旨在培养自动化（机器人）专业、机器人工程专业学生对工业机器人的认知及应用能力，课程目标为：要求学生了解工业机器人的基本机构、部件组成、控制系统、开发平台、指令系统乃至工业设计及集成要求;要求学生掌握工业机器人集成应用方面的实践操作能力。

    3 课程的具体实施与效果分析

    实践主要任务 ?本课程面向自动化（机器人）和机器人工程专业四年级的学生开设，每个班级的学生在40名左右。在教学实践中主要对教学方法和考核方式进行改革。实习场地为南京工程学院工程实践中心7号楼不二越和埃斯顿工业机器人实训基地，实习的主要任务以及对学生的要求包括四个方面。

    任务一：工业机器人示教编程。在该任务中，要求学生能够熟练正确编写示教程序并调试;详细说明自动运行的操作步骤;熟练完成操作，并能正确回答作业相关问题。

    任务二：埃斯顿工业机器人离线编程软件学习。要求学生掌握离线编程的基本概念、方法，了解离线编程软件的开发方法;了解埃斯顿离线编程软件的使用方法。

    任务三：安川机器人拆解、测量与绘图。要求学生掌握SolidWorks的基本使用方法;了解工业机器人的机械本体结构、关键零部件及其作用;正确使用各种工具拆解机器人各关节及主要部件，并能正确回答相关问题;能利用SolidWorks针对机器人主要部件绘图;对实习进行总结，撰写相应报告。

    任务四：NACHI工业机器人视觉应用、系统集成。要求学生了解机器人视觉的基本概念和基本方法;结合机器人视觉，编写示教程序并调试;熟练完成现场考核，并能正确回答作业相关问题;对实习进行总结，撰写相应报告。

    任务的具体实现 ?围绕以上教学任务和目标，本课程采用的实习方式有：

    1）集中实习，实习中安排有概论讲课、示范讲解、独立操作和实习考核等内容;

    2）操作练习，安排学生独立或分组实习，完成每个设定的课题;

    3）学生按要求完成实习报告。

    针对任务一，首先对现场多种型号的工业机器人作总体介绍，包括：机器人的类别、工作载荷、机械机构特点、伺服电机型号、减速器等组成部件;工业机器人的控制系统认知;机器人语言、各指令系统和典型指令的使用练习;NACHI工业机器人和埃斯顿工业机器人的开发应用平台的熟识和使用，包括手动模式和自动模式、示教面板的输入练习、典型运动方式的选择。然后要求学生对NACHI工业机器人进行编程示教，包含两个项目，分别为平面物体的示教搬运和斜面物体的示教搬运，其中平面搬运只涉及末端执行器位置的调整，而斜面的搬运涉及位置与姿态的同时调整。实践过程采用分组练习、单独考核的方式，对学生操作机器人的效果及效率进行打分评定。

    针对任务二，要求学生安装埃斯顿离线编程软件进行编程练习，同时在实习过程中邀请南京埃斯顿机器人工程有限公司的工程师进校为学生现场授课，包括机器人基础知识、埃斯顿机器人控制系统介绍、弧焊功能、码垛功能、机器人示教再现、安全注意事项等内容。在理论知识介绍完毕之后还在埃斯顿工业机器人实训基地进行现场演示，并由学生进行独立操作。

    针对任务三，首先介绍典型工业机器人的世界坐标系、工具坐标系等坐标系的建立，现场工业机器人零部件尺寸的测绘;然后引导学生集中学习SolidWorks软件的使用，包括零部件的绘制、装配，装配体的机械仿真等部分，要求学生对给出的一套完整教学用车进行绘制，并进行单独考核;接着，为了让学生对机器人的结构有更为深刻的了解，对学生分组进行机器人的拆解、测量与绘制、组装，让学生在此过程中清楚地认识到一个典型的工业机器人的组成，了解机器人的套轴结构、电机减速器的安防位置，各种零部件结构设计的巧妙与完美的配合。

    针对任务四，结合实训基地NACHI机器人安装的康耐视相机进行具体介绍，包括外部视觉装置偏移量基本算法、使用外部视觉偏移的方法、通信过程。要求学生能够熟悉工业机器人及外围控制系统的开发平台，并能够对具体工业机器人集成应用对象（喷涂、搬运、涂胶、视觉、力觉）等任务详细分析实现过程步骤。

    课程效果分析 ?本课程在整个教学过程中以实现新时代高等教育内涵式发展为目标，围绕“建设一流本科、做强一流专业、培养一流人才”的教育新思路，以学生为中心，取得良好效果。综合学生的出勤、现场操作以及实习报告三部分内容，对学生的实习表现进行综合评价，最后有26.32%的学生为优秀，63.16%的学生为良好，10.53%的学生为中，整个班级的平均分为85.74分。成绩上反映了机器人整个班级学风非常好，学生间的团队协作能力也很好。

    在后期调查中发现，本次实习对学生的帮助非常大：为就业的学生在机器人相关企业的面试以及考研学生的复试面试积累了实践经验，使得相关学生更具优势;而在任务三中学习的SolidWorks软件的使用，在毕业设计中发挥了极其重要的作用，实习积累的经验让学生更方便快捷地设计出自己想要的机器人，其中有学生自行设计的二指/三指机械手爪、农业机器人、仿生机器人等。

    4 结语

    工业机器人系统集成综合实习课程综合了理论知识的学习与实践，通过对该课程教学方法和考核方式的不断改进与探索，在教学过程中取得一定的效果，为培养应用型人才奠定良好的基础。学生能够开展主动学习、探究式学习、项目学习、从做中学、实践学习、问题导向学习、自我学习、同伴互学和团队学习，对机器人专业的知识有了更加深刻的认识，对当前机器人产业、自动化产业的人才需求有了清晰了解，为后续就业及进一步深造打下坚实的基础。本次实习围绕以学生为中心提升教学质量，确保每个学生得到良好的教学体验，鼓励原创思维，推动参与，为在全球范围内工作做准备。同时，本次实践激发每个学生的潜能，增加毕业生就业，尤其是在高技术产业领域就业。

    一门课程的展开离不开师生共同的努力，就工业机器人系统集成综合实习这门课而言，为了保证课程的顺利有序进行，对师生提出如下建议：

    1）要求任课教师有过硬的专业知识与实践操作能力，既能够结合自己的研究方向为学生传递前沿的学术进展，又能够为在实践中遇到困惑的学生指点迷津;

    2）要求学生具有足够的耐心与自学能力，能够融会贯通、举一反三。

    本实习开设在大学的第七学期，学生面临升学与继续深造的压力，不能为了当下的任务轻视本次实习，实习的任务对所有学生的下一步选择都有很重要的意义。

    参考文献

    [1]IFR International Federation of Robotics[DB/OL].https：//ifr.org/.

    [2]国务院关于印发《中国制造2025》的通知（国发〔2015〕

    28号）[DB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-

    05/19/content_9784.htm.

    [3]趙杰.我国工业机器人发展现状与面临的挑战[J].航空制造技术，2012（12）：26-29.