智能机器人在机械工程创新实验教学中的应用

智能机器人在机械工程创新实验教学中的应用

随着现代制造业和服务业的转型升级，工业机器人在装配、码垛、包装、金属切割、焊接、喷涂、和涂装等领域得到了越来越多的应用。在不同领域的应用会对机器人的安装、编程、调试人员提出了不同的要求，选择一种能满足各种领域技术要求又能方便与学习的装备显的十分重要。

        【摘要】智能机器人技术在智能制造中具有重要的作用，新时代，培养新一代具有智能制造能力的机械专业大学生是每个高校必须面对的课题。上海理工大学机械学院经过多年的探索，巧妙地将智能思想引进机械专业创新实验课程中，形成了智能机器人创新平台，开设了相关创新类实验课程，组建了机器人赛队，引导学生优秀的想法落地生根，参加各项科技类机器人大赛。大学生通过这一系列的学习和锻炼，激发大学生智能制造思维，且有效地提高了大学生解决复杂工程问题的能力。这种教学探索对其他高校也具有借鉴作用。

        【關键词】智能机器人;机械专业创新实验;教学探索

        智能制造技术是国家明确的发展方向，智能制造的关键是人才。高等教育担负着培养国家各行业未来接班人的重任， 2016年国务院关于印发《中国制造2025》的通知，提出紧密围绕重点制造领域关键环节，开展新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用[1]。在这样的背景下，制造行业对大学生智能技术领域的需要越来越高，尤其是智能机器人，为培养出适应新形势下的智能制造科技类人才，高等院校已提出了较多的改革措施和方案，浙江大学智能系统与控制研究所的冯毅萍等人构建了新型智能制造教学工厂概念模型[2];天津大学的房朝晖采用专业虚拟仿真软件，通过计算机网络将智能制造设备3D虚拟模型与实体PLC设备建立实时数据连接，形成虚实结合的智能制造实验教学系统[3]。目前的培养模式存在课程结构单一、缺少将智能学科融入教学中等问题，尤其是实践类教学。因此，急需将智能领域的先进技术落实到现阶段的实践教学中，上海理工大学机械工程学院经过多年的探索，以机器人创新实验平台为抓手，将智能机器人课程贯穿在教学活动中，并以此为基础参加各类科技比赛，提升学生动手解决复杂工程问题的能力。

        1 机器人创新实验平台建设

         机械工程实验中心根据国家“以促进大学生的全面发展和适应社会需要为宗旨，以培养创新精神和实践能力为核心”的要求，以“工业4.0”及“中国制造2025”为导向，紧密围绕产学研及学科专业建设，注重国际合作，不断引进新元素，先后与国际知名高校共建机器人创新实验平台，为引进国际机械工程领域先进实验技术奠定基础。

         机器人创新实验平台实行完全开放运行，学生可随时进入创新实验室进行创新实验，成为我校学生参加全国、上海市大学生机械设计竞赛、工程问题竞赛、机器人竞赛、汽车设计竞赛的基地。创新实验室每年接纳100多名优秀学生，在教师指导下独立完成创新课题设计。

         考虑到不同专业、不同年级的学生知识水平差异，在课程安排上首先通过一些有关机器人方面的基础教学让学生在机械结构、机械加工、编程方法、电子元件、传感器等方面打下良好的基础，然后可以通过5～6人分组的方式组建创新小组，由教师引导，学生小组讨论、论证、答辩的方式来形成创新项目，接下来在规定的课时内同学们完成整个项目。整个过程中，同学们通过合作可以很好地取长补短，齐心协力，既学习了专业知识、锻炼了创新能力，又培养了良好的集体合作精神。最后的答辩环节也训练了PPT制作能力和语言表达、辩论能力，为其以后的学习和工作做了很好的准备。

 2 智能机器人创新课程

 2.1 相扑机器人实验

课程内容包括以下几个方面：①组装相扑机器人;②学习使用BASIC STAMP软件;③伺服电机介绍;④LED测试电路的搭建;⑤伺服电机调零;⑥测试电机;⑦相扑机器人巡航控制。

         实验教学目的与任务：①通过组装机器人使学生能了解机器人学基本原理、运动基础及相关扩展功能，并熟悉和掌握BASIC STAMP编译软件的原理和方法;了解Parallax微型伺服电机的基本构成及原理，学会搭建LED测试电路;掌握扬声器的使用完成伺服电机的调零;学会调整、测试电机，通过连接、调整和测试相扑机器人的伺服电机，以及LED测试电路的搭建，使学生能够基本掌握对伺服电机的控制。②通过编程使机器人能做出一些基本的动作，并能掌握调节方法使动作更加精确;通过本次实验，让学生掌握调节和校正机器人巡航路径的方法，为后面的实验做好准备;掌握子程序调用方法。

