KUKA本體的工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)案例庫(kù)建設(shè)探索與研究*

李光宇 ，范 鈞 ，張 錦 ，葛海浪 ，李守軍

（宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

隨著工業(yè)機(jī)器人在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，相關(guān)專(zhuān)業(yè)的人才需求也在快速增長(zhǎng)，根據(jù)《中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》數(shù)據(jù)，2020年中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)人才缺口已達(dá)300萬(wàn)，隨著機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)在本科院校的全面鋪開(kāi)，可以有效緩解該問(wèn)題。但如何不斷提高該專(zhuān)業(yè)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，讓他們更符合企業(yè)的需要，是專(zhuān)業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)發(fā)展的方向與目標(biāo)。

1 工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)存在的主要問(wèn)題

工業(yè)機(jī)器人作為目前機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)與其他機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修課之一，其實(shí)踐教學(xué)主要存在以下問(wèn)題。

1.1 教學(xué)內(nèi)容過(guò)于理論化

實(shí)踐課程是鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力和生產(chǎn)實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，但是實(shí)踐課程內(nèi)容設(shè)置往往會(huì)傾向理論化，類(lèi)似于說(shuō)明書(shū)的照本宣科，缺少應(yīng)用背景，不能滿(mǎn)足企業(yè)實(shí)際應(yīng)用對(duì)人才的需求。

1.2 實(shí)踐教學(xué)資源不足

教學(xué)中使用的案例大多以知識(shí)驗(yàn)證為主，缺乏應(yīng)用背景案例，且數(shù)量不足，課堂教學(xué)內(nèi)容陳舊，更新滯后。

1.3 缺乏對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)

目前，教學(xué)大多仍以老師講、學(xué)生聽(tīng)、聽(tīng)完做實(shí)驗(yàn)這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式為主，無(wú)法吸引學(xué)生。學(xué)生課堂缺少自主思考、自主創(chuàng)新的空間。

2 案例教學(xué)與案例庫(kù)建設(shè)目標(biāo)

2.1 案例教學(xué)與應(yīng)用

案例教學(xué)是將教學(xué)內(nèi)容以案例的形式運(yùn)用到課堂教學(xué)活動(dòng)中，通過(guò)剖析案例，按照相應(yīng)知識(shí)體系認(rèn)知過(guò)程來(lái)引導(dǎo)學(xué)生，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的認(rèn)識(shí)[1]。案例教學(xué)法在機(jī)器人教學(xué)上應(yīng)用廣泛，陳曉江等結(jié)合專(zhuān)業(yè)主干課程開(kāi)發(fā)出機(jī)器人應(yīng)用案例庫(kù)，有效提高了學(xué)生理論分析能力與應(yīng)用編程能力[2]。顧繼俊在機(jī)器人技術(shù)課堂教學(xué)采用研討式案例教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[3]。李尚榮等在某型足球機(jī)器人平臺(tái)上設(shè)計(jì)了教學(xué)案例，提高了實(shí)踐教學(xué)效果[4]。趙玉俠等以學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣為切入點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字案例來(lái)探討機(jī)器人編程[5]。隋欣采用ABB機(jī)器人仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)了離線(xiàn)編程案例，解決了設(shè)備臺(tái)套不足等問(wèn)題[6]。謝勝龍等設(shè)計(jì)基于下肢康復(fù)機(jī)器人的機(jī)電一體化系統(tǒng)，在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)教學(xué)案例，提高了學(xué)生工程意識(shí)和對(duì)復(fù)雜工程的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力[7]。諸多教學(xué)案例成功應(yīng)用于機(jī)器人相關(guān)課程教學(xué)，充分說(shuō)明了案例教學(xué)效果顯著，對(duì)提高學(xué)生相關(guān)綜合能力效果顯著。

2.2 案例庫(kù)建設(shè)目標(biāo)

