应用型普通高校中工业机器人...《工业机器人系统集成》为例_王月朋.pdf

办公自动化杂志0 概述近年来，国家先后颁布中国制造 2025、十四五机器人产业 发 展 规 划 等 政 策 文 件，1 坚 持 习 近 平 新 时 代 中国特色社会主义思想不动摇，全面贯彻国家与党在新时期制定的新发展、新理念、新格局的一切方针政策，立足并发展新时期，在智能制造产业及机器人产业着手理念创新、技术创新、方法创新及理论创新战略布局，统筹兼顾国家与社会发展问题与安全问题，国家产业链发展、驱动链发展逐渐迈向高端智能化，“十四五”时期发展目标是“到 2025年，我国成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地”。国内机器人市场需求不断扩大，在国际竞争力也在不断增强，鉴于工业机器人产业较为高端，其升级发展必然会培养出大批高端技术人才。2，3在目前汽车、电子、机械、矿山、农业、仓储物流、智能家居、电力、应急救援、医疗康复等领域工业机器人应用越来越广泛，并不断开拓高端应用市场，开发机器人配套产品与应用，使人们生活不断向高端智能化迈进；4同时，在小而精的产业集群上，如卫浴、陶瓷、五金、家具等领域，机器人应用于搬运码垛、焊接、喷涂、抛光和打磨等环节，精度要求严格，形成机器人产业有针对性和专业化的解决方案，打造具有国际竞争力的工业机器人产业集群。5现今大部分普通高校响应国家号召，积极培养机器人相关特色领域专业人才，为国家智能制造行业提供源源不断的新鲜活力，因此开设工业机器人相关专业成为非常重要的事。6应对普通高校机器人、智能制造、人工智能、机械电子工程等专业开设机器人课程便成为一项亟待解决的重要任务，如何确定学生的培养目标、如何设置培养方案、如何划分课程学时学分，7本文以安徽信息工程学院为例，探索 工业机器人系统集成 课程在应用型普通高校教学中的定位、存在的问题及解决方案。1工业机器人系统集成 课程特色1.1工业机器人系统集成 课程概述工业机器人系统集成 是机器人、机械电子工程、智能制造工程等专业核心课。贯彻“重基础、少学时、低重心、新应用型普通高校中工业机器人课程的教学探索以 工业机器人系统集成 为例王月朋（安徽信息工程学院 机械工程学院芜湖241199）摘要：国家 十四五机器人产业发展规划 中要求制造业机器人密度实现翻番，因此，高职本科院校要响应国家发展规划需求，积极培养满足工业机器人市场需求的高端技术技能型人才。本文针对新时代工业机器人应用型人才需求，依据机械电子工程专业特点及发展方向，提出“课程讲授+产线实践”结合培养模式，探索 工业机器人系统集成 课程在机械电子工程专业中的教学效果，研究结果表明，该模式能有效提高学生对本课程的积极性与听课率，并提升学生在理论与实践结合下的工程实践能力。关键词：工业机器人；发展规划；机械电子工程；教学探索中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:220714-10193Teaching Exploration on the Industrial Robot Course in AppliedOrdinary Colleges and Universities-TakingIndustrial Robot System Integrationas an ExampleWANG Yuepeng（School of Mechanical Engineering,Anhui Institute of Information TechnologyWuhu241199）Abstract：The national14th Five-Year Robot Industry Development Planrequires that the density of manufacturingrobots be doubled.Therefore,higher vocational colleges should respond to the needs of the national development plan andcultivate actively the high-end technical and skilled talents that meet the needs of the industrial robot market.In view ofthe demand for applied talents of industrial robots in the new era,and based on the characteristics