科教融合創新指導下的本科生實驗項目開發

劉玉琳, 徐雙滿, 霍 凱

(北京交通大學 機械工程實驗中心, 北京 100044)

經過多年的探索和實踐，高等學校的人才培養已經從單純注重傳授知識、強調課堂教學，轉向注重培養學生的綜合素質，尤其是實踐能力和創新能力[1]。學生的實踐能力和創新能力在科學研究的氛圍中能得到很好的培養和提高[2]，將科研成果轉化為教學資源無疑是培養大學生創新能力的一種有效途徑，是實現科教融合的關鍵[3]，這也對本科教學中的實驗教學環節提出了更高的要求。

我校機械工程實驗中心承擔著機電學院本科生實驗教學任務，是培養學生實踐能力和創新能力的重要基地。而當前的實驗教學環節存在以下問題，如由于各學科技術快速發展，實驗設備、實驗手段相對落后；現有實驗項目中培養學生實踐創新能力的研究設計型實驗項目比例偏少；教學內容包含范圍廣，實驗設備種類、數量有限，不能很好地支撐課堂教學[4]。

目前，各高校通過多種途徑加強本科生教育的實踐環節，如大學生機械創新設計大賽、CCTV機器人大賽等全國性的賽事給本科生提供了一個利用所學知識進行自主設計、自主實踐創新的平臺，但這些實踐機會無法實現對本科生的100%覆蓋。如能將教師科研項目中的科研設備加以改造，開發適用于本科生的實驗項目，讓所有學生在本科教學環節接觸到處于技術前沿的實驗設備，不僅有利于學生理解課堂教學內容，對學生專業技能的培養及就業前景都將產生積極的影響[5]。

為了滿足“機器人技術”系列課程大綱對工業機器人實驗項目內容的需要，利用教師開展科研工作所取得的設備及成果開發高水平實驗項目，使機器人技術系列課程實驗教學內容體系更加完善。

1 科研設備成果與相關實驗教學關系

1.1 科研設備成果與實驗教學融合

機電學院機械工程實驗中心科研團隊多年來涉足軌道交通技術、航空航天等領域，在機電一體化設計及工業機器人應用方面取得了驕人的成績，利用申報的縱向基金資助課題經費研制出如工業機器人噴涂系統、多關節機器人目標識別與目標捕捉等，這些設備在完成預定科研任務目標后，除了開展一些專題研究以外，大多數時間處于閑置的狀態。因此，對于這些設備在開展科研活動之余面向本科生開放，有效地將這種結合學科或專業的內容融入本科實驗教學中去，激發學生創新思維的形成，更好地培養學生的創新與創業能力[6]。因此，科研成果轉化為教學有利于形成專業特色，提高專業競爭力，實現教學創新[7]。一些科研設備在完成了科研實驗工作后，如能將其改造后應用于本科生實驗教學，將提高設備利用率[8]。

目前，高校面向機械工程專業本科生開設有“機器人技術”“機器人控制技術”“機器人設計基礎與實踐”等與機器人相關的課程。實驗教學設備方面由于受到投資方面的限制，一般硬件配備像“慧魚機器人”及一般通用教學機器人，而真正代替人干活的工業機器人投入到實驗教學中的卻很少，而工業機器人在機器人理論課程內容里占有不小的比例。

1.2 構建機器人技術系列課程實驗教學內容體系

傳統機器人實驗教學體系，一般分為2大模塊，即認知與分析實驗模塊和示教控制實驗模塊。認知與分析實驗模塊主要包括：機器人機械本體分析、機械與傳感控制單元認知與分析等內容；示教控制實驗模塊主要包括：控制軟件編寫、軌跡規劃與示教動作調試等[9]。這些內容一般是基于實驗專用設備的軟硬件配置固化的一種模式，學生創新思維空間受到限制，學生難以接觸高水平機器人實驗內容。因此，增加工業機器人實驗模塊，為開發高水平綜合設計型實驗項目創造條件，使學生在學習機器人課程期間感受到工業機器人在實際生產中的神奇本領[10]。該實驗模塊主要包括：工業機器人的機械本體分析實驗、工業機器人目標識別與追蹤、工業機器人變曲面軌跡示較控制實驗等實驗中心科研團隊依托科研項目經費購置或自制的機器人有知名品牌“六軸關節型工業機器人”“大行程直角坐標機器人”。可以填補本科生六軸關節型工業機器人及直角坐標型工業機器人實驗教學內容的空白。設計“直角坐標機器人復雜軌跡規劃及對象識別模塊”向大學生機械創新設計大賽的學生開放，為學生提供一個自主設計自主創新的實踐平臺。

基于以上思路，對科研用實驗設備進行了軟、硬件升級，并設計了相關實驗內容。

2 基于科研設備成果的實驗項目開發

2.1 大行程直角坐標機器人實驗項目

實驗中心科研團隊項目“大型復雜特種工件防熱層自動噴涂裝備關鍵技術研究”，可以完成對特種工件自動噴涂過程中噴涂軌跡規劃及噴涂流量、噴槍移動速度、噴槍擺角等關鍵參數進行優化等工作。其中的主要設備是自制的三直線軸加兩旋轉軸框架式工業噴涂機器人(見圖1)。該設備具有行程大、多自由度、末端手腕轉動精巧、精度高等特點，可以開展復雜曲面形貌檢測與噴涂、抓取工件等動作，可作為機械、傳感、控制多學科融合的實踐平臺。