工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)案例庫(kù)的建設(shè)將以人才培養(yǎng)方案和大綱為依據(jù)，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容的各章節(jié)重要程度及相互關(guān)系，結(jié)合專(zhuān)業(yè)教師研究課題以及企業(yè)需求，確定該案例庫(kù)框架架構(gòu)。案例庫(kù)案例分為基礎(chǔ)案例、拓展案例以及虛擬仿真案例三類(lèi)，以基礎(chǔ)案例與拓展案例為主體。基礎(chǔ)案例主要針對(duì)課程基礎(chǔ)理論設(shè)置，是要求學(xué)生學(xué)習(xí)案例之前必須掌握的內(nèi)容，該部分案例主要將理論知識(shí)以實(shí)際案例的形式展現(xiàn)，讓學(xué)生親自動(dòng)手進(jìn)行編程調(diào)試。拓展案例具有一定難度，將進(jìn)一步提高學(xué)生知識(shí)應(yīng)用水平和實(shí)踐能力，該部分案例給出需要實(shí)現(xiàn)的功能要求，讓學(xué)生自己查閱相關(guān)資料，構(gòu)思案例實(shí)施方案，并最終實(shí)現(xiàn)功能要求，并進(jìn)行相互評(píng)比。

工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)案例庫(kù)建設(shè)主要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：1）建成工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的精品案例庫(kù)，根據(jù)工業(yè)機(jī)器人課程內(nèi)容和企業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求，開(kāi)發(fā)建設(shè)涵蓋工業(yè)機(jī)器人課程主要知識(shí)點(diǎn)的實(shí)踐教學(xué)案例庫(kù)，案例要實(shí)現(xiàn)精品化和企業(yè)化。2）形成一套能長(zhǎng)期執(zhí)行且行之有效的案例實(shí)施方案。開(kāi)展案例庫(kù)實(shí)施方法研究，解決目前實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題，如重講解和演示、輕動(dòng)手的現(xiàn)象。3）提升學(xué)生工程素養(yǎng)和綜合能力。通過(guò)精品化和企業(yè)化案例庫(kù)的實(shí)施，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和精益求精的工匠精神。

3 案例庫(kù)方案設(shè)計(jì)

3.1 案例庫(kù)框架設(shè)計(jì)

案例庫(kù)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。案例庫(kù)建設(shè)主要分為基礎(chǔ)案例與拓展案例兩種，包含8個(gè)主要案例。基礎(chǔ)案例包括描繪、打磨、搬運(yùn)，以基礎(chǔ)指令訓(xùn)練為主，難度較低。拓展案例包括碼垛、焊接、裝配，拓展案例有一定難度，是對(duì)基礎(chǔ)案例的知識(shí)的融合與加深。另外還有兩個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例，在機(jī)房完成，可以作為學(xué)生的選做案例。

圖1 案例庫(kù)框架圖

3.2 基礎(chǔ)案例

基礎(chǔ)案例較為簡(jiǎn)單，以基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)指令編程為主，包括描繪案例、搬運(yùn)案例與打磨案例。描繪案例是對(duì)ptp、lin、circ三個(gè)基本運(yùn)動(dòng)指令的訓(xùn)練，可進(jìn)行圓、直線(xiàn)、曲線(xiàn)等軌跡的描繪練習(xí)，該案例是所有案例中最基礎(chǔ)的案例。搬運(yùn)案例是機(jī)器人通過(guò)吸盤(pán)工具按要求對(duì)物件進(jìn)行分類(lèi)擺放，此案例除對(duì)三個(gè)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行訓(xùn)練外，增加了wait和out輸出端用來(lái)預(yù)留吸盤(pán)工具吸取時(shí)間和吸盤(pán)工具控制。打磨案例機(jī)器人通過(guò)I/O和以太網(wǎng)與PLC進(jìn)行信息交互，在搬運(yùn)案例各個(gè)指令訓(xùn)練基礎(chǔ)上增加了in指令，開(kāi)始打磨之前，PLC需開(kāi)啟打砂帶旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人通過(guò)in指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3 拓展案例

