機(jī)類專業(yè)“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容初探

朱洪前 余皡 鄧旻涯

摘? ? 要：開設(shè)“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程，是機(jī)類專業(yè)實現(xiàn)“新工科”的一項重要舉措。在“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程教學(xué)過程中，需要注重基礎(chǔ)，將內(nèi)容深度控制在機(jī)械類學(xué)生能夠接受的程度。文章基于新工科背景，對機(jī)類專業(yè)“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深入探討，研制出新的“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程教學(xué)大綱，供主講教師參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人技術(shù);機(jī)類專業(yè);高校

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2020）04-0006-02

一、研究意義

近年來，在工業(yè)4.0及“中國制造2025”政策的引導(dǎo)下，中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)整體市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)2013-2018年的平均增長率達(dá)到29.7%，增速保持全球第一。2017年，中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)整體規(guī)模超過1200億元。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用場景越來越寬廣。國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）提出以智能服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用需求為重點。中國制造2025提出圍繞機(jī)器人應(yīng)用需求，積極研發(fā)新產(chǎn)品[1]。

開設(shè)機(jī)器人工程專業(yè)的高校，2016年1所，2017新增25所，2018年新增60所，2019年新增101所。自動化、電氣工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等電類、計算機(jī)類專業(yè)基本開設(shè)了機(jī)器人技術(shù)課程[2]。

“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”涉及到機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、計算機(jī)學(xué)、控制工程、人工智能等多個領(lǐng)域的最新研究成果。開設(shè)“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程是機(jī)類專業(yè)實現(xiàn)“新工科”的有力支撐。機(jī)械制造及其自動化、機(jī)械設(shè)計及其理論、林業(yè)工程、農(nóng)業(yè)工程、礦業(yè)工程、輪機(jī)工程、車輛工程、精密儀器及機(jī)械、動力工程、紡織工程等數(shù)十個機(jī)類與近機(jī)類專業(yè)也在不斷增開機(jī)器人技術(shù)課程。國內(nèi)高校機(jī)類本科專業(yè)的“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容往往過于集中在運動學(xué)、動力學(xué)，或者所選取的教學(xué)內(nèi)容難度超過了機(jī)類學(xué)生能夠接受的程度。機(jī)類專業(yè)迫切需要的機(jī)械系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等內(nèi)容普遍介紹不足。因此，開展機(jī)類專業(yè)的“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程教學(xué)研究，提高機(jī)類專業(yè)的“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程教學(xué)水平，是高校機(jī)類專業(yè)的一項緊迫的任務(wù)[3]。

二、機(jī)類專業(yè)“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”教學(xué)目標(biāo)

“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”是機(jī)類專業(yè)的一門專業(yè)選修課。目前，大部分高校本課程的主要教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生能了解工業(yè)機(jī)器人的特點、結(jié)構(gòu)與分類;了解機(jī)器人學(xué)的研究領(lǐng)域及其與人工智能的關(guān)系;掌握機(jī)器人運動方程的表示及運動方程的求解;掌握機(jī)器人動力學(xué)方程;了解機(jī)器人的基本控制技術(shù)和方法，初步掌握機(jī)器人的位置控制和柔順控制以及機(jī)器人的分解運動控制;了解機(jī)器人規(guī)劃的作用和任務(wù)，初步認(rèn)識機(jī)器人的軌跡規(guī)劃問題。

