高校機械電子工程專業(yè)機器人實踐教學(xué)平臺建設(shè)研究

岳龍旺++邢曉柳

摘 要：“中國制造2025”是實施制造強國戰(zhàn)略的重要措施，工科院校機械電子工程專業(yè)是培養(yǎng)“中國制造2025”所需的新型制造業(yè)人才的主體。該文針對新型制造業(yè)人才的能力需求，進行了高校機械電子工程專業(yè)機器人教學(xué)平臺建設(shè)的研究。以培養(yǎng)新型制造業(yè)人才為目標，以4類能力需求為導(dǎo)向，基于專業(yè)課程體系群，構(gòu)建基于通用機器人的高校機械電子工程專業(yè)機器人實踐教學(xué)平臺，建立分層次的實驗體系。該研究對于培養(yǎng)新型制造業(yè)人才，助力“中國制造2025”有重要意義。

關(guān)鍵詞：中國制造2025 機械電子工程專業(yè) 機器人實踐教學(xué)平臺 能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（c）-0160-04

實踐教學(xué)是高校機械電子工程專業(yè)不可或缺的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，其在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐動手能力方面具有重要意義。機器人教學(xué)平臺是高校開展實踐教學(xué)，培養(yǎng)及提高學(xué)生創(chuàng)新能力的最佳平臺。當(dāng)前，我國正處于“中國制造2025”戰(zhàn)略發(fā)展時期，高校機械電子工程專業(yè)作為制造業(yè)人才培養(yǎng)的主體機構(gòu)，積極開展機器人實踐教學(xué)平臺建設(shè)，正是響應(yīng)國家智能制造戰(zhàn)略“以人為本”的基本方針，充分把握智能制造業(yè)人才培養(yǎng)市場機會，順應(yīng)高校實踐教學(xué)發(fā)展趨勢，提高學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力，適應(yīng)智能制造發(fā)展對高素質(zhì)機械電子工程人才需求的重要工作。

1 高校機械電子工程專業(yè)機器人實踐教學(xué)平臺建設(shè)的必要性

1.1 高校助力“中國制造2025”的重要措施

2015年5月8日國務(wù)院公布的為強化高端制造業(yè)的國家戰(zhàn)略《中國制造2025》明確提出“以人為本”的基本方針，強調(diào)“堅持把人才作為建設(shè)制造強國的根本”，“加快培養(yǎng)制造業(yè)發(fā)展急需的專業(yè)技術(shù)人才”，“以高層次、急需緊缺專業(yè)技術(shù)人才和創(chuàng)新型人才為重點，實施專業(yè)技術(shù)人才知識更新工程和先進制造卓越工程師培養(yǎng)計劃，在高等學(xué)校建設(shè)一批工程創(chuàng)新訓(xùn)練中心，打造高素質(zhì)專業(yè)技術(shù)人才隊伍”[1]。高校機械電子工程專業(yè)是培養(yǎng)制造業(yè)人才的主體。機器人教學(xué)平臺是高校進行工程訓(xùn)練，開展實踐教學(xué)，培養(yǎng)提高學(xué)生創(chuàng)新能力的最佳平臺[2]。因此，高校機械電子工程專業(yè)應(yīng)依托機器人實踐教學(xué)平臺，加強新型制造業(yè)人才培養(yǎng)力度，提高制造業(yè)人才整體素質(zhì)，以響應(yīng)制造業(yè)強國戰(zhàn)略、助力“中國制造2025”。