and development di-rection of mechatronics engineering，this paper proposes a combined cultivating mode of course teaching+productionline practice,and explores the teaching effect of theIndustrial Robot System Integrationcourse in mechatronics engi-neering.The research results show that this mode can improve effectively the students enthusiasm for the course and therate of listening，and improve the students engineering practice ability under the combination of theory and practice.Keywords：industrial robot;development plan;mechatronics engineering;teaching exploration基金项目：安徽信息工程学院校级一流课程（一般课程）项目，安徽省教育厅高校科研重点项目（KJ2021A1201）。*2023 年 2 月 1 日Scientific Research Education总第 488 期35办公自动化杂志知识、宽面向”的教育改革思想，以工业机器人系统为主线，对相关工程实践应用的基础知识、基本理论、基本方法等教学内容加以有机融合，逐步建立少重点、广结构、厚素质、强实践的教学结构系统。1.2 对学生的毕业要求通过 工业机器人系统集成 课程的教学，要求学生了解工业机器人基本构造，包括机械结构，控制系统，以及传感系统工作原理及基本构造，了解工业机器人传动系统、编程系统和集成系统的特点，掌握工业机器人及配套工作站的集成设计、制造、安装与调试，了解工业机器人集成应用相关原理及周边设备的应用；具备合理选择机器人特征参数的能力，具备设计工业机器人及工业机器人工作站集成应用的基本能力。课程对学生能力要求目标如下图 1 所示：图 1 课程目标对学生能力要求示意图表 1 课程目标对毕业要求的支撑关系2 工业机器人系统集成课程教学存在的问题作为智能制造产业的核心装备，工业机器人以其稳定、高效、低故障率等诸多优势，正在快速应用于生产、生活中，逐步替代人工劳作，成为推动国家加工制造业转型、提高生产率、推动企业和社会生产力快速发展的有效手段。但工业机器人仍在应用型大学教学中存在很多问题，如学生理论分析与数学基础较差、实验课程目的性不明确、理论课程与实训实践结合程度不深、考核方式与课程目标脱节严重等。本节主要阐述这些问题存在的原因，并在后续章节中对此类问题进行分析和提出解决方案。2.1 学生理论分析与数学基础较差本课程应用主要是大三年级，大部分学生对高等数学、工程数学等课程内容学习深度不够，对工业机器人运动学和动力学理解不足。在授课期间，穿插机器人结构及运动分析内容，学生参与度不高，课堂表现不活跃。如讲解工业机器人工作空间内容时，大部分学生不明白什么是机器人超出运动范围的限制；2.2 实验课程目的性不明确通过调研及查阅文献发现，很多高校在设置工业机器人相关课程时虽考虑了配套实验课，但对实验课的目的不是很明确。以 工业机器人系统集成 课程为例，如课程配套教科书上讲的很多是国产机器人，但院校购买的上机实验课资源却是国外知名机器人厂家开发的软件，做不到机器人在线教学与离线编程统一性；又如虽开设工业机器人相关课程，但学生到大三即将毕业，也未近距离接触工业机器人，没有手动示教，实现不了理论、上机实验、手动操作实验相结合，因而学生对工业机器人的理解程度低，对其结构系统、控制系统等内容只有笼统的认识；2.3 理论课程与实训实践结合程度不深很多高校虽开设工业机器人相关课程，但没有开设相关实训实践课程。实训课程是锻炼学生学习自主性的主要手段，以 工业机器人系统集成 课程为例，学生可建立团队，查阅文献，收集资料，向教师申请购买耗材，完全手动搭建机器人平台，可用舵机代替伺服电机，成本不高，体积小，能锻炼学生协作意识及动手能力，为大四毕业设计打好基础；2.4 考核方式与课程目标脱节严重在一些工业机器人课程里，例如 工业机器人系统集成，课程内容未涉及运动学和动力学分析，课本资料也无算法讲解，但考核方式里规定期末考核需拟定数学计算题型，又如课程内容讲授工业机器人集成应用知识，但考核内容里并无要求，因此，工业机器人系统集成 课程存在考核方式与课程目标脱节严重的问题。