在“新工科“背景下，高校要大力加強(qiáng)多學(xué)科和跨學(xué)科教育，培養(yǎng)機(jī)械、自動化、通訊、液壓等相結(jié)合的復(fù)合型人才。“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程可以為機(jī)類、近機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)新目標(biāo)提供有力支撐。“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程的教學(xué)要適應(yīng)機(jī)械工程、林業(yè)工程、礦業(yè)工程、農(nóng)業(yè)工程等數(shù)十個機(jī)類、近機(jī)類專業(yè)的課程體系特點。機(jī)類專業(yè)的人才培養(yǎng)課程體系，由于學(xué)時的限制，總會有很多反映時代最新科技的控制類、計算機(jī)類、人工智能類課程無法開出。自從20世紀(jì)60年代以來，工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)發(fā)達(dá)國家越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，尤其是在汽車生產(chǎn)線上得到了廣泛應(yīng)用，并在在制造業(yè)中，如毛坯制造（沖壓、壓鑄、鍛造等）、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、打磨拋光、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中得到應(yīng)用，提高了加工效率與產(chǎn)品的一致性。作為先進(jìn)制造業(yè)中典型的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為衡量一個國家制造業(yè)水平和科技水平的重要標(biāo)志。工業(yè)機(jī)器人是高度機(jī)電液結(jié)合的產(chǎn)物，其設(shè)計、制造、使用、管理、維護(hù)都需要比較全面的知識和技能。這時，機(jī)器人課程就可以充當(dāng)數(shù)十門控制類、計算機(jī)類、人工智能類課程的啟蒙和導(dǎo)論課程，成為機(jī)類專業(yè)學(xué)生知識體系的萬能膠，彌補(bǔ)學(xué)生知識體系的不足，綜合各類專業(yè)課程，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

工業(yè)機(jī)器人相比于傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品，具有更好的環(huán)境適應(yīng)性和智能，教學(xué)內(nèi)容要適當(dāng)安排一些最新的機(jī)器人技術(shù)，如機(jī)器視覺、人工智能等，吸引學(xué)生。教學(xué)過程中，也需要注重基礎(chǔ)，內(nèi)容深度控制在機(jī)械類學(xué)生能夠接受的程度，教學(xué)時力求通俗易懂又不失先進(jìn)性和前沿性。

三、新工科下機(jī)類專業(yè)“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容探討

（一）教學(xué)要適應(yīng)機(jī)械類、近機(jī)類專業(yè)課程體系特點

機(jī)械類專業(yè)機(jī)器人教學(xué)涉及的內(nèi)容包括工業(yè)機(jī)器人設(shè)計、開發(fā)、使用、維護(hù)涉及到的運動學(xué)、動力學(xué)、機(jī)械系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、編程。

機(jī)械類專業(yè)的“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程開設(shè)前，一般能開出這些課程：線性代數(shù)、機(jī)械原理、工程力學(xué)、工程材料、機(jī)械工程控制基礎(chǔ)、電機(jī)學(xué)、液壓傳動、C語言程序設(shè)計、計算機(jī)組成原理、電工學(xué)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、工程測試技術(shù)。

機(jī)械類專業(yè)的“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程開設(shè)前，一般由于學(xué)時的限制，無法開出這些課程：運籌學(xué)、控制電機(jī)、電力拖動自動控制系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、傳感器原理、數(shù)字圖像處理、機(jī)器視覺、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、電力電子學(xué)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)控制技術(shù)、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、模式識別、人工智能技術(shù)。這時，機(jī)器人課程就應(yīng)當(dāng)充當(dāng)這些控制類、計算機(jī)類、人工智能類課程的啟蒙和導(dǎo)論課程。結(jié)合機(jī)器人這一載體介紹相關(guān)技術(shù)時，需要注重基礎(chǔ)，難度控制在機(jī)類學(xué)生能接受的程度。

（二）新工科下“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”教學(xué)大綱新規(guī)劃

工業(yè)機(jī)器人被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，是衡量一個國家創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競爭力的重要標(biāo)志，已成為全球新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的重要切入點。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)涉及到運動學(xué)、動力學(xué)、機(jī)械系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通訊、編程等方方面面。

根據(jù)機(jī)類學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)涉及到的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、工業(yè)機(jī)器人運動學(xué)、工業(yè)機(jī)器人動力學(xué)、工業(yè)機(jī)器人運動軌跡規(guī)劃不需要介紹得過于詳細(xì)，可以合為一章來介紹。

工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)器人的支承基礎(chǔ)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，計算、分析和編程的最終目的是要通過本體的運動和動作完成特定的任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)主要由四大部分構(gòu)成：機(jī)身（即立柱）、臂部、腕部、手部。此外工業(yè)機(jī)器人必須有一個便于安裝的基礎(chǔ)件，即機(jī)器人的機(jī)座，機(jī)座往往與機(jī)身做成一體，基座必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性，主要有固定式和移動式兩種。工業(yè)機(jī)器人的很多機(jī)械零部件非常有特色，建議加大這部分內(nèi)容的比重，建議工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的篇幅占比要達(dá)到20%左右。