1.2 把握智能制造人才培養(yǎng)市場機會的客觀要求

高校人才培養(yǎng)要關(guān)注新問題，迎接新挑戰(zhàn)[3]。當(dāng)前，我國正處于傳統(tǒng)制造向智能制造的升級轉(zhuǎn)變階段，智能制造也是“中國制造2025”戰(zhàn)略發(fā)展的主攻方向。要實施“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略，達到中國制造強國的發(fā)展目標，必然需要大量具有以機器人和數(shù)控機床為代表的自動化、智能化裝備專業(yè)背景知識、具備創(chuàng)新設(shè)計能力和自動化、智能化產(chǎn)品研發(fā)和制造能力的高素質(zhì)制造業(yè)人才[4]。然而，目前我國制造業(yè)人才中高級技工人數(shù)僅占5%，遠低于歐美制造業(yè)強國35%～40%的平均水平，而且具有大學(xué)本科學(xué)歷的制造業(yè)工人的數(shù)量也甚少[5]。實踐教學(xué)是高校人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，而機器人平臺是開展工程實踐訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力的最佳平臺[2]。因此，高校應(yīng)把握新形勢下的人才需求市場機會，積極建設(shè)機器人實踐教學(xué)平臺，提升高校機械電子工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，增強學(xué)生綜合能力，適應(yīng)智能制造發(fā)展對高素質(zhì)制造人才的需要。

1.3 機械電子工程專業(yè)人才培養(yǎng)中實踐教學(xué)的發(fā)展趨勢

機器人是典型的機電一體化系統(tǒng)，它融合了機械、電子、單片機軟硬件、傳感器、通訊和自動控制技術(shù)等眾多先進技術(shù)，涉及單片機、C/C++語言、傳感器、機械設(shè)計、自動控制技術(shù)、無線通訊等專業(yè)課程知識內(nèi)容，被稱為“當(dāng)代最高意義上的自動化”。機器人實踐教學(xué)一直是個熱點，其在培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力方面具有重要作用。早在1970年，麻省理工學(xué)院（MIT）機械電子工程系的H.H.Richardson教授就采用了《設(shè)計課程導(dǎo)論》課程，并將其改造成一項設(shè)計競賽，成功開創(chuàng)了“工程導(dǎo)向式”培養(yǎng)模式的先河，目前它已經(jīng)成為全世界眾多遙控機器競賽和機器人比賽的典范[6]。此外，美國、日本、德國、法國和韓國的高校都開設(shè)了機器人課程。其中，美國高校不僅開設(shè)了諸如《機器人學(xué)》《機器人學(xué)導(dǎo)論》這樣的機器人相關(guān)理論課程，它們還將機器人作為課程的學(xué)習(xí)平臺以提高學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。近年來在國內(nèi)，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)等傳統(tǒng)工科優(yōu)勢高校也相繼以教學(xué)機器人或者改造過的工業(yè)機器人為載體，開展了工程實踐課程或者相關(guān)活動，并取得了一些成效。依托機器人平臺，已成為高校實踐教學(xué)發(fā)展的大趨勢，高校要順應(yīng)這一趨勢，大力開展機器人實踐教學(xué)平臺建設(shè)，提高高校教學(xué)質(zhì)量。

1.4 有限實驗條件下的有效人才培養(yǎng)措施

實踐教學(xué)活動是工科院校人才培養(yǎng)的重要組成部分，但是很多院校由于實驗經(jīng)費投入不足、實驗人員數(shù)量不足、實踐教學(xué)活動時間少等原因，導(dǎo)致學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量下降。選擇通用的實踐教學(xué)平臺、構(gòu)建合理的課程體系是實現(xiàn)“有限實驗條件下的有效人才培養(yǎng)”的重要措施。具有高度綜合和學(xué)科交叉性質(zhì)的機器人實踐教學(xué)平臺，同時具備機械、電子、自動化、計算機等學(xué)科的實踐教學(xué)功能。構(gòu)建高校機械專業(yè)機器人實踐教學(xué)平臺是解決工科院校在有限實驗條件下，進行人才培養(yǎng)的有效措施。

2 機械電子工程專業(yè)機器人實踐教學(xué)平臺建設(shè)的目標和基本思路

2.1 建設(shè)目標

機械電子工程專業(yè)機器人實踐教學(xué)平臺旨在以機械臂教學(xué)平臺、各種傳感器模塊、開放式控制器平臺、輪式移動機器人教學(xué)平臺、機電一體化綜合應(yīng)用等幾大機器人教學(xué)平臺為載體，通過分年級、分層次的模塊化能力培養(yǎng)模式，實現(xiàn)專業(yè)課程體系的理論知識和機器人實踐教學(xué)平臺的有效銜接，從而達到機械電子工程專業(yè)的培養(yǎng)目標，即：培養(yǎng)掌握基本數(shù)學(xué)和自然科學(xué)知識；具備堅實的機械學(xué)科的基本理論和機械電子工程專業(yè)知識；具有從事機械電子工程行業(yè)所需的數(shù)值計算與分析能力、機構(gòu)設(shè)計與分析能力、控制系統(tǒng)設(shè)計與分析能力、工程實踐綜合運用能力；勝任機械電子工程領(lǐng)域的研究開發(fā)、設(shè)計制造、技術(shù)經(jīng)濟管理等崗位的智能型制造人才。

