基于自主學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐

蘇 宇，劉海燕

(廣西科技大學(xué)職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，廣西柳州，545000)

一、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)背景

當(dāng)前，我國生產(chǎn)制造業(yè)智能化改造升級(jí)需求日益凸顯，我國已經(jīng)成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)，約占全球市場(chǎng)份額三分之一。我國工業(yè)機(jī)器人密度在2017年達(dá)到97臺(tái)/萬人，預(yù)計(jì)在2021年突破130臺(tái)/萬人。[1]工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化領(lǐng)域多應(yīng)用視覺技術(shù)是指對(duì)工件進(jìn)行識(shí)別分類、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率、節(jié)省人力資源的效果。

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)是一門綜合性較強(qiáng)的課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)問題解決能力以及多學(xué)科知識(shí)綜合應(yīng)用能力等。根據(jù)以往的教學(xué)模式，學(xué)生可對(duì)知識(shí)模塊進(jìn)行分塊項(xiàng)目學(xué)習(xí)，比如可編程控制器(PLC)控制模塊學(xué)習(xí)、機(jī)器人通信模塊、工業(yè)機(jī)器人編程模塊等。這種模式下，學(xué)生雖然能基本完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)流程，但更多的是按照實(shí)驗(yàn)操作步驟進(jìn)行被動(dòng)式學(xué)習(xí)，在綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊、相關(guān)的課程設(shè)計(jì)等整體表現(xiàn)一般，相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用能力、問題解決能力并沒有得到足夠的提升。總結(jié)其原因主要有項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)未能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣、過分強(qiáng)調(diào)模塊化學(xué)習(xí)、忽視學(xué)生對(duì)應(yīng)用技術(shù)的構(gòu)建學(xué)習(xí)等。鑒于此，筆者所在的項(xiàng)目組以機(jī)器人視覺作業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為試點(diǎn)，旨在提高培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)問題的解決能力及綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的硬件平臺(tái)建設(shè)、實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等進(jìn)行設(shè)計(jì)與建設(shè)。

二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)主要思路

本研究打破以往固定的“老師先教，學(xué)生后學(xué)”的模式，以問題解決為導(dǎo)向，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的任務(wù)要求，讓學(xué)生自主進(jìn)行相關(guān)模塊的學(xué)習(xí)，最終完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師要積極引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)需要解決的問題去構(gòu)建相關(guān)的知識(shí)脈絡(luò)，強(qiáng)調(diào)教師的“教”為學(xué)生的“學(xué)”服務(wù)。教師要結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)中的相關(guān)案例，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的趣味性，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成的機(jī)器人作業(yè)內(nèi)容、關(guān)鍵問題、所需的相關(guān)技術(shù)知識(shí)等進(jìn)行分析與提煉，形成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的總體學(xué)習(xí)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、了解相關(guān)的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，確保學(xué)生清楚該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成后工業(yè)機(jī)器人能完成那些作業(yè)，即讓學(xué)生明確“我要解決的問題是什么”和“為解決問題，我需要學(xué)習(xí)哪些知識(shí)”。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可根據(jù)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)并完成實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫來加深對(duì)技術(shù)原理的理解。[2-6]此外，教師要積極利用電子郵箱、線上通信軟件等工具，及時(shí)獲取學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度、效果等反饋信息。

三、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

(一)實(shí)驗(yàn)任務(wù)

工業(yè)機(jī)器人視覺作業(yè)作為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)中的一個(gè)核心模塊，涉及控制模塊、視覺處理、機(jī)器人程序設(shè)計(jì)模塊等內(nèi)容。在工業(yè)應(yīng)用中，工業(yè)機(jī)器人視覺作業(yè)主要利用工業(yè)相機(jī)對(duì)目標(biāo)工件進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集、計(jì)算處理，工業(yè)機(jī)器人則根據(jù)視覺處理結(jié)果完成相應(yīng)的作業(yè)。例如，在工件質(zhì)量檢測(cè)作業(yè)中，通過對(duì)工件表面圖像的分析，工業(yè)機(jī)器人可以對(duì)分析結(jié)果不合格的工件進(jìn)行抓取并搬運(yùn)到指定位置。在產(chǎn)品分揀作業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人可以根據(jù)視覺識(shí)別結(jié)果進(jìn)行分揀抓取。因此，本研究結(jié)合當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人視覺作業(yè)中較為常見的作業(yè)內(nèi)容和學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)，以及學(xué)生在工業(yè)機(jī)器人操作課程中的實(shí)操興趣點(diǎn)，基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的ABB IRB120工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)等設(shè)備設(shè)計(jì)了兩項(xiàng)基本實(shí)驗(yàn)任務(wù)。學(xué)生在完成該兩項(xiàng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，可根據(jù)自己的基礎(chǔ)、興趣以及現(xiàn)有硬件設(shè)計(jì)自己的作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)提升。[7-9]工業(yè)機(jī)器人視覺作業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括兩項(xiàng)基本實(shí)驗(yàn)任務(wù)：第一，工業(yè)機(jī)器人先通過工業(yè)相機(jī)對(duì)不同工件進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)結(jié)果到指定工件位置點(diǎn)拾取工件，完成對(duì)不同工件的碼垛作業(yè)，比如紅色圓形工件按疊層樣式碼，藍(lán)色圓形工件按一字平行樣式碼等，碼垛樣式可自行設(shè)定；第二，工業(yè)機(jī)器人通過工業(yè)相機(jī)對(duì)目標(biāo)工件上的文字識(shí)別結(jié)果，完成所識(shí)別文字的書寫作業(yè)，其中相應(yīng)的文字軌跡點(diǎn)通過離線仿真軟件編程完成。