 2.2 工业机器人创新实验课程

实验目的：了解motoman工业机器人的结构、控制操作特点;初步掌握该型机器人的操作步骤和方法。

2.2.1 面板介绍

面板包括控制面板（如图1所示）、回馈面板、操作面板。

2.2.2 运动方式及坐标系

 利用坐标轴按钮移动或定位机械手，包括关节坐标系和直角坐标系。

 2.2.3 打开电源

         打开电源时，首先打开总电源开关，然后打开伺服电源开关。开电源之前，务必保证机械手周围区域的安全。打开总电源开关，把XRC面板前部的总电源开关扳到ON所指示的位置。打开伺服电源：①在运行（PLAY）模式中。按回馈面板上的SERVO ON READY键打开伺服电源。伺服电源指示灯亮。②在示教（TEACH）模式中。按回馈面板上的SERVO ON READY键打开伺服电源。伺服电源指示灯亮。按TEACH LOCK键进入示教模式。操作者按住操作面板开关，操作面板伺服电源打开，同时操作面板上的SERVO ON READY按钮指示灯亮。

 2.2.4 示教步骤（输入预设轨迹）

（1）示教准备：①按下回馈面板上的TEACH键进入示教模式。②按下控制面板上的TEACH LOCK键，进入示教锁定状态。③移动光标到主菜单上的{JOB}选项，按下SELECT键选择{JOB}，同样方式在随后菜单上选择{CREATE NEW JOB}。④输入名称，如：TEST。要输入“TEST”，按下换页键，屏幕显示字母表。将游标移至“T”，按下SELECT键，同样操作选择“E”“S”和“T”。按下ENTER完成输入。⑤将游标移至“EXEC”按下SELECT键，工作“TEST”就被储存在XRC存储器中（待编程）。

（2）示教（编程）。

（3）路径确认：将游标移至第一步（第0001行）。按下FST键或SLW键将速度调为中速。按下FWD键确信每一步骤机械手都会执行。每按一次FWD键。机械手就会执行一步。当你完成了步骤确认，将游标移至工作开始处。将所有步骤连续运行一遍。按下INTERLOCK和TEST START键，机械手会在执行一个工作循环后自动停下。

 2.2.5 回馈（运行）

        （1）运行前的准备：将游标移至程序开始的地方。用坐标控制键将机械手移至靠近第一步位置的地方。松开示教锁定按钮TEACH LOCK，TEACH LOCK指示灯灭。

（2）运行：在回馈面板上按下PLAY键。在回馈面板上按下START键，机械手会按照程序完成一个完整的循环后停下。

 3 智能机器人校队与科技类赛事

 3.1 智能机器人校隊

         以机器人创新实验平台为基地，专业老师指导大学生组建智能机器人校队，在全校范围内招募各专业大学生加入。专业涵盖自动化、光学工程、计算机、机械工程、电气工程及出版艺术专业，充分发挥各专业的优势特点，学科交叉融合，由学生自主管理，开展关于智能机器人领域的培训，专业教师指导答疑，通过智能机器人校队的模式，达到在过程中培养学生的创新能力。

        3.2 科技类赛事和获奖

         专业教师为了锻炼学生的创新意识和解决复杂问题能力，整合智能机器人平台的资源。开展以大学生为中心的创新项目指导，在相应创新类实践课堂上，引导大学生参加各类科技类赛事，探索在实践中运用各专业学科的优势，将想法落地生根。近3年来，我校学生参加的科技类赛事有中国工程机器人大赛暨国际公开赛、中国服务机器人大赛、中国大学生方程式汽车大赛等一系列科技类赛事。表1为机电控制创新实验室的主要成就。

         智能机器人创新实验平台已经为学生产出200余个项目，大部分项目参加比赛并获奖，20余个项目转换为国家专利。对大学生智能制造能力的培养具有较好的促进作用。图2为学生自主开发创新实验项目：家庭清洁机器人和硬币分拣计数机。

        4 结语

         智能机器人创新实验平台作为“智能制造工程教育”人才培养的重要实践基地之一，承担了机械类学生智能创新领域的实践教学，包括课程实验、自主创新项目、大学生赛事、科研实验。紧密依托学科专业优势，整合教学资源，实现资源共享和有效利用。在圆满完成教学计划的基础上，着力开发、开放自主性、提高性、创新性实验项目，培养学生实践动手能力、创新能力和社会责任感，成为培养智能制造领域工程技术人才的重要抓手。