高校工業機器人實驗室建設路徑探討

田軍營 韓建海 魏冰陽

摘 要 高校工業機器人實驗室建設是社會對工業機器人人才培養的迫切要求。從校企共建、設備配套、實驗項目開發和實驗輔助裝備制作、實驗室規章制度、實驗室開放等方面闡述高校工業機器人實驗室的建設途徑和方法，為高校工業機器人實驗室的建設提供切實可行的經驗和思路。

關鍵詞 工業機器人；實驗室；校企共建；實驗教學

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）02-0074-03

1 前言

隨著工業機器人在各個工業領域應用的快速增長，我國也迎來工業機器人的快速發展時期。2016年，中國市場工業機器人消費總量到達88 992臺，較2015年增長26.6%；國產工業機器人共銷售29 144臺，同比增長30.9%。

伴隨著機器人產業的快速增長，社會對工業機器人技術人才的需求也開始急速增加。許多高校提出建設新工科計劃[1]，

先后開設與工業機器人相關的課程，并建立相關實驗室。

河南科技大學作為地方高校，積極順應這一社會發展需求，及時調整課程設置，在機電類專業開設工業機器人技術相關課程，同時聯合企業共建工業機器人實驗室。經過多方努力，2014年5月，學校與國內最大工業機器人廠商之一——廣州數控設備有限公司達成共建“河科大—廣數”工業機器人技術實驗中心的協議。本文結合該中心建設實踐以及建設中遇到的問題，對高校工業機器人實驗室建設的路徑進行探討[2]。

2 實驗室設備建設的途徑

目前，“河科大—廣數”工業機器人實驗中心已初具規模，多臺套工業機器人均已安裝完畢。從整個實驗中心的設備建設途徑上看，實驗室設備建設具有以下三個方面的特征。

校企共建 通過校企共建，爭取工業機器人專業廠家對學校實驗室建設的援助和支持。工業機器人實驗室建設必須具有一定的規模才能產生教學效果。受購買設備資金數額的限制，實驗室設備的臺套數和類型往往會有很大局限性。為使實驗室盡早步入正軌，實現規模化教學，河南科技大學工業機器人技術實驗中心積極尋求與專業廠家合作，共同進行實驗室建設[3]，其中RB20工業機器人就是在實驗室建設早期由廣州數控設備有限公司援助贈送的設備。

廠家的援助不僅加快了實驗室和實驗課程的建設步伐，而且由于廠家設備的投入，使得學生在實驗教學中可以直接同國產工業機器人親密接觸，進一步激發對國產工業機器人性能和技術的思考和興趣，對培養學生的創新性思維，對促進國產機器人市場的形成，帶來極大裨益。

校企共建中學校的主體作用與設施配套 根據校企共建的要求，學校作為實驗室的主體與責任方，必須為共建機器人實驗室提供場地及機器人外圍配套設備。因此，根據專業和課程設置的要求，慎重選擇和配置工業機器人機型和相關外圍設備，并積極尋求上級主管部門和省市政府對實驗室建設資金的支持。

河南科技大學工業機器人實驗中心由RB06焊接機器人和變位機等外圍設備構成的工業機器人焊接系統，就是一套既從學校相關的工業機器人課程要求出發，又滿足和符合學校所在城市——洛陽市的具體工業應用實際需求而建立起來的實驗設備群，得到社會的廣泛認可和政府的支持。有了這套以工業機器人工作為核心的焊接系統設備群，學生不僅得到工業機器人的一般性理論訓練，而且得到專業級基于工業應用的實際體驗和訓練。

工業機器人實驗室建設與學科發展相結合 搭建有廣闊發展前景的工業機器人應用平臺，與學校學科發展相輔相成，形成科研、教學、人才培養相互支撐的架構，從而尋求學校相關部門的大力支持。在實驗室建設過程中，學校的教學、科研等相關部門均給予高度重視，并以項目開發的形式給予資金支持。實驗中心的RB08可視搬運工業機器人系統就是這樣建立起來的。該系統的建立使本科生、研究生的教學科研擁有了高水平工業機器人應用系統的研究開發與實驗平臺。

