應用型本科院校大學生機器人應用能力培養研究

丁力 周川 葉霞 單文桃 巢淵

[摘 要] 工業機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等技術于一體的先進智能裝備，展示了一個國家的制造水平與科技水平。根據國內嚴重缺乏機器人人才的現狀，提出了針對應用型本科院校的大學生機器人應用能力培養的研究，指出了開展機器人技術培養的重要性，給出了機器人實訓室建設與理論教學的具體方案。大學生機器人應用能力的培養應采用理實一體化模式，將理論結合實踐，提高學生的創新能力與實操能力，為應用型人才的培養提供有力支撐。

[關 鍵 詞] 工業機器人；應用型本科院校；實訓室；理實一體化

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）13-0072-02

制造強國一定是人才強國。在黨的“十八大”明確提出人才是“提升國家核心競爭力和綜合國力，為全面建設小康社會和實現中華民族的偉大復興提供保障”的重要因素[1-2]。要實現從中國制造到中國創造的跨越，勢必要通過教育、培育等多種途徑完成從人力資源大國向人才強國的轉變。作為當前世界經濟與產業增長方式轉變過程中的關鍵技術，智能機器人進入了新的發展階段，正成為現代工業轉型發展的加速器[3]。這種發展不僅需要大量的機器人設計、研發、制造等方面的高端人才，更需要為數眾多的使用、運行、維護、維修、營銷等方面的高素質應用型和技能型人才。然而，現階段我國大部分的應用型本科院校都缺乏優秀的機器人應用能力培養的教學，甚至有些學校的培養方案與市場需求嚴重不協調。因此，在應用型本科院校中探索機器人應用能力的培養，為大學生創造與機器人技術相關的創新思維訓練、專業技能訓練以及工程實踐訓練的專業平臺，是值得我們認真研究的。

針對上述問題，筆者認為要提高應用型本科院校大學生的機器人應用能力，一方面需要學校建立能夠培養學生機器人應用能力的實訓室或實訓站，加強學生的實際操作技能；另一方面應該制訂一套適合于應用型本科院校的機器人理論教學方案，方案注重理實一體化，凸顯應用型院校的培養特色。另外，應用型本科院校不僅要加大大學生機器人應用能力的培養力度，不斷提高人才培養的質量，而且要兼顧到企業人員知識更新、技術提升的需要。

一、機器人實訓室的分類

為了實現機器人應用能力培養，實訓室以現代化的工業機器人為主體，主要用于機器人的本體結構、運動學、動力學、伺服控制、軌跡規劃以及機器視覺等問題的研究[4]。應用型本科院校機器人實訓室的建設可分為以下幾種形式：

（一）機器人基礎實訓室

機器人基礎實訓室的設備可采用當前工業應用領域常用的ABB、KUKA、發那科、安川等國際知名品牌的工業機器人，并對其進行系統集成與二次開發，形成機器人實訓柜、實訓臺、實訓站、實訓線等貼近機械、汽車及電子等工業生產的教學實訓設備，為學校的機器人教育、教學、培訓及應用技術的研究提供充足的條件。

（二）機器人虛擬仿真實訓室

機器人虛擬仿真實訓室以計算機為載體，由各大常見品牌機器人的手持示教盒與RobotStudio仿真操作軟件構成。通過該實訓室可以進行多種機器人的認知，熟悉機器人的編程、調試與運行。同時，通過在虛擬仿真實訓室的學習能使學生絕對安全地操作機器人，了解機器人操作的內在機理，這是一種安全、高效的學習模式。

（三）機器人拆裝與維修實訓室

機器人拆裝與維修實訓室是在工業6關節機器人的基礎上，對其進行整機拆分、組成及維護。通過在實訓室中的學習，可以系統性地學習機器人五大部件的內部機構，即機器人本體、減速器、控制器、傳感器、電機。

經過以上實訓室的建設，學校可以建成涵括機器人基礎認知、基本操作、安裝、維護維修、編程調試等多功能需求的國內一流的機器人實踐、實訓基地。另外，各實訓室之間可形成流水線式培訓，由淺入深，從機器人的基礎培養過渡到仿真模擬，技術上具有連續性。由單體結構、運動原理和示教器編程的學習，到實際工業生產場景的訓練，使學生逐步掌握工業機器人安裝、操作、示教器編程與調試，集成應用、日常維護的技能。學生畢業可滿足工業機器人應用的技能要求，提高就業競爭力，快速適應崗位。在實訓中還可培養學生團結協作、鉆研、踏實肯干的精神，樹立為社會多做貢獻的意識，為今后就業提供可靠保障。

