机类专业“工业机器人技术”课程教学内容初探
朱洪前 余皡 邓旻涯
摘? ? 要：开设“工业机器人技术”课程，是机类专业实现“新工科”的一项重要举措。在“工业机器人技术”课程教学过程中，需要注重基础，将内容深度控制在机械类学生能够接受的程度。文章基于新工科背景，对机类专业“工业机器人技术”课程教学内容进行深入探讨，研制出新的“工业机器人技术”课程教学大纲，供主讲教师参考。
关键词：工业机器人技术;机类专业;高校
中图分类号：G642.0? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ?文章编号：1002-4107（2020）04-0006-02
一、研究意义
近年来，在工业4.0及“中国制造2025”政策的引导下，中国机器人产业整体市场规模持续扩大。我国机器人产业2013-2018年的平均增长率达到29.7%，增速保持全球第一。2017年，中国机器人产业整体规模超过1200亿元。工业机器人应用场景越来越宽广。国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006—2020）提出以智能服务机器人应用需求为重点。中国制造2025提出围绕机器人应用需求，积极研发新产品[1]。
开设机器人工程专业的高校，2016年1所，2017新增25所，2018年新增60所，2019年新增101所。自动化、电气工程、计算机科学与技术等电类、计算机类专业基本开设了机器人技术课程[2]。
“工业机器人技术”涉及到机械学、电子学、计算机学、控制工程、人工智能等多个领域的最新研究成果。开设“工业机器人技术”课程是机类专业实现“新工科”的有力支撑。机械制造及其自动化、机械设计及其理论、林业工程、农业工程、矿业工程、轮机工程、车辆工程、精密仪器及机械、动力工程、纺织工程等数十个机类与近机类专业也在不断增开机器人技术课程。国内高校机类本科专业的“工业机器人技术”课程教学内容往往过于集中在运动学、动力学，或者所选取的教学内容难度超过了机类学生能够接受的程度。机类专业迫切需要的机械系统、动力系统、通讯系统等内容普遍介绍不足。因此，开展机类专业的“工业机器人技术”课程教学研究，提高机类专业的“工业机器人技术”课程教学水平，是高校机类专业的一项紧迫的任务[3]。
二、机类专业“工业机器人技术”教学目标
“工业机器人技术”是机类专业的一门专业选修课。目前，大部分高校本课程的主要教学目标是让学生能了解工业机器人的特点、结构与分类;了解机器人学的研究领域及其与人工智能的关系;掌握机器人运动方程的表示及运动方程的求解;掌握机器人动力学方程;了解机器人的基本控制技术和方法，初步掌握机器人的位置控制和柔顺控制以及机器人的分解运动控制;了解机器人规划的作用和任务，初步认识机器人的轨迹规划问题。
在“新工科“背景下，高校要大力加强多学科和跨学科教育，培养机械、自动化、通讯、液压等相结合的复合型人才。“工业机器人技术”课程可以为机类、近机类专业人才培养新目标提供有力支撑。“工业机器人技术”课程的教学要适应机械工程、林业工程、矿业工程、农业工程等数十个机类、近机类专业的课程体系特点。机类专业的人才培养课程体系，由于学时的限制，总会有很多反映时代最新科技的控制类、计算机类、人工智能类课程无法开出。自从20世纪60年代以来，工业机器人在工业发达国家越来越多的领域得到了应用，尤其是在汽车生产线上得到了广泛应用，并在在制造业中，如毛坯制造（冲压、压铸、锻造等）、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、打磨抛光、上下料、裝配、检测及仓库堆垛等作业中得到应用，提高了加工效率与产品的一致性。作为先进制造业中典型的机电一体化数字化装备，工业机器人已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。工业机器人是高度机电液结合的产物，其设计、制造、使用、管理、维护都需要比较全面的知识和技能。这时，机器人课程就可以充当数十门控制类、计算机类、人工智能类课程的启蒙和导论课程，成为机类专业学生知识体系的万能胶，弥补学生知识体系的不足，综合各类专业课程，培养学生创新创业能力。
工业机器人相比于传统的机电产品，具有更好的环境适应性和智能，教学内容要适当安排一些最新的机器人技术，如机器视觉、人工智能等，吸引学生。教学过程中，也需要注重基础，内容深度控制在机械类学生能够接受的程度，教学时力求通俗易懂又不失先进性和前沿性。
三、新工科下机类专业“工业机器人技术”教学内容探讨
（一）教学要适应机械类、近机类专业课程体系特点
机械类专业机器人教学涉及的内容包括工业机器人设计、开发、使用、维护涉及到的运动学、动力学、机械系统、动力系统、传感系统、控制系统、通讯系统、编程。
机械类专业的“工业机器人技术”课程开设前，一般能开出这些课程：线性代数、机械原理、工程力学、工程材料、机械工程控制基础、电机学、液压传动、C语言程序设计、计算机组成原理、电工学、电子技术基础、工程测试技术。
