虛實結合的工業機器人實驗室建設探索與實踐*

張 姣

（重慶移通學院智能工程學院，重慶 401520）

傳統制造業人才培養以單一設備操作、控制為主，不能滿足智能制造產業對創新型、復合型人才的需求。為適應制造業產業升級，推動智能制造產業發展，迫切需要為國家培養工業機器人應用型人才。

工業機器人是多學科交叉融合的產物，實踐性強，對學生的動手能力、創新能力要求高。因此，實驗室建設與管理成為機器人工程專業建設的重點工作。

1 機器人工程專業的人才培養目標及現狀

為適應智能制造產業發展，需培養具備從事工業機器人、智能制造領域工作的專業技能人才，能在工業機器人、智能制造等相關領域從事工程設計、技術開發、系統集成、運行維護與管理、技術支持與服務等方面的工作，富有較強的創新精神、團隊協作和溝通能力的高素質復合型人才。

只有通過設備的實際操作訓練，在貼近真實工作環境的實訓場景中進行實戰，才能培養契合企業發展需求的高素質人才。但工業機器人實驗設備昂貴，且占地面積大，部分本科高校因經費、實驗室建設場地限制等因素，難以購置足夠數量的工業機器人實驗實訓設備，導致機器人工程專業學生的實踐教學條件受到限制。課堂上多名學生共用一套實驗實訓設施，導致學生課上獨立操作實訓設備的時間較短，進而造成學生對設備及其操作過程不熟悉，降低了教學效果[1]。

2 校企共建工業機器人實驗室

2.1 虛實結合，校企合作共建

實驗室是高校開展實驗教學、實現高校素質教育和學生創新創業的主要場所[1]。重慶移通學院建設工業機器人實驗室除了能夠滿足機器人工程專業“工業機器人仿真技術”“工業機器人編程與應用”和“機器人視覺與檢測技術”等課程的實踐教學；滿足“機器人綜合設計”“機器人機械基礎與機構學課程設計”“機器人控制系統設計”等集中實踐環節的需求；還需要滿足該院校企合作特色班“智能制造工程師班”對智能制造項目實踐、工程工藝項目實踐、機械制造項目實踐、工程應用實踐的需求；該實驗室還能開展其他專業畢業實習、畢業設計的部分實踐內容。該實驗室作為創新創業人才培養的平臺之一，還要滿足學生參加學科競賽、創新創業等活動的需求。綜合上述因素，重慶移通學院采用虛實結合、校企合作共建的方式，建設工業機器人實驗室。結合企業崗位需求、專業發展、課程建設，校企共同完成實驗室建設方案。既滿足企業的人才需求，又符合學生實踐能力培養的需要。

2.2 工業機器人實驗室架構

依據虛實結合、校企共建的指導思想，構建工業機器人實驗室架構。實驗室由“虛”“實”兩部分組成，“虛”指的是工業機器人虛擬仿真實驗室，“實”指的是智能制造創新實踐中心。“虛實結合”實現從基礎知識掌握、技能鍛煉到綜合應用的層層遞進。校企共建的方式有利于企業為專業建設、實踐能力培養、技術更新、師資實踐能力提升提供支持；有利于智能制造產業人才培養，服務當地經濟發展；有利于根據企業生產格局合理布置實驗室設備；有利于學校合理使用現有資源[2]。

2.3 工業機器人虛擬仿真實驗室建設

工業機器人虛擬仿真實驗室可為學生工業機器人離線編程實踐提供平臺，讓學生在虛擬環境中對生產過程的各元素、環節及整個過程進行合理配置，該方式更經濟、有效，降低了設備的投資風險，成為工業機器人應用發展的趨勢。

為了對現有資源充分利用，對原3D打印實驗室的電腦進行升級，保留3D打印機，給電腦加裝35套正版InteRobot仿真軟件、三維建模軟件、MATLAB仿真軟件、數控機床仿真軟件等常用教學軟件。InteRobot仿真軟件自帶機器人庫、模型庫，可根據需要選擇機器人型號，進行應用實例的仿真。還可結合三維軟件完成建模及模型的導入。自主設計虛擬柔性制造生產線，并進行仿真，培養創新能力[3]。

2.4 建設智能制造創新中心

智能制造創新實踐中心由1條智能制造生產線、1個數控加工生產實訓區、6套機器人拆裝及控制工作站構成。

智能制造生產線主要由智能倉庫單元、AGV物料單元、機械加工單元、機器人鐳雕單元、機器人裝配單元、機器人自動擰釘單元、機器人視覺檢測單元、自動輸送線單元、PLC總控系統單元、信息化管理系統單元構成。可完成加工、鐳雕、裝配、擰釘、視覺檢測、上下料等。