實驗項目開發與輔助實驗裝備的研制 實驗室要想更好地為學生服務，完成實驗教學任務，結合課堂教學合理設置實驗項目至關重要。要做到這一點，就需要對實驗設備進行必要的改造，或者為主機設備添加必要輔助裝置，在以工業機器人為主要設備的實驗室更是如此。工業機器人往往是根據工業生產設計的，無法充分滿足實驗教學的要求。因此，對現有設備的硬件改造和軟件設計就變得十分必要，并成為相關實驗室建設的重要一環。

廣數RB20工業機器人剛進入實驗中心時只是個裸機，沒有安裝搬運、碼垛等功能的配套裝備。為了滿足學生學習和實驗的要求，實驗中心為RB20工業機器人配備一個氣動手爪，雖然該手爪非工業應用級，但在學生實驗教學中能滿足各種具體實驗要求。

在使用RB20工業機器人設定工具坐標系坐標原點的實驗中，廠家提供的硬件（見圖1）雖然能夠完成相關工具坐標系坐標原點的設定，但對于學生實驗來說顯得不足。為此，實驗中心根據RB20工業機器人的實際配置，設計圖2所示的工具。

使用圖1所示廠家提供的工具做設定工具坐標系坐標原點的實驗時，實驗者需要一個復雜的安裝過程才能把工具裝好，因此實驗時間較長，并且內容單一。為此，實驗中心根據RB20工業機器人實際配置中的氣動手爪的結構和性能，設計氣動手爪抓取一個長方體部件的實驗。該部件上分布有圖2所示的七個可安裝定位部件的孔，圖2中給出的是把定位部件安裝在長方體中間孔位置的情況。因為該長方體部件只需要氣動手爪抓住就能工作，所以在學生實驗中，通過調整定位針在長方體部件上的不同位置，可以使學生在實驗時得到不同的實驗數據，這樣相鄰兩組學生即使在實驗內容、實驗步驟都相同的情況下，所取得的數據也是不同的。

針對一成不變的主體設備，只有不斷地根據課堂教學和實驗教學的實際需要開發新的、有效的輔助設備，才能夠開設出新的實驗項目，提高實驗設備的使用率，使實驗室建設的收益達到最佳。這是高校機器人實驗室建設與自我發展完善的必由之路。

3 實驗室規章制度安全體系的建設

實驗室安全保障體系的建設 實驗室安全保障體系建設是高校實驗室建設的重要內容[4]，對于高校工業機器人實驗室建設來說尤其如此。因為工業機器人實驗室的大多數設備是現行工業應用體系中的生產設備，其運行或故障或多或少地都可能會給使用者帶來人身傷害。針對這些設備，在工業生產中制定有各種各樣的安全保障措施、操作規程，這些安全保障措施可以作為工業機器人實驗室建設的參考。但必須注意，它們是針對那些在生產第一線，具有豐富的生產經驗和熟練操作技能，以及極具安全意識的工業生產者制定的，不能完全照搬應用于學校實驗室。

學校實驗室的使用者大多數為那些幾乎沒有任何常識、首次接觸、好奇心極其強烈的學生，他們在使用工業機器人時，由于缺乏相關的知識和經驗，安全意識淡漠，就為實驗室安全運行帶來隱患。因此，學校在進行工業機器人實驗室安全體系建設時，必須把學生的人身安全和課堂安全放在首位。

在學生進入實驗室上實驗課之前，要對學生進行安全教育，說明工業機器人實驗室的工作流程以及操作注意事項。比如：學生在操作時，機器人的工作速度不能過快；要注意使自己的身體和工業機器人間保持合適的安全距離；操作者必須關注參加實驗的學生是否與工業機器人保持有安全距離，是否有其他障礙物等潛在危險等。更多的內容，本文不再贅述。

實驗室規章制度的建立 實驗室規章制度的建立是實驗室正常、有序、不斷完善運行的根本保證。實驗室設備智能化程度越高，其使用維護、保養難度越大，尤其是包含工業應用級設備的實驗室。針對此，河南科技大學工業機器人實驗室從三個方面制定了相關規章制度。

1）實驗室運行管理中的一般性規章制度。相關工業機器人的實驗室運行管理理應遵從實驗室管理中的公共規律，所以，實驗室管理中的通用公共規章制度按照學校實驗室管理文件執行。

