工業(yè)機器人教學(xué)之機電方向

陳慶軍

摘 要： 本文根據(jù)工業(yè)機器人教學(xué)的特點，分析了傳統(tǒng)工業(yè)機器人教學(xué)的現(xiàn)狀， 從基本課程內(nèi)容和教學(xué)方法入手，提出理論結(jié)合實際的教學(xué)方法。并以取貨機器人為例，詳細(xì)論述的機電方向的工業(yè)機器人教學(xué)方案，采用教學(xué)任務(wù)逐步分解的方法，提高學(xué)生的主觀能動性，訓(xùn)練學(xué)生的實際技能。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；教學(xué)；機電；控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.021

1 引言

目前，工業(yè)機器人正在全世界迅猛發(fā)展，中國的工業(yè)機器人市場也是一片欣欣向榮的景象。要實現(xiàn)“機器人替代人”除了需要先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和制造工業(yè)技術(shù)之外，還需要一大批掌握工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)的專業(yè)性技術(shù)人才。與工業(yè)機器人結(jié)合最為緊密的專業(yè)，毫無疑問就是機電專業(yè)，工業(yè)機器人技術(shù)囊括了機械設(shè)計、機械制造和電子控制等幾大專業(yè)。所以對于工業(yè)機器人教學(xué)，我們要把握準(zhǔn)方向，要以機電方向為主，配合其他相關(guān)專業(yè)，真正的做到理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)出合格的工業(yè)機器人應(yīng)用型人才。

2 工業(yè)機器人教學(xué)的基礎(chǔ)課程

機器人學(xué)是一門綜合了機械學(xué)、控制理論、電子學(xué)和力學(xué)的交叉性前沿學(xué)科。要想真正掌握工業(yè)機器人的應(yīng)用技術(shù)，必須貯備一定理論的知識，否則僅僅是一名工業(yè)機器人操作工，而無法進(jìn)一步的提升自我。工業(yè)機器人機電方向的基礎(chǔ)核心課主要有機械工程制圖、機械設(shè)計、機械原理、電子信息技術(shù)、機械控制理論、材料力學(xué)、理論力學(xué)和有限元分析等。機械工程制圖是一切機械設(shè)計制造的基礎(chǔ)，能繪制和看懂機械工程圖是一個合格工業(yè)機器人應(yīng)用工程師的基本能力。作為工業(yè)而機器人的使用者，不能僅僅關(guān)注機器的操作和使用，應(yīng)當(dāng)去探尋其實現(xiàn)的原理和方法。機械設(shè)計和機械原理很好為我們提供了這方面的途徑。

3 工業(yè)機器人教學(xué)方法

工業(yè)機器人課程是兼具理論性和實踐性的課程，對學(xué)生的要求不僅僅局限于對工業(yè)機器人本體機構(gòu)和編程控制的了解，還起到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性的作用。目前，各大本科及專科院校，對工業(yè)機器人的教學(xué)主要存在以下幾點缺陷：

（1）課程進(jìn)度快，內(nèi)容抽象，學(xué)生理解困難。當(dāng)前教學(xué)多運用多媒體教學(xué)，用幻燈片替代了以前板書，缺乏對機械理論的分析和公式的推導(dǎo)過程。雖然提高了教師的授課效率，但增加了學(xué)生理解的難度和較少了學(xué)生的思考時間。

（2）缺乏教學(xué)重點，知識點零星分散，學(xué)生難以從總體感知上有一個主觀認(rèn)識。首先，工業(yè)機器人教學(xué)既需要學(xué)習(xí)機器人的總體結(jié)構(gòu)，還需要學(xué)習(xí)運動學(xué)、傳動與驅(qū)動等，容易使學(xué)生產(chǎn)生迷惑，難以抓住重點。其次，工業(yè)機器人課程涉及到坐標(biāo)方程變換、運動學(xué)方程及其推導(dǎo)、有限元的剛度矩陣計算和力雅克比與靜力計算等，這一部分公式復(fù)雜、推導(dǎo)繁瑣，是學(xué)生最缺乏耐心和興趣的部分，但恰恰是這部分，才是這門課程的核心。