工業(yè)機(jī)器人動力系統(tǒng)涉及的范圍非常寬廣，內(nèi)容對學(xué)生知識體系的完善非常重要。工業(yè)機(jī)器人動力系統(tǒng)內(nèi)容要在機(jī)類學(xué)生能接受的范圍內(nèi)盡量深入，內(nèi)容包括動力系統(tǒng)的分類、交流伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人的動力系統(tǒng)，以電機(jī)的工作原理介紹為主，也可以深入到電力調(diào)速系統(tǒng)的知識，彌補(bǔ)大部分機(jī)類專業(yè)沒開電力拖動控制系統(tǒng)課程的弱點。在本課程中，也可以深入介紹一些液壓伺服系統(tǒng)的知識，豐富學(xué)生電液伺服閥、電液比例閥的結(jié)構(gòu)與工作原理等知識。

工業(yè)機(jī)器人感知系統(tǒng)通常由多種傳感器或視覺系統(tǒng)組成，用于感知工業(yè)機(jī)器人自身狀態(tài)和外部環(huán)境，通過此信息來決策和控制工業(yè)機(jī)器人完成特定或多項任務(wù)。目前，使用較多的工業(yè)機(jī)器人傳感器有姿態(tài)傳感器、力覺傳感器、觸覺傳感器、壓覺傳感器、接近覺傳感器等。本章主要介紹工業(yè)機(jī)器人常用的傳感器及其工作原理，并對其使用要求以及各種傳感器的選擇方法和評價方法加以介紹。目前，機(jī)器視覺廣泛應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場，為提高機(jī)器的智能提供了新的途徑，學(xué)生迫切希望能在這方面有一個初步的知識入門，建議在本門課程給學(xué)生介紹一些機(jī)器視覺的知識，最好包括圖像處理、模式識別的基本知識和方法。

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)是指由控制主體、控制客體和控制媒體組成的具有自身目標(biāo)和功能的管理與控制系統(tǒng)，是決定工業(yè)機(jī)器人功能和性能的主要因素，是工業(yè)機(jī)器人的核心部分。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)介紹時，要作為機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的案例來教學(xué)，內(nèi)容包括概述、關(guān)節(jié)運動控制、分解運動控制、力控制。學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)的時候，對積分變換、頻域分析感到非常抽象，在本門課程當(dāng)中，結(jié)合具體的任務(wù)來建立控制系統(tǒng)的框圖，有助于學(xué)生消化、掌握控制理論的應(yīng)用。

工業(yè)機(jī)器人作為智能設(shè)備在編程、調(diào)試、運行、維護(hù)的過程中需要通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為了和PLC等其他工業(yè)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)集成，需要DeviceNet、Profibus、Profinet、EthernetIP等工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信接口。工業(yè)機(jī)器人通信系統(tǒng)要成為“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程的標(biāo)配，內(nèi)容包括通訊技術(shù)基礎(chǔ)、工業(yè)機(jī)器人通訊接口、舉例介紹。

工業(yè)機(jī)器人編程介紹仿真和實操并重，內(nèi)容包括工業(yè)機(jī)器人的編程基礎(chǔ)、工業(yè)機(jī)器人的編程實例。目前，這一塊的教材有比較成熟的內(nèi)容和介紹，這里就不多敘述。

該文對新工科背景下，機(jī)類專業(yè)的“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了深入探討，提出了新的“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程教學(xué)大綱供主講教師參考。使機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)既具有一定的新穎性和前瞻性，又能夠與機(jī)械類的課程體系緊密結(jié)合，難度合適，選材恰當(dāng)，能夠處理好與機(jī)電傳動、自動控制原理、傳感器技術(shù)、計算機(jī)原理等數(shù)十門課程的關(guān)系，能夠承上啟下，有效地提高學(xué)生的機(jī)電系統(tǒng)綜合能力。

參考文獻(xiàn)：

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[3]古今.基于實驗對分的大學(xué)工科課程教學(xué)模式研究——以“機(jī)器人技術(shù)”為例[J].黑龍江教育：高教研究與評估，2019，（8）.