以機器人為牽引的工程技術訓練課程建設

張萌 沈莉 盧耀暉 肖令

基金項目：2022年湖南省普通高等學校教學改革研究項目“強軍新工科視域下工程技術訓練‘兩融化改革與實踐”（項目編號：HNJG-2022-0415）。

作者簡介：張萌（1984—），男，博士，國防科技大學智能科學學院副教授，研究方向為數字化制造與智能制造；沈莉（1992—），女，碩士，國防科技大學智能科學學院助理實驗師，研究方向為機器人；盧耀暉（1975—），女，碩士，國防科技大學智能科學學院副教授，研究方向為3D打印與智能制造；肖令（1971—），男，學士，國防科技大學智能科學學院高級工程師，研究方向為數控加工。

摘? 要：文章瞄準新時代高等院校大學生工程實踐能力與工程創新素質的培養需求，以工程技術訓練課程為主要對象，分析了課程當前存在的問題和不足，提出了以機器人為牽引的課程建設總體思路，給出了機器人制造工程實訓單元和機器人機電系統實訓單元的具體建設內容，描述了課程的預期建設效益，對工程技術訓練教學改革和工程訓練中心升級建設具有一定的參考意義。

關鍵詞：工程技術訓練；機器人；制造工程；機電系統；課程建設

中圖分類號：E251.3；G642? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2024）14-0047-04

一、研究背景

工程技術訓練課程是以工程實踐為主要載體的技術基礎課，是我國高等教育院校廣泛開設的一門通識類、基礎型、實踐性教學課程，主要授課對象為大學工科類學生，旨在通過系統的工程技術學習與實踐訓練提高學生的工程實踐能力與工程創新意識，對于夯實學生基本工程素養、提升學生綜合素質起著非常重要的作用。［1-3］

自“九五”以來，全國各大高校都在投入力量建設工程技術訓練課程，［4］在當時以及之后相當長的一段時期內，課程的名稱大都是金工實習或者機械制造實踐，課程的主要內容是通過車、銑、刨、磨、鉗、鑄、鍛、焊等傳統機械制造訓練，讓學生了解各類金屬加工工藝和各種機床設備等，對學生掌握金工技能、支撐后續實踐課程學習等發揮了積極作用，許多學生甚至在畢業多年以后仍舊有著加工了一把錘子的深刻記憶。［5-6］這樣的課程設置符合當時工業3.0的時代定位，而如今世界科技飛速發展、日新月異，世界已經進入了以現代制造、智能制造為主體的工業4.0時代，進入了以機器人、人工智能為特點的“機器人+”時代和“人工智能+”時代。新時代對高校學生的工程能力、工程素養和創新精神有著完全不同的、更高階的要求，依靠傳統的以金工為主的課程內容已然不能滿足時代需要。

自2017年以來，教育部積極推進新工科建設，要求高校加快推進新產業、新技術的多學科交叉融合發展。［7-8］以前的“金工實習”課程工程技術陳舊、實訓面狹窄、內涵深度淺，不能適應新時代的需求，因此課程均逐步更名為工程技術訓練、工程技術實踐等，其內涵也在逐步拓展與深化。經過廣泛調研發現，課程名稱雖然做了改變更換，卻并未對實訓內容體系進行根本性重塑，部分高校仍舊以錘子作為實訓載體，只是加工手段從傳統加工走向了數控加工，或者更換了實訓載體，但實訓重點仍舊落在工種上，以工種來牽引實訓過程。這與新時代的工程技術訓練需求相去甚遠，設置的課程內容不能滿足以現代制造、智能制造、機器人乃至人工智能等為代表的高新技術對人才工程能力和創新能力的需求，未立足時代的發展和未來的市場需求開展工程訓練。［9-11］

因此，為適應新時代工程實踐教育的需要，有必要對占基礎性地位的工程技術訓練課程進行改革建設，梳理新的實踐教學理念，探究新的實踐訓練內容體系，以提高對人才培養的支撐力度。

二、建設總體思路

機器人的廣泛應用是工業4.0時代的一個典型特征，機器人深度介入到工業、軍事以及生活等場景將是未來機器人技術和人工智能技術發展的必然趨勢，即“+機器人”“機器人+”以及智能機器人將逐步成為主流，與之相關的基礎理論、關鍵技術將是各個國家發展的重點領域。圍繞機器人開展工程技術訓練對學生開展后續以機器人和人工智能等為主的課程打下良好基礎，同時也契合新時代的特征，并有助于培養滿足未來市場需要的工程技術人才。