二、機器人實訓室的實施方案

機器人應用能力培養的教學目標可擬定為：（1）掌握串聯型工業機器人的結構及各部分組成的功能；（2）掌握串聯工業機器人的運動原理及控制方法；（3）掌握串聯型工業機器人的拆裝與維修；（4）掌握串聯型工業機器人的運動仿真及軌跡規劃。以江蘇理工學院為例，整個工業機器人技術實訓中心占地324平方米左右，分為三個實訓室，具體的實施方案如下：

（一）機器人基礎實訓室實施方案

機器人基礎實訓室可以弧焊或打磨機器人為主，該機器人融合了機器人技術、焊接技術、打磨技術和系統工程。實訓室可配置一臺6關節串聯型機器人、一臺2關節機器人變位機以及電源系統、焊槍、打磨頭等設備，可培訓學生利用機器人完成焊接與打磨工序。

（二）機器人虛擬仿真實訓室實施方案

考慮到機器人設備昂貴的價格與場地的限制，在實訓建設過程中不可能對同一種實訓項目投入較多設備。因此，需要借助虛擬仿真軟件解決學生數量多與機器人設備臺數少的矛盾。該實訓室中可配備20～30臺PC機，每臺計算機均安裝機器人離線編程軟件，依次控制同一臺機器人。這樣不僅可為學校節省財力與物力，還可以訓練學生的軟件編程能力。

（三）機器人拆裝與維修實訓室實施方案

機器人拆裝與維修實訓可作為應用型本科院校的一個培養特色。實訓室可配置3～4臺廢舊的機器人本體，學生可按機器人本體結構的連接順序依次拆分，并對拆分后的關鍵性零部件進行打磨、拋光與涂油等維護性操作，最后再根據圖紙將整套機器人設備裝配好。通過在該實訓室中的培訓，學生由點及面、深入淺出地熟悉機器人的內部結構及工作原理，增強其機器人應用能力。

三、機器人理論教學的研究

目前所見的文獻中，機器人理論教學的教材主要有《機器人學導論》《Introduction to Robotics： Mechanics and Control》《機器人技術》等，這些教材雖能使初學者快速掌握機器人的理論知識，但對機器人實操理論的敘述并未涉及或涉及面較窄[5]。然而，對以培養兼顧理論與應用能力的學生為宗旨的應用型本科院校來說，上述常用的機器人理論教材就顯得捉襟見肘。因此，探索一套適合于應用型本科院校的機器人理論教學方案意義重大。

筆者認為，可將針對應用型本科院校的機器人理論教學分為兩部分，一為理論知識部分，即介紹機器人的數學基礎、正反向運動學、軌跡規劃、控制技術、動力學等知識；二為實操應用部分，即根據學校建設的機器人實訓室開展有針對性的教學內容，提高學生的理論修養。機器人教學以理實一體化為主（如下圖所示），對原有的教學結構進行創新，改變原有的教學理念，引入實訓室培訓模式。在不同的理論與實訓之間，使機器人教學團隊化、動態化、扁平化，增強學生學習機器人技術的興趣。

四、結語

實踐是創新之源泉，沒有了實踐，創新便會成為無源之水、無本之木。當前，我國的教育改革處于一個重要節點，作為應用型本科院校的江蘇理工學院，需要響應國家的戰略規劃，積極發展機器人專業，培養機器人應用型人才。機器人技術的教學工作也需要與時俱進，及時創新，這樣才能夠培養出對國家、社會乃至企業有用的人才。

參考文獻：

[1]李朱鋒，徐媛媛.應用型人才創新能力培養的研究與實踐：以搭建慧魚模型機器人為例[J].課程教育研究，2017（16）.

[2]顏世周.淺談機器人教學對大學生創新教育的影響[J]. 才智，2015（10）：103.

[3]李楠.高職院校工業機器人技術專業課程建設探索與實踐[J].商品與質量，2015（46）：5-8.

[4]唐宏偉，林立，石書琪.地方本科院校機器人實驗室建設方案初探[J].亞太教育，2016（29）：61.

[5]王軍，李明，徐書杰.創新機器人教學思維 培養大學生實踐能力[J].吉林教育（綜合），2015（31）：10-11.