机器人工程实践教学平台的建设.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 4 期 2023 年 8 月Vol.26 No.4 Aug.2023仪器、设备、技术 机器人工程实践教学平台的建设陈新禹,张庆新,王琳霖,任 艳(沈阳航空航天大学 人工智能学院,辽宁 沈阳 110136)摘 要:新工科背景下的机器人工程专业具有以需求引导、注重实践的特点。为适应社会发展的需要,从培养学生的创新意识、工程能力和社会实践能力角度出发,深入研究机器人工程专业实践教学平台的建设方案以及实践教学的开发,提出机器人工程专业实践教学建设体系与改革办法,以完善专业创新与实践教学的协同发展。通过教学结果表明:该实践教学平台达到了拓展学生机器人技术综合素养和强化实践创新能力的建设目标。关键词:机器人工程;实践平台;工业机器人;教学体系中图分类号:TP242.2;G434 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.04.041Construction of robot engineering practice teaching platformCHEN Xinyu,ZHANG Qingxin,WANG Linlin,REN Yan(School of Artificial Intelligence,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)Abstract:Under the new engineering background,robot engineering specialty is characterized by de-mand-oriented and practice-oriented.In order to adapt to the needs of social development,cultivate students innovation consciousness and the ability of engineering and social practice,the construction and development of practical teaching platform are deeply studied,then the construction and reform method of practical teaching of robot engineering are proposed,finally the collaborative development of professional innovation and practice teaching are improved.The teaching result shows that the practical teaching platform achieves the construction goal of expanding students comprehensive quality of robot technology and strengthening practical innovation ability.Key words:robotics engineering;practice platform;industrial robot;teaching system 收稿日期:2022-04-27 修改日期:2022-05-15作者简介:陈新禹,博士,副教授,主要研究方向为视觉测量、机器人控制、智能焊接等。E-mail:chensavvy 基金项目:2020 年第一批教育部产学合作协同育人项目(项目编号:202002009009);沈阳航空航天大学 2021 年教学改革研究项目(项目编号:JG2020014)。为应对新一轮科技革命与产业变革,从服务国家战略、满足产业需求和面向未来发展的高度,2017年在“卓越工程师教育培养计划”的基础上,教育部提出“新工科”建设计划。机器人产业作为“中国制造 2025”的重点发展产业1,相应的人才教育也应跟上我国高等工程教育改革发展的步伐。因此,在高等教育中渗透机器人学科知识与机器人技术应用方面的教育,培养学生的创新精神和综合工程实践能力,及时为社会输送可用之才,对提升我国现代化科技水平具有重要意义2-3。由于新工科建设的计划以及当前信息时代对机器人领域人才的强烈需求,此外国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020)明确提出教学方法上不能单纯靠灌输,要积极探索新的课堂教学模式,努力改进教学方法,这对于培养高级工程科技人才,进而补充领域人才缺口,促进行业良性发展具有重要的意义4-5。因此,在新工科建设的大背景下,建设机器人综合实践教学平台既可促进沈阳航空航天大学机器人工程专业的良性发展,同时对其他专业的建设也具有一定借鉴意义6。1 机器人综合实践教学 平台建设方案及定位该机器人综合实践教学平台是在前期科研成果基础上,将教学与科研进行深度整合,同时结合本专业自身的培养特色所建立的,旨在形成一个综合性的多功能机器人实验平台。为了更好地促进本专业教学发展和适应社会对高素质应用型技术人才的需求,其建设过程秉承如下原则。1.1 机器人综合实践教学平台可提升学生的动手能力、增强实践技能机器人综合实践教学平台需提供丰富的实操功能,且各功能的开发都以高端制造业的实际需求为引导7。同时在综合性、先进性的实验内容牵引下,加深学生对机器人工程的深刻理解,尤其是对机器人在先进制造业的高端应用将具有更加深刻的认知。1.2 机器人综合实践教学平台具有可扩展性,可激发学生的创新意识机器人综合实践教学平台应具有良好的可扩展性,学生能够根据实验任务要求进行适当的修改,将个人的创新性想法融入到实验过程中,引领学生综合运用所学知识、技能和方法,开拓创新思维、提升创新能力8。1.3 机器人综合实践教学平台可加强与理论课程的融合度机器人综合实践教学平台的建设除了要紧密贴合实际工程案例外,同时要保证与相关理论课程教学内容的一致性。该平台在设计时主要对“机器人技术基础”、“机器视觉”、“模式识别”、“机器人系统设计”等核心课程的实验及其相应的课程设计进行高度融合,以期将相对枯燥的理论知识在直观、可操作的平台上进行理解验证。图 1 所示为主要支撑的教学内容。