（3）教師主要是以理論講解為主，缺少學(xué)生實際動手能力的鍛煉。一方面，工業(yè)機器人設(shè)備昂貴，一般普通院校無力承擔(dān)此費用；另一方面，即使開設(shè)實驗課程也難以全方位覆蓋全體學(xué)生，更不用說讓學(xué)生獨立完成工業(yè)機器人的設(shè)計任務(wù)。

針對工業(yè)機器人教學(xué)中所出現(xiàn)的問題，提出以下幾點：1）明確工業(yè)機器人教學(xué)的核心任務(wù)。為了避免由于學(xué)科交叉對學(xué)生產(chǎn)生的困惑，可以以某一類型的工業(yè)機器人為參照，著重分析講解，此類工業(yè)機器人的機械本體結(jié)構(gòu)、運動方式、驅(qū)動原理、邏輯控制原理和末端軌跡規(guī)劃等。通過此類工業(yè)機器人，使學(xué)生對機器人有一個全面的認(rèn)識，關(guān)聯(lián)所學(xué)的力學(xué)、電學(xué)等其他相關(guān)專業(yè)的知識，激發(fā)學(xué)生對工業(yè)機器人的興趣。2）多媒體課件的內(nèi)容僅僅是書本內(nèi)容的提煉而已，難以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。教師應(yīng)當(dāng)利用虛擬仿真技術(shù)和三維設(shè)計軟件等工具，更加直觀的表現(xiàn)工業(yè)機器人。比如，利用PROE、SOLIDWORKS和UG等三維設(shè)計軟件繪制出某類型工業(yè)機器人的裝配圖和主要零部件圖，使學(xué)生更加直觀的認(rèn)識機器人機構(gòu)；利用前面建立的三維模型，運用ADAMS軟件，對工業(yè)機器人的運動進(jìn)行運動學(xué)分析。虛擬運動仿真與控制動畫演示，讓學(xué)生了解工業(yè)機器人真實的運動方式。3）由于經(jīng)費和其他原因，工業(yè)機器人教學(xué)往往理論傳授多于實驗?zāi)M。各大中專院校，應(yīng)積極尋求與企業(yè)合作機會，以企業(yè)需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)適合企業(yè)要求的應(yīng)用型工業(yè)機器人人才。

4 工業(yè)機器人教學(xué)案列

如圖1所示，取貨機器人由四自由度組成，分別為行走自由度（Y方向）、臂伸縮自由度（X方向）、臂升降自由度（X方向）、臂回轉(zhuǎn)自由度和爪張開自由度。將取貨機器人分為五個子課題，分別選取不同專業(yè)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計，如表2所示。

通過將取貨機器人結(jié)構(gòu)的分解，將復(fù)雜問題簡單化，待五組課題全部完成后，各小組之間相互學(xué)習(xí)，了解取貨機器人的整體工作流程。 在老師的指導(dǎo)下，完成最后的總裝配工程，用ADAMS軟件，對工業(yè)機器人的運動進(jìn)行運動學(xué)分析，虛擬運動仿真與控制動畫演示，達(dá)到虛擬仿真的目的。此外，取貨機器人在各大汽車廠使用較為普遍，通過校企聯(lián)合的方式，組織學(xué)生實地考察，進(jìn)一不了解取貨機器人的工作環(huán)境和使用方法，做到理論聯(lián)系實際。通過設(shè)計加考察的途徑，加深學(xué)生對取貨機器人的理解，使其不僅僅是工業(yè)機器人的“操作工”，更是工業(yè)機器人的應(yīng)用專家。

5 結(jié)論

本文首先介紹工業(yè)機器人教學(xué)所需要的理論課程，其次分析傳統(tǒng)工業(yè)機器人教學(xué)中存在的問題并創(chuàng)新性的提出交互式的教學(xué)方法，最后以取貨工業(yè)機器人為案例進(jìn)行分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]李華強.基于虛擬樣機技術(shù)在《工業(yè)機器人》課程教學(xué)實踐[J]. 教學(xué)實戰(zhàn)，2015（21）：98-102.