2.2 基本思路

結(jié)合智能制造人才的內(nèi)涵，依據(jù)解決工程問題的能力需求，我們認為智能制造時代機械電子工程專業(yè)大學(xué)生應(yīng)具備4類基本能力，即數(shù)值計算與分析能力、機構(gòu)設(shè)計與分析能力、控制系統(tǒng)設(shè)計與分析能力、工程實踐綜合運用能力。對應(yīng)這4個能力模塊，將機械電子工程專業(yè)機器人實踐教學(xué)劃分為4個層次，即：關(guān)注數(shù)值計算與分析能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)實驗、關(guān)注機械設(shè)計與分析能力培養(yǎng)的拓展實驗、關(guān)注控制系統(tǒng)設(shè)計與分析能力培養(yǎng)的提高實驗、關(guān)注工程實踐綜合運用能力培養(yǎng)的綜合實驗。基本建設(shè)思路如圖1所示。

2.2.1 基礎(chǔ)實驗

基礎(chǔ)實驗的適用對象為大一學(xué)生，旨在幫助大一學(xué)生了解和掌握工科專業(yè)基礎(chǔ)知識，強化數(shù)值計算與分析能力的培養(yǎng)。實驗內(nèi)容涉及的課程主要包括《Matlab程序設(shè)計與應(yīng)用》《工程數(shù)學(xué)》《工程力學(xué)》。實驗項目包括：（1）基于“機械臂教學(xué)平臺”和“輪式移動機器人教學(xué)平臺”，運用《工程數(shù)學(xué)》的基本數(shù)學(xué)理論知識，結(jié)合Matlab的Robot工具箱進行機器人運動學(xué)分析，使學(xué)生深入理解數(shù)學(xué)的基本概念和基本方法，掌握微積分運算、矩陣運算、線性方程組運算的方法，培養(yǎng)學(xué)生使用數(shù)學(xué)工具、建立數(shù)學(xué)模型解決實際問題的意識與能力，并培養(yǎng)大學(xué)生運用數(shù)學(xué)知識解決工程實踐的能力。（2）以《工程力學(xué)》基本理論為基礎(chǔ)，以“機械臂教學(xué)平臺”和“輪式移動機器人教學(xué)平臺”的傳動軸設(shè)計為研究對象，利用Matlab進行建模、仿真，根據(jù)運算結(jié)果輸出傳動軸的彎矩圖、扭矩圖及合成彎矩圖，對機器人傳動軸進行校核與優(yōu)化設(shè)計。（3）以機器人教學(xué)平臺為基礎(chǔ)，在《工程數(shù)學(xué)》《工程力學(xué)》等課程的學(xué)習(xí)過程中，借助Matlab軟件強大的計算、仿真和繪圖功能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考問題的能力，在奠定工程理論基礎(chǔ)的同時達到培養(yǎng)學(xué)生數(shù)值計算與分析能力的目的。