(二)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與搭建

工業(yè)機(jī)器人視覺作業(yè)系統(tǒng)主要有控制模塊、視覺檢查、工業(yè)機(jī)器人作業(yè)、工件上料模塊，每個(gè)模塊通過工業(yè)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。整個(gè)平臺(tái)主要由工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)、PLC組成。在搭建該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)時(shí)，為讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中更易進(jìn)行作業(yè)控制流程的設(shè)計(jì)、理解工業(yè)機(jī)器人作業(yè)控制系統(tǒng)的原理等，教師加入了可視化的控制界面和相關(guān)視覺處理結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示，增加了人機(jī)界面觸摸屏(HMI)設(shè)備。在設(shè)備通信設(shè)計(jì)上，視覺處理模塊通過Profinet總線與PLC進(jìn)行通信，工業(yè)機(jī)器人與PLC的通信通過網(wǎng)關(guān)解析單元Anybus設(shè)備進(jìn)行連接，為學(xué)生提供了了解、學(xué)習(xí)工業(yè)總線通信的硬件學(xué)習(xí)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖及實(shí)物圖如圖1、圖2所示。

圖1 工業(yè)機(jī)器人視覺作業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)主要組成模塊如下。

1.工件輸送模塊。該模塊主要模擬工業(yè)生產(chǎn)中加工工件的上料及傳送，主要由變頻器、同步齒形帶傳輸帶與鋁型材搭建。工件上料通過氣缸動(dòng)作，在圓形井式料倉有料且接收到控制信號(hào)后執(zhí)行推出工件至傳送帶的動(dòng)作。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中需了解變頻器，學(xué)會(huì)PLC編程，會(huì)設(shè)置變頻器相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)傳送帶速度以及傳輸方向設(shè)定等。

2.視覺檢測(cè)模塊。視覺檢測(cè)模塊的主要設(shè)備是工業(yè)智能相機(jī)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)中采用在傳送帶臺(tái)架中間位置安裝對(duì)射傳感器，能及時(shí)觸發(fā)工業(yè)相機(jī)，可采集工件圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行檢測(cè)處理。學(xué)生在視覺檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中需要根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的外觀特征以及相關(guān)的檢查定位，對(duì)檢查結(jié)果輸出、視覺圖像識(shí)別訓(xùn)練等進(jìn)行視覺軟件的可視化程序設(shè)計(jì)。

3.控制模塊。控制模塊的主要控制單元為PLC可編程控制器，接收相關(guān)傳感器、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、工業(yè)智能相機(jī)檢測(cè)結(jié)果等信息，并根據(jù)設(shè)計(jì)的控制邏輯向機(jī)器人、變頻器、工業(yè)相機(jī)等設(shè)備發(fā)送控制信號(hào)。在該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)生則需根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行作業(yè)工作邏輯，根據(jù)設(shè)定好的工作邏輯需進(jìn)行PLC程序編程，如設(shè)計(jì)梯形圖等，實(shí)現(xiàn)作業(yè)系統(tǒng)中各設(shè)備的正確作業(yè)邏輯運(yùn)作。

4.人機(jī)界面HMI模塊。HMI人機(jī)界面是用于控制指令和顯示相關(guān)信息的可視化界面。在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，學(xué)生可根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)的界面設(shè)計(jì)，如對(duì)機(jī)器人復(fù)位控制指令顯示、料倉有料顯示、視覺檢測(cè)結(jié)果顯示等。

5.總線通信模塊。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，工業(yè)機(jī)器人型號(hào)為ABB IRB120，其內(nèi)置652的通信板卡，使用Devicenet總線進(jìn)行通信。PLC控制模塊設(shè)計(jì)使用的是Profinet總線，需增加Anybus網(wǎng)關(guān)才能實(shí)現(xiàn)不同總線的通信。該實(shí)驗(yàn)?zāi)K要求學(xué)生了解工業(yè)總線的相關(guān)知識(shí)及網(wǎng)絡(luò)配置等。

6.工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人作為視覺作業(yè)完成的執(zhí)行器，需要學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)完成相關(guān)的程序編程，包括現(xiàn)場(chǎng)及離線仿真編程等，以完成軌跡和位置點(diǎn)的計(jì)算、信號(hào)指令的編寫等。

(三)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容框架設(shè)計(jì)