遵循“聚焦機器人裝備、突出機電特色、訓練工程實踐能力”的教學理念和總體思路進行“工程技術訓練”課程的重塑建設，圍繞機器人機電系統認知與設計、機器人機械結構制造與檢測、機器人機電裝調與試驗開展基本的機器人認知解構能力、創新設計能力、加工制作能力、精度檢測能力、機電裝調能力和試驗測試能力等的訓練，建設以機器人牽引、機電特色顯著、能力訓練為主的“工程技術訓練”課程，為后續相關專業課程、綜合設計課程的學習奠定基礎，培養高素質專業化人才。

三、具體建設內容

以機器人為牽引，構建以機器人裝備貫穿的機電工程實踐訓練體系，以機器人整機加工制造能力訓練、機器人機電系統集成能力訓練為主，擬建設兩個工程技術訓練實訓單元，分別為機器人制造工程實訓單元和機器人機電系統實訓單元，前者側重于機器人物理實體的加工制造，目標是實現機器人“想得出、造得了”，后者側重于對機器人機電系統的控制與調試，目標是實現機器人“動得了、動得好”。

（一）機器人制造工程實訓單元

按照“了解制造基礎技術、掌握現代制造方法、強化工程綜合素養”的思路進行建設，圍繞機器人認知與設計、機器人機械結構制造與檢測開展基本的裝備認知解構能力、創新設計能力、加工制作能力的訓練與生成，目的是讓學生掌握機器人典型零部件（如軸、車架、輪、薄壁件、盤套件等）的工作原理、設計方法和制造過程，會運用各類數字化、智能化的制造設備、制造工藝，完成機器人典型零部件的研制，為機器人結構本體制造奠定基礎。具體建設內容包括機器人本體材料成形實訓平臺、機器人仿生結構快速原型實訓平臺、機器人關鍵零件切削加工實訓平臺、機器人整機機械裝調實訓平臺等，如圖1所示。

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圖1? 機器人制造工程實訓單元

機器人本體材料成形實訓平臺重點建設移動機器人、固定機器人等本體結構的工程材料成形數字化、精密化的實訓條件，包括材料熱成形教學系統、復合材料成形系統、熱處理系統、光譜儀等，從機器人本體結構的工程材料成形、材料改性、材料觀測等方面建設較為完備的實訓內容與條件。

機器人仿生結構快速原型實訓平臺重點建設基于3D打印、激光加工、刻蝕腐蝕的機器人功構一體化仿生結構的快速制備與驗證環境，包括工業級3D打印機、激光切割機、光刻顯影、薄膜沉積、刻蝕腐蝕、鍵合封裝、測試表征等加工工藝模塊，為移動機器人仿生驅動器、仿生行走部件、仿生執行器制作提供環境支撐。

機器人關鍵零件切削加工實訓平臺主要針對機器人上軸、架等較高加工精度要求、較高工作能力要求的零件，建設基礎制造綜合組件、數控機床、多軸加工中心、復合加工中心、精密雕銑機等，支撐關鍵零件的金屬切削半精加工、精加工，為實現精確的機器人運動控制奠定結構基礎。

機器人整機機械裝調實訓平臺位于機器人制造工程實訓子環境的末端，主要是將前面三個實訓平臺得到的本體框架、仿生結構件、關鍵零件以及電源、電機、驅動器、控制器等部組件裝配起來，并進行機械裝調，實現對機器人整機機械系統的搭建。

依托上述四個子平臺，機器人制造工程實訓單元可以開設的實訓模塊包括機器人拆裝認知實訓、材料成形實訓、機器人復雜結構件逆向工程實訓、機器人復雜結構3D打印實訓、機器人薄板結構激光切割實訓、機器人核心零部件數控加工實訓、微小型機器人制造實訓、機器人機械裝調實訓等。

（二）機器人機電系統實訓單元

機器人機電系統實訓單元以各類先進機器人為實踐對象，培養學生的大工程觀和大系統觀，鍛煉學生機器人軟硬件設計、調試、檢測、維修能力，鼓勵學生根據應用需求開展創新研究，為培養高素質新型軍事人才奠定基礎。實訓單元的教學目標為：1. 強化學生工程學思維和方法，提高學生對機器人運用、維護及維修的實踐能力；2. 培養學生綜合實踐能力，促進學生掌握機器人機電控制和系統集成能力；3. 提升學生創新能力，促進學生掌握機器人軟硬件系統整體設計、調試方法，加強學生面對典型應用場景，進行機器人改裝、升級、創新等創造性工作的能力，為培養機器人等機電裝備創新人才奠定基礎。