2.2.2 拓展實驗

拓展實驗的適用對象為大二學(xué)生，旨在幫助大二學(xué)生了解和掌握機械電子工程專業(yè)的相關(guān)知識，強化機構(gòu)設(shè)計與分析能力的培養(yǎng)。實驗內(nèi)容涉及的機械專業(yè)基礎(chǔ)課程有《金屬工藝學(xué)》《工程制圖》《機械原理》《機械設(shè)計》《互換性與測量技術(shù)》《基于SolidWorks的機械CAD/CAE》等。其中，學(xué)生通過《基于SolidWorks的機械CAD/CAE》課程的學(xué)習(xí)，要能使用SolidWorks軟件進行機構(gòu)設(shè)計與分析。因為，SolidWorks軟件以其強大的工程圖設(shè)計、零件建模、裝配體建模、鈑金設(shè)計、模具設(shè)計、機構(gòu)運動仿真、機構(gòu)力學(xué)分析、機構(gòu)優(yōu)化、計算液體力學(xué)分析、虛擬樣機等功能，目前在航空航天、機車、食品、機械、國防、交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在國外，包括麻省理工學(xué)院（MIT）、斯坦福大學(xué)等在內(nèi)的著名大學(xué)都已經(jīng)把SolidWorks列為制造專業(yè)的必修課。在國內(nèi)，清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、武漢理工大學(xué)等一批具有機械電子工程優(yōu)勢專業(yè)的高校也都在應(yīng)用SolidWorks開展實踐教學(xué)。實驗項目包括：基于“機械臂教學(xué)平臺”和“輪式移動機器人教學(xué)平臺”，利用SolidWorks軟件進行機器人關(guān)鍵零部件的3D設(shè)計、機構(gòu)運動學(xué)仿真、機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在具備一定的設(shè)計基礎(chǔ)后進行新型機器人運動機構(gòu)的設(shè)計與開發(fā)，最終達到機構(gòu)設(shè)計與分析能力培養(yǎng)的目的。

2.2.3 提高實驗

提高實驗的適用對象為大三學(xué)生，旨在幫助大三學(xué)生了解和掌握電氣與控制相關(guān)專業(yè)知識，強化控制系統(tǒng)設(shè)計與分析能力培養(yǎng)。提高實驗涉及的課程為電氣與控制專業(yè)課程，不同課程實現(xiàn)不同能力與技能的培養(yǎng)。如通過學(xué)習(xí)《電路基礎(chǔ)》《電工電子》課程，要求學(xué)生掌握基本的電路設(shè)計方法；通過學(xué)習(xí)《C/C++語言程序設(shè)計》《單片機應(yīng)用技術(shù)》《微機原理與接口技術(shù)》課程，要求學(xué)生掌握控制系統(tǒng)設(shè)計的方法；通過學(xué)習(xí)《機械工程控制基礎(chǔ)》《傳感器與測試技術(shù)》《機械故障診斷》《Labview虛擬儀器技術(shù)》課程，要求學(xué)生掌握基本的控制理論；通過學(xué)習(xí)《PLC原理與應(yīng)用》《液壓與氣壓傳動技術(shù)》《機電傳動控制》課程，要求學(xué)生掌握常用執(zhí)行機構(gòu)的工作原理及應(yīng)用方法。該實驗?zāi)K的內(nèi)容包括：（1）基于“開放式控制器平臺”，利用單片機、工控機、PC機、PLC等控制器實現(xiàn)電機、液壓缸、液壓馬達、氣壓缸等常用執(zhí)行器的運動控制，掌握開放式運動控制器的應(yīng)用與開發(fā)方法；（2）基于“各種傳感器模塊”平臺，利用Labview軟件，掌握各類傳感器的使用及信號采集與處理方法；（3）基于“開放式控制器平臺”“各類傳感器模塊”“機械臂教學(xué)平臺”和“輪式移動機器人教學(xué)平臺”，根據(jù)控制理論，通過設(shè)計C/C++控制程序，實現(xiàn)機器人的運動控制，并通過Matlab的Simulation工具箱對控制系統(tǒng)進行分析。