3 课程教学改革方法及措施3.1 课堂讲授3.1.1 工具教学采用工业机器人周边模型、实物、工业机器人应用视频及 PPT 演示等方式，增强教学直观性，提高对本门课程的直接教学效果；3.1.2 互动教学采用提问、课堂讨论的方式，以工业机器人应用中常见的问题与学生交流、探讨，注意方式方法，引导并增加学生在本门课程中的兴趣与积极性，培养和锻炼学生独立思考、协作探讨、思维碰撞等方面能力，激发学生在理论与应用中对工业机器人相关知识的求知欲望，使之有兴趣在课下查阅相关资料，观看学习视频，提升学生在文献查阅总结方面的自主学习能力；3.1.3 现场教学授课教师在智能制造产线环境中，一边讲解工业机器人结构特点、驱动方式、控制系统和运动方式等理论知识，一边手动示教工业机器人，然后发布任务要求，使学生边学、边示教机器人，在操作本体过程中理解工业机器人、掌握工业机器人基本知识（实验及实训课程比较常见）；3.14 案例教学通过理论学习，结合工程实践能力，培养学生自主学习积极性，使学生掌握理论教学的基本原理，表述和解决智能制造中的实际工程问题。总第 488 期2023 年 2 月 1 日Scientific Research Education36办公自动化杂志2023 年 2 月 1 日Scientific Research Education总第 488 期3.2 实验实训教学仿真软件 RobotStudio 对机器人及外围设备进行工作站搭建、离线编程、程序调试、运动仿真，最后可将调试好的程序应用于真正的实训教学或生产实践8，如图 2 所示。本软件是全球机器人领域龙头企业 ABB 研发的一款离线仿真软件，可培养学生熟悉工业机器人，了解工业机器人结构，掌握编程方式与方法，锻炼学生离线软件编程能力。智能制造实训平台由工业机器人、传送带、车床、铣床及视觉系统组成，另外还配备立体库和自动导向车，目的是完成产品的存取、加工与装配，为机械设计、机械电子、智能制造等专业教学服务，该平台的建设，一方面满足各专业实践环节的教学需求，推动应用型高校人才培养落地生根；另一方面，该平台也是跨学科、跨专业、跨学院共用的一个实践平台。如图 3 所示，在本平台建成初期，为适应新时代要求，加快智能制造专业及课程建设，大力推进智能制造实训平台教学应用，提升教师的工程实践能力，机械工程学院教师参加平台设计工程师设定的培训，培训历时 5 天，共安排 11 个章节，21 个课时，培训内容主要有实训平台操作、机器人操作编程以及各系统模块的操作、编程、测试等，全面系统地开展智能制造实训平台培训，确保培训有成效、出成果，如图 4 所示。学生在授课教师演示教学下，要求学生站在平台安全操作位置，手持工业机器人示教盒，进行工业机器人轨迹示教。实验教学是本课程的重要实践环节，通过结合安徽信息工程学院智能制造实训平台，培养学生运用工业机器人对机械加工中复杂的工程问题进行研究。图 2 RobotStudio 仿真课程图 3 智能制造实训平台培训图 4 指导学生操作工业机器人结合院校现有资源，工业机器人实验室和智能制造实训平台，开展实践性教学环节，优化现有固定上机教学模式，设置实践性教学环节。如表 2 所示：表 2实训课程设置3.3 考核方式在安徽信息工程学院机械电子工程系设置的 工业机器人系统集成 课程中，对本门课程考核方式由以下设置，如表 3 所示。考核方法主要包括平时和期末两方面，全面考核学生课堂学习到的知识和手动实操、RobotStudio 软件能力，并能达成图 1 所要求的学生毕业时的能力。表 3考核方式设置本门课程考核中，因为是专业必修课，所以主要包括平时成绩考核与期末考试，平时考核包含课后作业、学生课堂表现和实验成绩，而期末考试主要考核工业机器人集成应用相关知识及工作站设计。在图 5 所示 2021-2022 年学期学生成绩中可看出，学生的成绩基本上满足正态分布，并且成绩基本中等偏上，良好以上占比超过 50%，成绩数据显示本文提出“课程讲授+产线实践”结合培养模式，探37办公自动化杂志渊上接第 58 页冤总第 488 期2023 年 2 月 1 日Scientific Research Education索 工业机器人系统集成课程在机械电子工程专业中的教学效果，有效提高学生对本课程的积极性与听课率，并且提升学生在理论与实践结合下的工程实践能力。图 5 学生成绩分布图4 小结通过上述分析，工业机器人系统集成课程以培养学生综合能力为目标，课程设置和教学内容面向企业需求，通过职业素质教育提升学生的竞争力，完善的工程实践、社会实践教育能培养学生立德树人品质，分类、分流的个性化培养，适时实现完全学分制，通过理论课程与实验实践相结合，培养学生在社会实践中解决复杂问题的综合能力和高级思维。