高職院校工業機器人編程課程開展探索

姜 偉 張紅生

1.揚州市職業大學 江蘇揚州 225000;2.江蘇旅游職業學院 江蘇揚州 225000

1 概述

工業機器人是智能制造業最具代表性的裝備,集加工精密化、柔性化、智能化、數字化等先進制造技術為一體,在生產過程中進行檢測、控制、優化、調度、管理及決策,進而增加產量、提高質量、降低成本、減少能源消耗及環境污染,是工業自動化生產的最高體現。在“中國制造2025”發展的今天,制造業中工業機器人的應用已成為不可或缺的一部分[1]。

近年來,全球對工業機器人的需求明顯加快。從市場規模來看,2013—2018年全球工業機器人市場規模一直處于穩步上升趨勢。我國在2014年就已經成為全球最大的工業機器人消費國[2],預計未來幾年甚至十幾年,我國機器人市場會需求越來越大。面對工業機器人如此大規模地被需求,我國迫切需要培養工業機器人方向的應用技術人才,以應對中國制造產業技術進步和產業升級帶來的應用技術人才的大量需求。

工業機器人作為一門課程或一個專業,在很多高職院校已經開設和創辦[3-5],針對高職學生的工業機器人相關教學,要根據學生的具體情況,根據現有教學資源的具體情況針對性地開展課程,這樣才能提升教學效果,讓學生能夠學有所得。

本文分析了目前工業機器人編程課程開展中可能遇到的三類問題:(1)學生基礎薄弱,對課程興趣小;(2)教學資源不足;(3)學生對實踐安全不重視。

針對課程開展中可能遇到的這三類問題,本文也一一提出相應的解決方案以供借鑒:(1)通過優化課程體系,改善教學方法,降低學生理解的難度,提高學生上課的興趣,進而提升教學的效果。(2)通過使用虛擬仿真軟件、改造現有機器人、分批次分階段教學三種方法,有效解決教學資源不足的問題。(3)對授課過程全過程進行分析,找出有安全隱患的環節,取消工業機器人示教的實踐,改為教師演示或在虛擬仿真工作站中練習示教,既讓學生熟悉了工業機器人的示教操作,也大大降低了實踐中可能出現的安全風險。

2 高職院校工業機器人教學中存在的問題

2.1 學生基礎薄弱,課程理解困難

工業機器人編程實踐需要學生在學習本課程前有一定的計算機編程基礎。另外,學生在編程實踐前,還需要掌握工業機器人系統組成、工業機器人控制基礎等相關知識。如果沒有學習過相關知識,就很難理解工業機器人編程的特點。但如果教師為了給學生打好基礎,講解過多的理論內容,學生對課程失去興趣,對于后續的實踐課程更加不利。

2.2 教學資源不足

工業機器人采購成本比較高,大部分學校一般都是采購幾臺工業機器人用于學生實踐。對于人數較多的班級,在學生實踐的環節,往往六七個學生共用一臺機器人,甚至機器人數量少的情況下,10多個學生輪流使用一臺機器人,這大大影響了課程的效率。為了提升實踐教學的效率,教師不得不給學生們演示工業機器人的操作過程,將實訓課程變為理論課程,甚至部分學校的生源較多,幾個班級共用有限的實踐教學資源。學生真正動手少之又少,這阻礙了高校工業機器人專業的順利發展,時間一長,學生對于這種形式化的“實踐課程”開始不感興趣,實踐課程最終流于形式,失去了真正的意義[6-7]。

此外,很多高校購買工業機器人設備時一般都是購買某條具體的工業機器人生產線,比如本校采購的簡易汽車生產線(見圖1),主要由3臺ABB 120系列機器人和其他附加裝置組成。各工業機器人上安裝的工具大多不同,所以各工業機器人能完成的任務也不相同。在高職學生實踐教學環節中,工業機器人數量本來就少,如果各工業機器人功能不同,在完成某個具體項目實踐時(比如碼垛實踐項目),學生可用的工業機器人將會更少。

2.3 學生對實踐安全不夠重視

工業機器人即使運行在手動模式下,運行速度對于學生來說也不慢,而且一般6kg負載以上的機械臂都很重并且力度很大。機器人運行過程中如果和人發生碰撞會發生較大危險。即使可以預測運動軌跡,但外部信號有可能改變操作,會在沒有任何警告的情況下,產生料想不到的運動。并且,所有的運動都會產生很大的力量,從而嚴重傷害人身安全或損壞機器人工作范圍內的任何設備。

學生原本就對工業機器人實踐過程的風險不夠了解,如果上課過程中對老師講解的操作機器人注意事項不夠重視的話,會導致操作機器人過程中發生各種錯誤操作,導致機器人發生碰撞,如果學生誤闖入機器人工作空間內,還可能會引發更嚴重的人身安全問題。

3 有效提高工業機器人課程教學效果的措施

3.1 優化課程體系,改善教學方法

3.1.1 理實一體化教學

在高職工業機器人編程教學中,要合理安排理論課與實踐課的教學內容。理論課內容要服務于編程實踐。理論講解的內容是為了讓學生更好地理解工業機器人編程實踐,與工業機器人編程無關的理論內容盡量少講。比如工業機器人的系統組成、工業機器人的應用等內容,可以做簡單介紹,有助于學生對工業機器人有初步的認知,但切忌長篇大論地講解,避免理論內容過多,導致學生對課程失去興趣,反而影響更重要的編程實踐內容。理論和實踐各占比50%相對合理,可以根據具體班級情況,再酌情減少理論內容,增加實踐內容。