學(xué)生的積極性對(duì)自主學(xué)習(xí)的效果起著非常關(guān)鍵的作用。因此，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要能夠幫助學(xué)生更輕松地了解學(xué)習(xí)內(nèi)容框架，清楚完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中，可根據(jù)自己的基礎(chǔ)知識(shí)、學(xué)習(xí)風(fēng)格，構(gòu)建自己的“知識(shí)路網(wǎng)”。為確定學(xué)生為“自己理解、掌握”而學(xué)，而不是“為教師學(xué)”的學(xué)習(xí)理念，具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自行設(shè)計(jì)、完成。因此，圍繞實(shí)驗(yàn)任務(wù)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)層次，項(xiàng)目組根據(jù)3個(gè)層次多模塊內(nèi)容的方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容框架設(shè)計(jì)。[6-7]

1.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要的知識(shí)內(nèi)容模塊

(1)變頻器應(yīng)用技術(shù)。學(xué)生需要了解變頻器的組成、工作原理、用途，掌握變頻器的接線、參數(shù)設(shè)置等，完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工件輸送模塊中傳送帶的啟停、運(yùn)行方向設(shè)置、速度設(shè)定實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。

(2)常見傳感器應(yīng)用技術(shù)。學(xué)生需要了解常見的傳感器及其工作原理，掌握本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中用到的傳感器的接線、應(yīng)用技術(shù)。

(3)工業(yè)相機(jī)視覺檢測(cè)軟件的應(yīng)用技術(shù)。學(xué)生需要了解工業(yè)相機(jī)的種類、特點(diǎn)，掌握本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的工業(yè)相機(jī)檢測(cè)軟件的常見檢測(cè)方法的特點(diǎn)及用途等，能夠完成在實(shí)驗(yàn)中對(duì)工件的定位、顏色、圖像特征等檢測(cè)的模型訓(xùn)練及相關(guān)設(shè)置。

(4)可編程控制器PLC及接觸屏HMI應(yīng)用技術(shù)。可編程控制器PLC課程是教授工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)課程前的必修課程。在本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容模塊中，學(xué)生重點(diǎn)掌握PLC、HMI接線、通信設(shè)置，熟練掌握可編程控制器PLC、接觸屏HMI的控制邏輯設(shè)計(jì)、編程等，完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中接觸屏HMI的界面設(shè)計(jì)、可編程控制器PLC相關(guān)的梯形圖編程等。

(5)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)模塊是本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生需要掌握本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的工業(yè)機(jī)器人的具體操作方法，包括示教器的使用、工業(yè)機(jī)器人程序編程、仿真軟件的離線編程、仿真設(shè)計(jì)等，完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中機(jī)器人對(duì)工件的抓取、碼垛等。

2.綜合實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容模塊

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)屬于跨學(xué)科的應(yīng)用技術(shù)，對(duì)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)是該課程的核心目標(biāo)，綜合實(shí)驗(yàn)任務(wù)也是本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。項(xiàng)目組通過設(shè)計(jì)兩個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生完成兩個(gè)有趣的機(jī)器人作業(yè)任務(wù)主動(dòng)去了解、學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容，并自行設(shè)計(jì)、完成每個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)而完成兩個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的綜合實(shí)驗(yàn)。在設(shè)計(jì)兩個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師并未指定工業(yè)機(jī)器人完成碼垛樣式、寫字樣式，學(xué)生可根據(jù)兩個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，根據(jù)自己的愛好及平臺(tái)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

在設(shè)計(jì)、完成綜合實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生可對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展、改造和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)更多有趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，完成更復(fù)雜的任務(wù)。這一層次主要由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師幫助他們分析難點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)。[10]我們發(fā)現(xiàn)，在完成綜合實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生在成就感的刺激下對(duì)設(shè)計(jì)出更有趣、更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)任務(wù)表現(xiàn)出了極大的興趣，甚至對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不足提出了建議。借此，我們應(yīng)該積極引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)自己的研究課題，參加各類創(chuàng)新大賽，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。如圖3，學(xué)生提出了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)器人末端手抓改進(jìn)想法，并最終設(shè)計(jì)完成柔性手抓。

圖3 學(xué)生設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端手抓

四、結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人視覺作業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)以實(shí)驗(yàn)任務(wù)帶動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)相關(guān)的知識(shí)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)，旨在改善以教為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式中學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、教師教學(xué)效果一般的狀況。學(xué)生積極參與到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)中，可以培養(yǎng)他們對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的綜合應(yīng)用能力，進(jìn)而帶動(dòng)學(xué)生創(chuàng)新能力的提高。

在近兩年的實(shí)踐中，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性有明顯的提高，體現(xiàn)在預(yù)約開放實(shí)驗(yàn)人數(shù)/時(shí)數(shù)增多、學(xué)生參加工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的大賽項(xiàng)目大幅增加，獲獎(jiǎng)人次也顯著增多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，開放實(shí)驗(yàn)人數(shù)/時(shí)數(shù)約1000人/時(shí)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的項(xiàng)目、參賽，如“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”“全國機(jī)械行業(yè)職業(yè)技能競(jìng)賽”等共24項(xiàng)，全國類賽事獲獎(jiǎng)5項(xiàng)。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)也促使教師積極投入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)中，對(duì)開發(fā)出更適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，起到了很好的“以點(diǎn)帶面”的教學(xué)改革促進(jìn)作用。