拓展案例綜合了所有基礎(chǔ)案例基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)并在此基礎(chǔ)上加入判斷、循環(huán)、子程序調(diào)用等，更具有綜合性與設(shè)計(jì)性，主要包括碼垛案例、裝配案例與焊接案例。碼垛案例能練習(xí)對(duì)工業(yè)機(jī)器人碼垛的理解和編程示教的強(qiáng)化訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)多種垛型，拓展知識(shí)點(diǎn)有l(wèi)oop循環(huán)使用、for循環(huán)使用等。裝配案例是用于有一定裝配順序的零件裝配，裝配完成后完成成品入庫(kù)，拓展知識(shí)點(diǎn)有switch與if的應(yīng)用。焊接案例是適配外圍控制器套件、標(biāo)準(zhǔn)電氣接口套件及焊槍快換，可實(shí)現(xiàn)模擬工業(yè)焊接訓(xùn)練，拓展知識(shí)點(diǎn)有switch指令、if指令與for指令等。

另外還有工業(yè)機(jī)器人模擬拆裝與機(jī)器人Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，作為備選實(shí)驗(yàn)，供學(xué)有余力的學(xué)生選做。

3.4 實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

本案例庫(kù)是在某KUKA機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上構(gòu)建的，如圖2所示，中間黑色區(qū)域?yàn)闄C(jī)器人移動(dòng)滑軌。區(qū)域⑦為工具快換區(qū)域，主要包括吸盤(pán)工具、夾爪工具、描筆工具、焊接工具與磨棒工具，KUKA機(jī)器人在執(zhí)行不同案例時(shí)需要切換不同的工具，有的案例完成需要切換幾種不同工具。描繪案例在區(qū)域①位置完成，使用描繪工具根據(jù)平臺(tái)上已有的線(xiàn)條進(jìn)行描繪，搬運(yùn)案例在區(qū)域②完成，使用吸盤(pán)工具將物塊搬運(yùn)到右側(cè)空區(qū)域。打磨案例在區(qū)域④位置完成，機(jī)器人通過(guò)夾爪工具將一立方體工件運(yùn)送到④區(qū)域，電機(jī)驅(qū)動(dòng)砂帶高速轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人將需要打磨的面與砂帶接觸來(lái)進(jìn)行打磨，通過(guò)變換不同姿態(tài)來(lái)打磨不同的面。焊接案例在區(qū)域③完成，機(jī)器人通過(guò)焊槍工具來(lái)焊接平臺(tái)上方立方體工件的內(nèi)側(cè)，工件需要通過(guò)步進(jìn)電機(jī)來(lái)變換平臺(tái)上工件姿態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接，焊接完成后，機(jī)器人需要換磨棒工具對(duì)焊縫進(jìn)行打磨。碼垛案例也是在區(qū)域②位置完成，是對(duì)搬運(yùn)案例加深學(xué)習(xí)。裝配案例在區(qū)域⑤處進(jìn)行，裝備零件如圖3所示，主要使用吸盤(pán)與夾爪兩種工具來(lái)實(shí)現(xiàn)裝配，裝配完成后放入倉(cāng)儲(chǔ)平臺(tái)⑧。

圖2 KUKA機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖3 裝配零件圖

4 案例庫(kù)實(shí)施過(guò)程

案例以實(shí)驗(yàn)室的工業(yè)機(jī)器人為對(duì)象，用企業(yè)中機(jī)器人實(shí)際工作案例，切實(shí)提高學(xué)生工程實(shí)踐能力。案例開(kāi)始前可先布置預(yù)習(xí)任務(wù)，然后介紹案例目標(biāo)，并提出案例要求，案例的實(shí)施將由學(xué)生為主導(dǎo)，指導(dǎo)老師輔助完成，學(xué)生每5～10人為一個(gè)小組，組內(nèi)各成員先討論實(shí)現(xiàn)方案，分工完成案例要求。最終將在課堂上公開(kāi)演示、討論各組的案例實(shí)施效果，提升師生互動(dòng)性。