3.1.2 項目化課程開展

工業機器人編程課程內容分為編程理論和編程實踐兩部分。項目化課程開展可以根據具體的課時量,設計合理的實踐項目數量。比如40個課時的課程,可以根據學生的學習情況安排4～5個實踐項目,這4～5個實踐項目難度由易到難。以作者目前開設的課程為例,40個課時的課程主要包括:(1)手動控制實踐項目;(2)搬運實踐項目;(3)簡單碼垛實踐項目;(4)復雜碼垛實踐項目;(5)激光雕刻實踐項目。所有實踐項目都包括RobotStudio軟件仿真和機器人實踐,授課老師根據課時量和其他方面的因素可以酌情刪減或者增加項目的數量。理論講解的內容可以根據實踐項目的具體需要逐步深入講解,比如編程用到的指令,理論部分可以只講項目需要用到的編程指令,暫時不需要用到的指令可以等后面更復雜的項目需要用到時再講。如果在編程實踐前,就把所有的編程理論全部講完,大段的理論內容講解會導致學生失去課程興趣,到后面編程實踐時,很多學生對先前講解的理論內容掌握并不熟練,自然也無法實踐。相反,如果根據項目具體需求講解對應的理論部分相關知識點,學生學起來也會更加容易,實踐編程時出現的問題也會比較少。

同時,因為實踐項目由易到難,學生通過剛開始的簡單項目收獲信心,也會對后續課程產生興趣,對后續難度更大的項目實踐也會更加投入,進而獲得較好的學習效果。

3.2 教學資源不足問題的解決

3.2.1 充分利用工業機器人仿真軟件工具

多個品牌的工業機器人都有相應的仿真軟件,比如ABB機器人的RobotStudio軟件、KUKA機器人的KUKA Sim Pro軟件[8]。充分利用仿真軟件,讓學生錯開使用工業機器人,能大大緩解教學資源不足的問題。仿真軟件在教學過程中主要可以用于以下兩個方面:

熟悉示教器的操作:虛擬仿真軟件里的示教器和真實的示教器功能基本相同。如果工業機器人資源有限,可以讓部分學生先通過虛擬示教器來熟悉機器人的控制。

完成程序驗證:大部分學生編寫完的程序或多或少有一定的問題,畢竟學生是初學編程且基礎較差。如果直接把編寫完成的程序導入機器人系統運行調試,那么很可能出現各種各樣的問題,嚴重的還會導致機器人發生碰撞,造成機器人的損壞。在程序編寫完成后,可以先用這些仿真軟件模擬運行,看機器人在虛擬工作站中運行的軌跡是否正常,如果有問題,可以分析軌跡,并修改程序。沒有問題后再導入真實工業機器人上去調試,這樣可以在很大程度上避免調試過程中因為程序錯誤帶來的問題,大大減少每位學生調試程序用到的時間,充分利用現有的工業機器人資源。

3.2.2 對現有機器人加以改造

教師可以根據實踐課程具體項目設計多個機器人外部工具,這樣可以解決機器人外部工具不統一的情況,提高機器人使用率。如果可以的話,最好把這些工具集成到一起,然后安裝到機器人法蘭盤上,這樣可以減少課程開展過程中頻繁更換機器人外部工具的次數。

3.2.3 分批次分階段教學

如果對現有生產線改造困難的話,也可以選擇分批次分階段教學。分批次指的是實踐課程一個班可以分2～3個批次上課,這樣可以有效解決多人共用一臺機器人而導致課程效率低下的問題。分階段指的是根據學生實踐進度的快慢,將不同功能的機器人的使用分開。比如一臺工業機器人能完成碼垛項目,另一臺能完成激光雕刻項目,那么做得快的學生完成碼垛項目后可以繼續去做激光雕刻,做得相對較慢的學生可以繼續完成碼垛項目。這樣使學生錯開使用不同功能的工業機器人,也可以有效解決多人共用一臺機器人而導致課程效率低下的問題。

3.3 從授課環節上規避實踐安全風險點

工業機器人編程教學的核心是學生編寫程序并在工業機器人上調試程序。完整的實踐過程包括編寫程序前點的示教、程序編寫,以及程序編寫完成后的軟件仿真,最后在機器人上調試。

在實踐教學時,為了保障學生的操作安全,可以取消實踐中的示教環節,因為示教需要非常近距離地操縱機器人,對于不熟悉機器人手動操縱的學生來說是非常危險的。教師可以在上課過程中給學生演示示教過程,讓學生了解示教的過程和示教的作用,有助于學生理解編程中示教點的作用。同時,可以讓學生在虛擬仿真軟件里完成示教環節的實踐。

結語

本文分析了目前工業機器人編程課程開展中可能遇到的幾類問題并一一提出了方案供教學借鑒:(1)通過優化課程體系,改善教學方法,降低學生理解的難度,提高學生上課的興趣,進而提升教學的效果。(2)通過使用虛擬仿真軟件、改造現有機器人、分批次分階段教學三種方法,有效解決教學資源不足的問題。(3)取消工業機器人示教環節,改為教師演示或在虛擬仿真工作站中練習示教,既讓學生熟悉了工業機器人的示教操作,也大大降低了實踐中可能出現的安全風險。