圖1 直角坐標噴涂機器人

2.1.1 實驗開發內容要點

(1) 認知分析與初始化實驗。實驗目的與內容要點：通過對機械結構與配置、傳感器與控制硬件系統分析，了解并掌握框架式直角坐標機器人本體組成結構特點。學習半閉環控制驅動電機配置特點、大行程同步控制機構等內容。通過對控制系統軟、硬件組成與配置認知與分析，了解并掌握該類機器人控制器運用特點。重點掌握半閉環控制精度、伺服減速電機、編碼器設計選型等技術問題；學習機器人坐標原點與極限位置點傳感器的設計與選型相關知識。

(2) 直線軸聯動軌跡規劃與控制。實驗目的與內容要點：學習和掌握parker9000多軸運動控制器原理，學習實現XY平面或YZ平面兩軸聯動的軌跡控制方法；學習實現XYZ三軸聯動的軌跡控制方法，進一步學習和掌握parker9000多軸運動控制器的使用方法，并可借助在CAD矢量坐標環境下規劃好軌跡并取得關鍵點坐標值，編制示教控制程序，實現軌跡控制。

2.1.2 科研設備軟硬件改造

科研設備功能先進、科技含量高，但不能直接用于本科生實驗教學，需要進行軟、硬件必要的開發工作，使其融入到實驗教學中，并適應教學內容需要，在本科生實驗教學環節發揮作用[11]。在設備改造過程中也進一步鍛煉了教師的科研水平，實現了科研、教學互相促進互相融合[12]。

針對結構認知及控制模塊，主要完成了各項實驗的控制例程及控制界面的軟件開發工作。針對復雜軌跡規劃及對象識別模塊，完成了機器人末端激光測距傳感器的選購(見圖2)，并設計制造了激光傳感器的安裝胎具(見圖3)，在此基礎上完成了基于末端測量的機器人三軸聯動示例程序的編寫。

圖2 激光測距傳感器

圖3 激光測距傳感器安裝胎具

2.2 六軸關節型工業機器人系統實驗開發

2.2.1 實驗開發內容要點

(1) 工業機器人初始化與坐標系建立方法實驗。實驗目的與內容要點：了解多軸工業機器人系統組成、操作控制特點，學習機器人初始化參數設置，了解工業機器人的大地坐標系、工具坐標與用戶坐標系特點，學習工具坐標系的建立方法。本實驗項目側重于工業機器人基礎與基本技能訓練方面，為進一步開展創新運用型實驗打下良好基礎。

工具坐標系的建立是工業機器人非常重要的一項初始化配置工作。如圖4所示，將工具中心點(TCP，tool center point)設為零位，由此再定義工具的位置和方向。執行程序時，機器人就是將TCP移至編程位置。通過設置該中心點的偏移值，就可以定義一個新的工具坐標系。

圖4 多點法設置工具坐標原點過程示意圖

(2) 工業機器人目標測量與追蹤實驗。實驗目的與內容要點：重點了解工業機器人接口技術與外部設備信息交互功能，以工業相機為外部設備，圖像是接收的信息，由計算機統籌控制，由機器人自動變量編程完成對目標的捕捉動作。對象為多邊形(6邊)識別與邊長測量；骰子點數識別與檢出等，如圖5、6所示。

在一個隨意擺放的骰子區域中，按點數規律的快速檢出并要求擺放到相應的位置上。

2.2.2 軟硬件配置與開發

六軸關節機器人工具坐標建立需要制作定義坐標的專用胎具，坐標點要求胎具的頂部為尖點。工業機器人目標測量與追蹤實驗需要配置與開發的內容和難度較大，需要配備的硬件有工業相機、專用光源裝置、機械安裝接口裝置、真空吸盤、工控機，測量識別、接口鏈接、控制主程序等具備開展實驗條件，學生在實驗工程中要了解如何安裝搭接成一個完整的實驗功能系統，還要完成初始化的參數設置與選擇，編制一些子程序等工作來開展實驗，將動手操作、設計與調試等多環節工作綜合在一起。

圖5 任意六邊形測量

圖6 骰子點數識別與快速檢出

3 結語

通過開展利用科研設備及成果開發本科生實驗項目的研究工作，探索與實踐了科研成果與本科生實驗教學內容轉化融合的新模式，有效利用了科研成果。在投入少量資金的基礎上，將科研設備融入到實驗教學環節中，促使教師從教學角度出發對現有科研設備進行升級改造，進一步鍛煉了教師的科研能力，真正實現了教學和科研的相互促進、相互融合。通過實施表明，留給學生自己發揮的空間大大增強了，給學生提供了一個接觸和利用學科前沿實驗平臺的條件，對大學生創新能力培養起到了較好的作用。