基礎(chǔ)案例主要針對(duì)課程基礎(chǔ)理論設(shè)置，是要求學(xué)生學(xué)習(xí)案例之前必須掌握的內(nèi)容，該部分案例主要將基礎(chǔ)指令以實(shí)際案例的形式展現(xiàn)，讓學(xué)生親自動(dòng)手進(jìn)行編程調(diào)試。基礎(chǔ)案例每組學(xué)生選做1～2個(gè)，根據(jù)進(jìn)度與時(shí)間靈活調(diào)整。

拓展案例均具有一定難度，主要是針對(duì)有興趣繼續(xù)挑戰(zhàn)的同學(xué)設(shè)置，以進(jìn)一步提高其知識(shí)面和實(shí)踐能力，該部分案例給出需要實(shí)現(xiàn)的功能要求，讓學(xué)生查閱相關(guān)資料，構(gòu)思案例實(shí)施方案，并最終實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能要求，并進(jìn)行相互評(píng)比。拓展案例每組最少選做1個(gè)。

案例庫(kù)在實(shí)施過(guò)程中還要不斷地改進(jìn)與完善，學(xué)生完成案例后教師需對(duì)案例完成效果進(jìn)行評(píng)估，對(duì)于完成效果不夠理想的案例要分析原因，并與學(xué)生進(jìn)行討論，了解學(xué)生對(duì)案例學(xué)習(xí)困難點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上來(lái)改進(jìn)教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容。

5 案例庫(kù)實(shí)施效果反饋

通過(guò)在宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院一學(xué)年對(duì)機(jī)電一體化與自動(dòng)化兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情有了明顯的提高，分組后討論熱烈，教師答疑頻次明顯高于之前的教學(xué)，實(shí)驗(yàn)完成的效果上也明顯好于之前，具體提升體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）對(duì)原有實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行篩選、整理與擴(kuò)充，將原本理論化、說(shuō)明書(shū)化的知識(shí)穿插到實(shí)際應(yīng)用案例中，將抽象模糊的知識(shí)實(shí)例化，更有利于學(xué)生掌握。

2）通過(guò)案例庫(kù)教學(xué)的實(shí)施，學(xué)生分組后可以自主選擇學(xué)習(xí)的案例，有效地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)思想。在小組內(nèi)的研討與分工也提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

3）提升了學(xué)生的動(dòng)手能力，在案例的教學(xué)過(guò)程中，每個(gè)教學(xué)單元都需要學(xué)生親自完成案例，鍛煉了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，完成案例的過(guò)程也讓學(xué)生獲取到了實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，提高了工程實(shí)踐能力。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)容易走入重理論講解輕實(shí)踐應(yīng)用的誤區(qū)，造成學(xué)習(xí)內(nèi)容枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性低，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，將案例庫(kù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)并調(diào)整相應(yīng)的知識(shí)體系與教學(xué)手段可以有效解決這些問(wèn)題。案例庫(kù)建設(shè)不能一蹴而就，是一個(gè)長(zhǎng)期的、不斷完善的過(guò)程，后期的案例庫(kù)建設(shè)計(jì)劃向兩個(gè)方向進(jìn)行完善。一是要深入企業(yè)，開(kāi)展校企合作，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際來(lái)對(duì)目前的案例庫(kù)進(jìn)行修改、補(bǔ)充。二是針對(duì)目前的一些大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目，如第四屆中國(guó)高校智能機(jī)器人創(chuàng)意大賽的俄羅斯方塊項(xiàng)目，用這些項(xiàng)目來(lái)擴(kuò)充案例庫(kù)。在教學(xué)的同時(shí)還可以進(jìn)行競(jìng)賽隊(duì)員選拔，組隊(duì)去參加這些比賽，達(dá)到以賽促學(xué)、以賽代練的目的。