机械类专业的“工业机器人技术”课程开设前，一般由于学时的限制，无法开出这些课程：运筹学、控制电机、电力拖动自动控制系统、液压伺服系统、传感器原理、数字图像处理、机器视觉、计算机网络、电力电子学、工业控制网络、计算机控制技术、信号与系统、数字信号处理、模式识别、人工智能技术。这时，机器人课程就应当充当这些控制类、计算机类、人工智能类课程的启蒙和导论课程。结合机器人这一载体介绍相关技术时，需要注重基础，难度控制在机类学生能接受的程度。
（二）新工科下“工业机器人技术”教学大纲新规划
工业机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，是衡量一个国家创新能力和产业竞争力的重要标志，已成为全球新一轮科技和产业革命的重要切入点。工业机器人技术涉及到运动学、动力学、机械系统、动力系统、感知系统、控制系统、通讯、编程等方方面面。
根据机类学生的培养目标，工业机器人技术涉及到的数学基础、工业机器人运动学、工业机器人动力学、工业机器人运动轨迹规划不需要介绍得过于详细，可以合为一章来介绍。
工业机器人的机械系统是机器人的支承基础和执行机构，计算、分析和编程的最终目的是要通过本体的运动和动作完成特定的任务。工业机器人机械系统主要由四大部分构成：机身（即立柱）、臂部、腕部、手部。此外工业机器人必须有一个便于安装的基础件，即机器人的机座，机座往往与机身做成一体，基座必须具有足够的刚度和稳定性，主要有固定式和移动式两种。工业机器人的很多机械零部件非常有特色，建议加大这部分内容的比重，建议工业机器人机械系统的篇幅占比要达到20%左右。
工业机器人动力系统涉及的范围非常宽广，内容对学生知识体系的完善非常重要。工业机器人动力系统内容要在机类学生能接受的范围内尽量深入，内容包括动力系统的分类、交流伺服系统、直流伺服系统、步进电机系统、液压伺服系统、气动系统。工业机器人的动力系统，以电机的工作原理介绍为主，也可以深入到电力调速系统的知识，弥补大部分机类专业没开电力拖动控制系统课程的弱点。在本课程中，也可以深入介绍一些液压伺服系统的知识，丰富学生电液伺服阀、电液比例阀的结构与工作原理等知识。
工业机器人感知系统通常由多种传感器或视觉系统组成，用于感知工业机器人自身状态和外部环境，通过此信息来决策和控制工业机器人完成特定或多项任务。目前，使用较多的工业机器人传感器有姿态传感器、力觉传感器、触觉传感器、压觉传感器、接近觉传感器等。本章主要介绍工业机器人常用的传感器及其工作原理，并对其使用要求以及各種传感器的选择方法和评价方法加以介绍。目前，机器视觉广泛应用在工业现场，为提高机器的智能提供了新的途径，学生迫切希望能在这方面有一个初步的知识入门，建议在本门课程给学生介绍一些机器视觉的知识，最好包括图像处理、模式识别的基本知识和方法。
工业机器人控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理与控制系统，是决定工业机器人功能和性能的主要因素，是工业机器人的核心部分。工业机器人控制系统介绍时，要作为机械工程控制基础课程的案例来教学，内容包括概述、关节运动控制、分解运动控制、力控制。学生在学习机械工程控制基础的时候，对积分变换、频域分析感到非常抽象，在本门课程当中，结合具体的任务来建立控制系统的框图，有助于学生消化、掌握控制理论的应用。
工业机器人作为智能设备在编程、调试、运行、维护的过程中需要通信网络技术，为了和PLC等其他工业设备进行系统集成，需要DeviceNet、Profibus、Profinet、EthernetIP等工业网络通信接口。工业机器人通信系统要成为“工业机器人技术”课程的标配，内容包括通讯技术基础、工业机器人通讯接口、举例介绍。
工业机器人编程介绍仿真和实操并重，内容包括工业机器人的编程基础、工业机器人的编程实例。目前，这一块的教材有比较成熟的内容和介绍，这里就不多叙述。
该文对新工科背景下，机类专业的“工业机器人技术”教学内容进行了深入探讨，提出了新的“工业机器人技术”课程教学大纲供主讲教师参考。使机器人技术课程教学既具有一定的新颖性和前瞻性，又能够与机械类的课程体系紧密结合，难度合适，选材恰当，能够处理好与机电传动、自动控制原理、传感器技术、计算机原理等数十门课程的关系，能够承上启下，有效地提高学生的机电系统综合能力。
参考文献：
[1]朱洪前.工业机器人技术[M].北京：机械工业出版社，2019：7.
[2]李卫民，李曙生，张斌.““校企一体化”模式下高职院校课程体系、教学内容与职业标准衔接路径探析——以工业机器人技术专业为例[J].黑龙江教育：理论与实践，2019，（Z2）.
[3]古今.基于实验对分的大学工科课程教学模式研究——以“机器人技术”为例[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2019，（8）.
