新工业体系下的机器人课程改革探索

高 飞 管建峰 易 风 郭兰中

常熟理工学院 江苏常熟 215500

现代社会正处于第四次工业革命，针对现有技术基础，为了抢占技术发展的制高点，德国率先提出了“工业4.0”的发展战略，紧随其后，美国与中国也分别提出了“工业互联网”和《中国制造2025》的战略规划[1]。德国的“工业4.0”概念其实就是将互联网技术、计算机技术、先进制造技术等相结合，形成虚拟与现实相融合的智能制造系统[2]。机器人作为智能制造系统的重要执行部件，其功能与性能直接影响了产品的质量与生产效率，因此，随着“工业4.0”的提出和应用，各国在机器人研发和制造方面投入了大量的精力和物力，机器人产业发展非常迅速[3]。

2015年“两会”期间，我国提出了《中国制造2025》发展规划，部署了“工业互联网”的工作。中国要从制造大国变为制造强国，必须要发展一大批具有国际竞争力的骨干企业。因此，国家“十三五”规划，明确将智能制造列入国家发展的重要产业[4]。《中国制造2025》发展规划对专业人才培养提出了新的要求，需要掌握核心技术的创新型人才、多学科交叉的复合型人才和具有工匠品质的技能型人才[5]。

1 新工业体系下的企业人才需求

通过对用人单位和毕业生的调查发现，学生们虽然很好地掌握了基础工业课程中的相关知识，但是对各种知识内容的内在联系知之甚少，严重缺乏系统性解决实际问题的能力[6]。机器人控制系统决定了机器人的功能和性能。机器人控制又涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多学科的内容[7]。

美国等西方国家的机器人教学体系较为完善。如斯坦福、伯克利等著名美国高校均开设了机器人课程。其机器人教学具有课程设置灵活、交叉性强，以项目为导向，实践性强等特点。尤其是科研实力较强的高校，往往以其最新的科研成果为载体，让学生参与到科研与实践当中，在实践和动手过程中学习[8]。

我国机器人教育起步较晚，但也已取得了一定成果。浙江大学正在实施的交叉化、职业化、多元化和国际化“四化相辅”的工程教育特色实践，就取得了非常好的效果[9]；中山大学通过在专业课程中引入机器人技术，将自动化专业的主要专业课程相互贯通，整合成一体化的机器人创新实践教学体系，使学生最终有能力实现完整的机器人系统[10]。

工业机器人工作站系统集成课程的核心技能是工业机器人的工作站的设计、调试和维护应用技能，满足工业机器人及系统的安装、调试、运行、维护以及工业机器人产品销售及售后服务等岗位群的需要[11]。该门课程在培养智能制造人才过程中具有重中之重的地位。

2 课程改革措施

常熟理工学院机械工程学院的工业机器人系统集成课程共32学时，其中理论教学20学时，实践教学12学时，是机械电子工程专业(机器人方向)本科生的选修课程，工业机器人系统集成课程以理论介绍为辅，实践操作为主，针对这一教学要求，在教学过程中，要先修工业机器人技术基础，工业机器人仿真及材料成型与控制等课程,然后在本科课程中，针对某一工程需要，针对特定的机器人工作站(例如弧焊机器人工作站)，介绍整体设计方法，提及所需要的知识，将已学习或未学习的与该工作站集成相关的知识点介绍给学生，让学生知晓工作站设计需要什么样的知识，需要掌握到什么程度，达到学以致用，提高学生的学习兴趣，以便能更好地对知识进行掌握，并为实践环节打下良好的基础。

2.1 课程理论改革

针对人才市场对工业机器人方面人才的需求，在20学时的理论课程中，将已学习的电子技术、机械技术、机械加工工艺及机器人技术等知识点有机地结合起来，还需介绍整体工作站的设计方法、实现过程和生产安全等知识。具体过程如下：

(1)针对某一生产环节，例如智能弧焊机器人工作站，先介绍产品需求。智能机器人工作站是实现无人化全自动化生产的设备，机器人厂家提供的产品需要机器人工程师的设计，并搭配相应的机械系统和传感器，才能够实现工业生产的需求。因此需求分析是能否交货的关键。所以在未进行设计之前，要对所生产的产品进行需求分析，待加工部件的结构，加工需要什么样的工序，零件加工后的性能指标需要达到多少，该工作站要完成什么样的功能，需要什么样的机械装置，需要什么样的传感器，传感器的数量等。

(2)根据产品需求和设计方案，完成系统的仿真验证。工业机器人仿真软件不仅仅是提供离线程序，最重要的是在设计阶段，验证机器人能否完成相应的工作，验证其生产能否达到所需的节拍。因此，在设计阶段，需要使用机器人仿真软件规划生产车间的布局，按节拍设计所需的机器人数量，规划机器人不能够完成的部分是否需要添加人工生产工位等。在节拍设计方面，以弧焊加工为例，机器人工程师必须要等的弧焊工艺，以免路径规划出的结果是错误的。