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圖2? 機器人機電系統實訓單元

在有序銜接機器人制造工程實訓單元的基礎上，按照機器人“系統認知、創新設計、系統集成、調試檢測、機電控制、綜合應用”的思路建設課程，鍛煉學生對機器人機電系統的設計、拆裝、調試、檢測、維修等工程實踐能力，培養學生根據軍事應用需求設計和優化機器人的創新能力。具體建設內容包括機器人移動模塊實訓平臺、機器人執行模塊實訓平臺、仿生機器人創新實訓平臺、機器人設計與測試平臺等，如圖2所示。

機器人運動功能模塊實訓平臺主要針對工業、軍事、生活場景下的各類機器人移動方式，聚焦各類型機器人移動底盤的機電控制特性，分析輪式、履帶式、足式、輪/履/足復合式機器人的機械設計、軌跡規劃、運動控制等特性，重點加強學生對足式機器人的學習、理解和研究深度，加強學生“拆—裝—維—修—調—改－創”等工程實踐活動，豐富教學對象和教學手段，提升學習的參與度和認知度。

機器人操作功能模塊實訓平臺主要針對各類機器人搭載的載荷開展建設，聚焦仿人上肢機器人、“靈巧手”、并聯型機器人等多種類型機器人執行機構，開展機構設計、運動學分析、高精度軌跡跟蹤控制、機器人動力學與控制等內容學習，重點加強學生對仿人上肢機器人的學習、理解和研究深度，豐富工程技術訓練課程教學實踐手段，提升學生學習的廣度和深度。

仿生機器人創新實訓平臺主要開展新機理、新形態、新構型仿生機器人研究，通?；诮ㄔO高校的相關科研實現教研融合，充分激發學生的創新意識和創新能力。

機器人設計與測試平臺主要針對機器人設計和測試相關環境建設，聚焦虛擬設計、力學采集、運動捕捉、運動與操控等機器人設計與測試典型條件，提升學生對機器人設計、加工、控制與創新的學習深度，為學生的深入研究和創新提供條件。

機器人機電系統實訓單元以機電系統為核心，融合智能科學與技術，強化工程實踐能力，提升前沿創新能力，有利于幫助學生夯實學科知識，強化工程思維，提升實踐能力和創新能力。

四、建設效益

通過構建以機器人裝備牽引的“工程技術訓練”課程內容體系，將改變該課程當前以“金工實習”或“機械制造工程實踐”為主的實訓內容和實踐條件，強調以機器人整機加工制造能力和機器人機電系統集成能力的訓練與生產為主，將有效支撐學員工程素養、工程思維、工程實踐能力、工程創新意識等的培養，契合工業4.0時代以及新工科建設對大學生的培養需求。從建設的預期效益上進行分析，這種新的“工程技術訓練”課程建設將在以下幾個方面帶來顯著效益。

課程建設后可直接服務于機械類專業、近機類專業以及其他工科專業的工程訓練實踐教學，可覆蓋機器人認知實踐訓練、機器人機械綜合設計訓練、機器人機械制造實踐訓練、機器人機電系統設計實驗、機器人綜合控制實踐等，開展“認知訓練—基礎訓練—綜合訓練—創新訓練”的多層次實踐教學。

能夠有效支撐全國先進成圖與信息建模技術大賽、全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生工程實踐與創新能力競賽、ICAN競賽等各類省級、國家級學科競賽，以及大學生創新項目等，對大學生“雙創”實踐具有很好的支撐作用。

進一步加強新興專業建設，尤其是對于機器人工程、人工智能等新工科專業具有強大助力作用。新工科強調多專業之間的交叉融合，在新材料、新應用、新融合等方面可能衍生出的新興領域和專業，機器人更是多專業融合的典型代表，產生了機器人工程、智能機器人系統等新興專業，以機器人牽引的“工程技術訓練”課程對支撐新興專業建設具有積極的作用。

五、結語

針對當前工程技術訓練課程對新時代需求支撐度不高的問題，考慮改變傳統以工種主導或金工側重的實訓模式，以機器人牽引工程技術實踐訓練過程，建設覆蓋機器人認知、機器人結構方案創新設計、機器人零部件加工制造、機器人機械裝調、機器人機電系統調試、機器人功能測試等相關工程技術訓練的新內容體系，形成機器人制造工程實訓、機器人機電系統實訓兩個進階式單元，有助于培養學生的機器人整機加工制造能力和機器人機電系統集成能力。

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（責任編輯：邵秋露）