2）相關工業機器人實驗室運行管理中的特殊規章制度。工業用工業機器人作為實驗室設備使用時，相關實驗室的運行管理必然有其特殊性，必須參考工業機器人在工業應用中的管理標準，制定其在實驗室應用的管理體系，如工業機器人實驗室工作流程、工業機器人實驗項目管理、工業機器人實驗室安全管理制度、學生實驗過程安全管理細則等。

3）實驗室規章制度的建立要兼顧實驗室的完善與發展。實驗室規章制度的建立不僅要考慮其日常運行，而且要兼顧長期完善與發展。因此，河南科技大學工業機器人技術實驗中心制訂了工業機器人設備及實驗輔助設備管理辦法、實驗項目開發和實驗輔助裝備制作管理辦法等。

4 實驗室的管理與開放

實驗室管理 實驗室管理必須滿足實驗室建設的任務與實驗室規章制度的根本要求，這樣才能保證實驗室的正常運行，并面向廣大師生開放。考慮到進入實驗室的人員主要是學生，而學生好奇心強、安全意識缺乏，對工業機器人的安全認識不足，因此，只是單純地讓學生了解工業機器人實驗室的工作流程和學生實驗守則是不夠的。為此，本實驗室專門設計“工業機器人實驗室管理規章與安全須知測試題”，只有提前測試合格人員方被允許進入實驗室，并且要求工業機器人操作實驗必須有專業人員監護。在確保學生人身安全和設備安全的前提下，鼓勵學生積極參加實驗項目開發和實驗輔助裝備制作。

實驗室的開放 實驗室開放是實現以學生為主體的實驗教學體系的重要手段，是實驗教學改革和“雙創教育”的要求[5]。作為與現代工業發展密切聯系的工業機器人實驗室，其開放與否和開放的程度，直接影響實驗室的建設和發展潛力。通過實驗室開放，學生可以根據需要自主設計、安排實驗，從而有利于培養學生獨立進行創新性、設計性、綜合性實驗的能力，提高實驗設備和實驗場地的利用率。開放實驗由多個學生自行組織完成，學生的分工合作有利于培養他們的協作意識和團隊精神。

本實驗室開放主要有三個方面的內容。

1）機器人的認知。實驗室每學年接受大量新生和在校學生的參觀和認識實踐，超過3000人次，很多非專業的學生由此對機器人產生濃厚的興趣，積極參加到相關科技實踐活動中。

2）工業機器人應用科研課題的實驗驗證。這一部分的開放主要針對教師與研究生進行，一些科研課題、科技活動和實踐項目，通過開放實驗的方式在實驗室中進行驗證性實驗。

3）實驗室項目開發與科技制作。工業機器人在工業中的各種應用，通過實驗項目開發的形式在實驗室中得以呈現，從而豐富了實驗教學的內容與內涵。工業機器人的各種輔助實驗裝置的制作，都通過實驗室開放項目的方式設計和制作。這些都作為學校“雙創教育”的一部分納入學校教學改革規劃，也成為實驗教學創新和發展的必由途徑。

5 總結

基于工業應用機器人的實驗教學系統的建設成本一般較高，校企共建是一種很好的途徑。本文介紹了河南科技大學工業機器人技術實驗中心校企共建、實驗室項目開發、管理制度建設等方面的經驗，希望為其他院校相關工業機器人實驗室的設備建設提供切實可行的思路和途徑。

參考文獻

[1]朱艷輝，李長云，何頻捷，等.基于省級創新平臺的創新創業培養模式研究[J].中國教育技術裝備，2017（8）：5-7.

[2]薛峰，馬驥.高校開放實驗室的建設路徑研究[J].實驗技術與管理，2016（11）：267-270.

[3]單以才，段向軍.校企共建高職工業機器人技術專業教學質量保障機制研究[J].中國現代教育裝備，2017（1）：81-83.

[4]陳一星，張偉，王雪，等.高等院校實驗室安全管理系統設計與實現[J].實驗技術與管理，2016（11）：274-278.

[5]鞏憲偉，陳亞敏，鞏天驕.基于培養創新型人才的開放實驗室管理與建設[J].實驗技術與管理，2016（11）：271-273.