1.4 机器人综合实践教学平台可 增强学生的工程意识围绕沈阳航空航天大学工程应用型人才的目标定位,基于该平台培养学生用系统思维描述和解决工程问题的能力,同时提升学生的环境、安全、法律等方面的工程意识9-10。图 1 机器人综合实践教学平台主要支持课程总之,依托该机器人实践教学平台可以为机器人工程专业的课内实验环节、专业单列实验、院系相关专业的课程设计、本科毕设等教学内容以及大学生科技创新创业活动和竞赛提供强有力的支撑11-12。该平台具体功能定位如下:(1)研究与验证机器人建模和控制的科学与技术问题;(2)研究与验证机器人环境感知的理论和技术实现;(3)支持大学生创新创业和通识教育;(4)支撑相关专业学生的科技竞赛活动;(5)为进一步科学研究和校企合作提供服务。2 机器人综合实践教学平台的建设硬件机器人实践教学平台初步建设于 2020 年 12月,2021 年 7 月针对教学内容和支撑课程进行改造升级。实物如图 2 所示,目前本平台拥有 2 台IRB120 型号 ABB 机器人(匹配 IRC5C 紧凑型控制柜)、1 台康耐视 In-Sight 8200M-363-40 智能相机、1 台大恒 MER2-202-60GM 相机、2 台激光视觉传感器、一个比例缩小流水线工作站,配套 MES 管理软件。其中,工业相机和智能相机主要用于开发与测试目标识别与检测算法;激光视觉传感器可用于机器人三维扫描、机器人动态引导等项目功能的展示与开发。661 陈新禹,等:机器人工程实践教学平台的建设图 2 机器人实践平台实物图 该实验平台的建设主要为学生呈现当前新业态、新模式下制造业中机器人应用的主要形式,展现更加真实的工程背景,为机器人技术知识的摄取和实操练习提供针对性的学习和验证平台。3 机器人综合实践教学平台支撑的教学内容为了适应新工科背景下机器人工程专业人才的培养目标13,在专业成立之初便提出要建设综合性强、灵活性好的实践教学平台。经过近一年的建设与后期改造,现已完成机器人实践教学平台的建设工作并已投入教学使用。目前该实践平台已具备为多门相关课程提供教学支撑的能力。(1)机器人工程基础技能实训课程基于该实验平台,学生可以学习机器人的基本 结构、各坐标系含义、示教器操作与编程,并在现场观看智能机器人流水线的工作流程,培养学生的工程化素养。(2)机器人技术基础课程借助该实验平台,学生可以更直观地掌握多自由度串联机器人位姿方程、正运动学、逆运动学的本质,并通过实验验证相关算法。理解机器人轨迹规划和插补的意义,通过实验对比不同轨迹插补算法的区别。最终提高学生对机器人技术基础的理解深度。(3)机器视觉课程借助平台上的工业相机、智能相机、激光视觉传感器可以完成机器视觉中的图像预处理、目标检测、相机标定、结构光三维测量等基础实验,通过实验调试掌握各算法的机理和实现方法。(4)机器人技术综合实验基于实验平台的功能接口,学生可以通过上位机编程或者 PLC 编程等实验,完成任务目标。例如,通过将视觉单元与机器人相结合,开发目标检测算法程序和机器人运动程序,完成机器人目标抓取或动态引导等综合性实验。在实验过程中,加强学生对理论知识的理解,并鼓励提出创新性问题。(5)机器人系统设计课程在实验平台基础上,重点以智能焊接、在线分拣、物料抓取与码垛等项目需求设立课设题目。学生围绕课设题目开展探究式研究与设计,让学生既能够了解当前机器人技术的主要应用领域和热点问题,又能建立深刻的工程观念,培养学生的科研创新理念。通过对上述课程中实践环节的教学建设,该实验平台实现了以“模块化基础功能实操、项目需求为导引的综合训练以及开放创新式的系统设计”这三个层次的教学内容,构建了如图 3 所示的“基础训练、综合集成、创新突破”的层次化创新实践教学体系。在这一教学体系中,学生递进式地加深对机器人技术的理解和掌握,最终达到学以致用的效果。4 机器人综合实践教学平台未来规划近年来机器人产业迎来了迅猛发展,机器人技761术也得到了飞速的进步,高校的教学课程、教学内容、教学平台也都应该同步提升,以培养出适应社会需求的高水平应用型技术人才。因此,制订了如下未来建设规划。图 3 机器人实践教学平台教学体系4.1 以科研促教学,将相关科研成果融入实验教学平台,提高人才培养质量科研是促进教师专业化发展的有效途径,也是学校持久发展的不竭动力。教师如何将最新的科学前沿动态和信息反馈给学生,并将自己的科研课题引入到教学内容中去,鼓励学生在专业课学习的基础上开发创新想法,强化实践能力,为单一教学型课程向科研、生产实践一体化的“创新”型人才培养课程的顺利转变打下良好的基础。4.2 建立校企实践基地,构建产学合作、产教融合的育人模式由于沈阳航空航天大学机器人工程专业处于建设初期,虽然学校已经为实验室建设投入了大量的资金,但当前仍面临着实践教学平台不足,实验仪器较少的情况。因此,建设数量更多、技术领先、方向准确的校外实习实践基地对于本专业的发展尤为重要,尤其是技术性强的优质企业更能培养学生热衷技术、加深对企业岗位理解的良好素养。4.3 以机器人前沿应用需求为导向,丰富课堂教学内容课程教学内容不应局限于理论知识层面,在教学过程中要结合工程项目背景,在工程需求中开展理论知识讲解与讨论,否则教学过程过于单调枯燥,学生的兴趣不高,也就导致学习效果不佳的问题。以机器人前沿应用需求为导向,将应用需求、教学内容和信息化手段融合起来,有效地提高学生的兴趣,为专业学生提供更加贴近企业需求的实验教学环境,设计更加真实的应用性实验环节。5 结语本文对沈阳航空航天大学机器人工程专业的机器人实践教学平台的进行了详细介绍,包括平台建设原则与定位、平台硬件、平台支撑教学内容与教学体系、平台未来建设规划等方面内容,希望对高校的实践教学平台建设提供一些借鉴。通过教学效果反馈,机器人实践教学平台的建设能够提高学校本科人才培养的效果,同时一定程度上也能推进科研工作的进展,达到教学与科研相互促进的良性循环。该实践教学平台硬件设施完善,教学内容先进,为培养能够解决复杂工程问题的高素质应用型人才奠定了基础。参考文献(References):1 吴晓蓓.中国制造 2025与自动化专业人才培养J.中国大学教育,2015(8):9-11.2 田金磊,牛志强,陈军.新工科背景下南开大学应用化学专业建设J.化学教育(中英文),2021,42(18):61-65.3 郑明辉.机器人技术课程实验教学探索与实践J.汽车教育,2020(23):218-220.4 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