數控加工生產實訓區由3臺數控車床構成，可滿足學生數控編程、加工、裝配的實操訓練，還能夠滿足學科競賽、創新創業比賽的加工需求。

機器人拆裝及控制工作站由可拆裝式機械本體、操作實訓平臺、多功能夾具、軌跡描繪、碼垛、搬運等實訓組件組成。可進行機器人本體結構、驅動系統、控制系統的認知以及本體拆裝、夾具安調。還能實現工業機器人軌跡描繪、棒料搬運、工件碼垛等典型應用案例的示教編程。

通過虛實結合的實驗室建設方式，可以利用有限的資源，為每一位學生提供實訓機會。通過InteRobot仿真軟件，可以進行機器人庫管理、工具庫管理、加工方式選擇、加工路徑規劃、運動學求解、機器人選解、控制參數設置、防碰撞和干涉檢查、運動學仿真等操作。通過數控機床仿真軟件，學生可以熟悉數控機床的操作、注意事項，保證了學生的安全性且隨時可以學習，非常方便。在此基礎上，學生進行硬件設備的操作，在貼近企業真實工作環境下進行實踐，可以鍛煉應用能力和創新能力。

3 工業機器人實訓教學方法改革

工業機器人技術性、實用性很強，如果不動手操作實際設備，一切都是紙上談兵。因此，要對傳統的教學方法進行改革，工業機器人實訓課程采用理論講解、虛擬仿真、實踐操作相結合的“虛實一體化”教學模式。在實訓環節，采用學生為主、老師為輔的教學理念。

實訓課程采用線上線下混合式教學方法，在學習通上建設線上教學資源，包括課件、機器人本體拆裝視頻、空氣壓縮機及儲氣罐的排氣視頻、智能制造生產線的備妥視頻和補充資料等學習資源，實現課前教學資源、項目任務下發，學生提前預習。課中采用分組實訓強化學習，課下進行總結，線上答疑和互動。采用線上和線下相融合的方式，提高了老師的課堂效率與教學質量，同時學生能夠實現在學中做，在做中學，強化理論學習的同時，鍛煉了學生的實踐動手能力。采用虛實結合的實訓模式，有助于解決學生數量多與實訓設備不足的矛盾，大大提高實訓教學效率。

4 工業機器人師資隊伍建設

工業機器人“理實一體化”的教學方式對教師提出更高的要求，要求教師既要懂理論又要會操作。為了適應師資隊伍建設需要，學院為傳統理論教學的教師制訂了“雙師型教師”培訓計劃，以提高教師的動手實踐水平。

此外，為了充分利用實驗室資源，抽調專職教師并聘請部分企業兼職教師，形成主輔交叉、校企混編的教師隊伍。學校專職教師完成機器人的理論教學和部分實踐教學。企業兼職教師輔助學校教師完成綜合設計、畢業實習、畢業設計等復雜、綜合性強的實踐教學環節，進行復合型人才培養，同時為學校教師的實踐能力培養提供指導。

5 其他問題

5.1 做好實驗室安全管理

做好實驗室安全管理工作，是保障高校實踐教學順利開展的前提，是培養高素質創新型人才的戰略需求，是創建平安和諧校園的重要基礎[4]。要加強實驗室安全管理制度建設，有效組織安全培訓，增加實驗室教師及學生的安全意識。加強安全檢查、安全提醒，明確責任人。及時更新和完善實驗室安全設施，安放滅火器、煙霧報警器，實驗室內還要配備視頻監控，以便及時發現問題。

5.2 做好實驗室開放工作

工業機器人實驗室僅面向特定專業的學生開放，依附于相關課程在指定時間內完成實訓內容，存在面向對象范圍過窄、實訓內容單一、開放時間短等問題[5]。造成實驗室產出效益較低，實驗設備利用率不高，導致實驗室不能有效地支撐人才培養[6]。實驗室的使用效率和開放力度既是對實驗室建設完成后的評估指標，也是實驗室管理的重要環節。積極探索實驗室開放體系，優化實驗教學質量管理和實驗室績效考核，規范管理，嚴格考核，為培養學生的實踐操作能力和創新能力提供良好的保障[7]。

6 結語

實驗室是學生實踐能力、創新能力培養的重要平臺。采用虛實結合、校企共建的方式，完成工業機器人仿真實驗室和智能制造創新實踐中心建設。并進行實訓教學改革，探索實驗室安全管理和開放，使之成為創新人才培養的主陣地。