学生可以掌握必要的关于研究问题的理论方法与技能，并能灵活运用，从而产出具有实效的研究成果。课程突出实践性、可操作性，将社会实践与专业教育相结合。针对课程目标，开展实践性课程设计改革，在实训课程中增加项目化教学、挑战项目等模块，既强调实践性方法的重要性，更重要的是以生为本，尤其注重学生参与社会实践，提高其解决具体问题能力和对思维能力的培养。在教学中注重考核学生综合能力的提升，强调过程性评估，培养学生思维能力与实践能力，提高学生步入社会的竞争力。参考文献1“十四五”机器人产业发展规划 发布J.液压与气动，2022，46（01）：142.2 林泓延，姚 屏，王晓军，焦晓晓，宾 坤.基于混合式教学的工业机器人课程教学实践研究J.广东技术师范大学学报，2021，42（06）：78-82+109.3 赵雪峰.工业机器人 课程教学培养环节的改革与探索J.贵州农机化，2021（02）：57-59+64.4 窦以红.工业机器人技术与应用课程的教学探索与研究J.职业，2021（06）：60-61.5 陈永刚，赖妙金.智能制造背景下工业机器人课程教学研究J.职业技术，2021，20（03）：7-11.6 杜边境，刘 勇，李富强.应用型本科工业机器人课程教学的创新J.西部素质教育，2019，5（21）：199-200.7 李庆梅，何玉安.应用型本科高校基于“学分认可型双证融通”的工业机器人课程体系改革J.上海第二工业大学学报，2020，37（02）：149-154.8 孙守勇.RobotStudio 在高职工业机器人专业教学中的应用J.科技风，2019（29）：69+80.作者简介王月朋（1992-），男，安徽安庆市人，安徽信息工程学院、助教，研究方向：人机交互与机器人控制。11 Marcu，Daniel.The Rhetorical Parsing，Summarization，andGeneration of Natural Language TextsD.PhD.Thesis of Uni-versity of Toronto，1998.12 Maeda，T.An Approach toward Functional Text Structure Anal-ysis of Scientific and Technical DocumentsJ.Information Pro-cessing&Management，1981，17（6）：329-339.13 Schank，R.&Abelson，R.Scripts，Plans，Goals and Under-standingM.NJ：Lawrence Erlbaum Associates，1977，77.14 DeJong，G.F.An Overview of the FRUMP systemA.In Lehne-rt，W.G.&Ringle，M.H.（eds.），Strategies form Natural Lan-guage ProcessC.Hillsdale NJ：Lawrence Erlbaum，1982，149-172.15 Rau，L.，Brandow，R.&Mitze，K.Domain-Independent Su-mmarization ofNewsA.In Niggemeyer，Hobbs&Sparck（eds.），Reprint of Summarizing Text for Intelligent Communication，Da-gstuhl Seminar Report C.Germany：Schloss Dagstuhl,1993：13-17.16 李小滨，徐 越.自动文摘系统 EAASJ.软件学报，1991（4）：12-18.17 张明尧.基于事件链的语篇连贯研究D.武汉大学博士学位论文，2013.18 刘茂福，胡慧君.基于认知与计算的事件语义学研究M.北京：科学出版社，2013.19 Hovy，Eduard&Lin，Chin-Yew.Automated Text Summariza-tion in SUMMARISTA.In I.Mani，M&Maybury（eds.），Ad-vances in Automatic Text SummarizationC.1999，81-98.20 王 萌，何婷婷，姬东鸿，王晓荣.基于 HowNet 概念获取的中文自动文摘系统J.中文信息学报，2005（3）：87-93.21 中国中文信息协会.中文信息处理发展报告EB/OL.2016-12-24.http：/120.221.34.86：6510/cips-