2.2.4 綜合實驗

綜合實驗的適用對象為大四學(xué)生，旨在幫助大四學(xué)生了解和掌握機械電子工程的專業(yè)知識，強化工程實踐綜合運用能力。綜合實驗要求大四學(xué)生通過《機器人技術(shù)》《數(shù)控加工技術(shù)》《工業(yè)設(shè)計》《工業(yè)系統(tǒng)工程》《自動化產(chǎn)品設(shè)計》和《自動化生產(chǎn)線設(shè)計》等課程的學(xué)習(xí)，基于各類機器人教學(xué)平臺，以課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計的形式，進行以工程應(yīng)用為導(dǎo)向的各類課題的研究。以工程應(yīng)用為導(dǎo)向的相關(guān)的課題包括：傳感器類課題（機器人路徑規(guī)劃、移動機器人精確定位研究、傳感器信號采集及處理）、運動控制類課題（基于PID控制的機器人軌跡跟蹤、移動機器人控制方法研究、開放式機器人控制器研究）、機器人系統(tǒng)類課題（新型機器人系統(tǒng)開發(fā)、機器人尋跡、機器人避障、機器人滅火）、圖像處理類課題（視覺伺服控制、機器人視覺信息處理、運動目標跟蹤）、人機交互類課題（語音識別技術(shù)研究、手勢識別技術(shù)研究）、工業(yè)現(xiàn)場類課題（自動包裝生產(chǎn)線研究、自動化倉庫研究）。通過工程應(yīng)用前景明確的課題的研究，實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品開發(fā)能力的培養(yǎng)。

3 機械電子工程專業(yè)機器人實踐教學(xué)平臺的實踐效果

河南工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院以現(xiàn)有機械電子工程訓(xùn)練中心為基礎(chǔ)，在學(xué)校實驗室建設(shè)專項經(jīng)費支持下，規(guī)劃建設(shè)了機械電子工程專業(yè)機器人實踐教學(xué)平臺。長期的實踐教學(xué)表明，機器人實踐教學(xué)平臺對促進學(xué)生能力培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量有重要作用。

3.1 培養(yǎng)了學(xué)生從事機械電子工程專業(yè)所需的能力

專業(yè)能力培養(yǎng)是機械電子工程專業(yè)的重要教學(xué)目標。通過以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的專業(yè)課程體系群學(xué)習(xí)后，學(xué)生掌握了工科專業(yè)基礎(chǔ)知識和機械電子工程專業(yè)知識；通過基于機器人教學(xué)平臺的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的培養(yǎng)后，學(xué)生具備了從事機械電子工程行業(yè)所需的數(shù)值計算與分析能力、機構(gòu)設(shè)計與分析能力、控制系統(tǒng)設(shè)計與分析能力和工程實踐綜合運用能力。其中，在工程實踐綜合運用能力培養(yǎng)過程中，基于機器人教學(xué)平臺，運用工程軟件解決復(fù)雜工程問題的培養(yǎng)效果尤為明顯。如運用Matlab進行工程計算、運用Matlab Simulation進行控制系統(tǒng)仿真、運用SolidWorks進行機構(gòu)3D設(shè)計、運用SolidWorks Simulation進行機構(gòu)力學(xué)特性分析與仿真、運用SolidWorks Flow Simulation進行流體力學(xué)分析、運用Labview進行控制系統(tǒng)構(gòu)建、信號采集與處理等，極大地提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

3.2 激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量

趣味性是學(xué)習(xí)的原動力，基于機器人教學(xué)平臺的實驗教學(xué)模式以工程應(yīng)用能力為培養(yǎng)目標，以工程問題為研究對象，有效地提高課程的趣味性，增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。通過組織小組對抗賽、校內(nèi)機器人大賽、校間機器人大賽，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性；通過組織參加挑戰(zhàn)杯、機械設(shè)計創(chuàng)新大賽，提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，實現(xiàn)了工程應(yīng)用能力培養(yǎng)的目的，在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的同時，大大提高了大學(xué)畢業(yè)生的首任職業(yè)勝任率。

4 結(jié)語

針對機械電子工程行業(yè)對數(shù)值計算與分析能力、機構(gòu)設(shè)計與分析能力、控制系統(tǒng)設(shè)計與分析能力和工程實踐綜合運用能力的需求，構(gòu)建基于機械臂、傳感器模塊、開放式控制器平臺、移動機器人和機電一體化系統(tǒng)的機械電子工程機器人實踐教學(xué)平臺，建立包括基礎(chǔ)實驗、拓展實驗、提高實驗和綜合實驗的分層次實驗體系。實踐教學(xué)效果表明，機器人實踐教學(xué)平臺對于培養(yǎng)大學(xué)生綜合能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高培養(yǎng)質(zhì)量有重要作用。

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