(3)仿真工序完成后，进行实体工作站加工。仿真工序完成后，可以采购所需的设备，进行后续的实物集成工作，机器人系统集成，需要进行机械、电气及仿真人员的协同工作，机器人电气集成需要按照相应的标准进行，机械人员要按照仿真人员给出的安装标准进行安装，电气人员和机器人调试人员要共同进行调试，验证系统信号的发出与接受是否正确。

(4)在生产过程中，安全是重中之重需要强调的内容。工业机器人虽然只能称为是自动化的装备，但是它比现有的自动化装备更具智能化，机器人工程师更是高危职业，因此，机器人工作站生产过程中的安全更不能小觑，特别是后续的调试阶段。在这个过程中，机器人工程师既要保证自身的人身安全，也要保证设备的安全。不能随意操作，更不能在机器人可达空间内有人的情况下，任意按动任何按钮发出指令。

工业机器人工作站所包含内容非常之多，但是在先修课程基础之上，用一条总线进行串接，更能够调动起学生的积极性，学生学习起来并不复杂，理论教学上加入了安全环节，培养的学生更贴近于生产实际。

2.2 实践教学改革

在实践教学方面，常熟理工学院采用的是仿真软件和实体工作站集成的方式进行教学。现有的机器人本体、控制柜、PLC、工控机、传感器等放置在既定的位置，学生可根据前序的设计，自行选用相应的模块进行集成。

2.2.1 仿真实践教学

学生先根据教师所提供的产品及需求进行相应的机器人工作站设计，将机械设备、机器人的数模导入到仿真软件中；然后，自己进行布局设计，规划路径，形成代码，并将离线代码导出。在这个环节，学生需要生成生产过程视频，用于考核和后续工作。

2.2.2 工作站集成教学

将学生进行分组，每组学生自行分工作仿真工程师、机械工程师、电气工程师和机器人调试工程师等，每人完成各自的工作并集体完成设备的集成，最终集成可以完成既定任务的机器人工作站。

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。通过实践环节，使学生更能体会到所学知识的应用与掌握牢固的重要性，在实践过程中，还能意识到安全的重要性。

2.3 考核方式改革

机器人工作站生产是一项非常大的生产任务，决非一人能够完成。在考核时，不能像以往理论与实践教学的考核那样进行考核，因此，需要实现对学生进行分组，每组的学生每个人完成各自的工作，全班学生的成果一定是完全不同的。按照生产模式，每组需提交设计方案、采购清单、布局图、机械图纸、电气图纸、工艺说明、仿真视频和离线程序等。考核文档采用企业交货的模式实行，使所培养的学生更能够适应市场需求，有用程度更高。

3 结语

《中国制造2025》发展规划需要掌握核心技术的创新型人才、多学科交叉的复合型人才和具有工匠品质的技能型人才。机器人是智能制造系统的重要执行部件，学生虽然很好地掌握了基础工业课程中的相关知识，但是对各种知识内容的内在联系知之甚少，严重缺乏系统性解决实际问题的能力。通过对在培养智能制造人才过程中具有重中之重的地位的工业机器人系统集成课程理论教学内容和方法的改进，实践教学方法的革新，采用企业交货模式对学生进行考核，类似企业“交钥匙”工程的方法，针对企业需求，培养大量能够制造智能制造系统的有用人才。这些改革措施更接地气，能够满足应用型本科院校人才培养目标的需求和地方企业对“智能制造”人才的需求。

[1]朱正伟,周红坊,李茂国.面向新工业体系的新工科[J].重庆高教研究,2015,5(3):15-21.

[2]周国顺,图雅,张阳.面向“工业4.0”的智能科学与技术专业创新课程体系构建[J].计算机教育,2016(10):66-69.

[3]张毅,汪帮富,王思明.机器人创新工程实践教学改革与探索[J].教育教学论坛,2016(51):133-134.

[4]朱集锦,宁建强,徐诚.关于工业机器人教学课程体系的探讨[J].南方农机,2016(12):145,148.

[5]张拓,李丹丹.《中国制造2025》背景下高校自动化专业改革与发展研究[J].教育探索,2016(6):70-72.

[6]马慧民,许圣良.技术应用型院校基础工业工程课程建设与改革探索[J].物流工程与管理,2015,37(10):167-168.

[7]刘娣,刘坤,温秀兰.应用型本科工业机器人控制课程教学改革[J].中国教育技术装备,2017(4):97-99.

[8]张奔.以实践为导向的机器人教学改革探索[J].中国教育技术装备,2017(6):91-92.

[9]邹晓东,李拓宇,张炜.中国制造强国战略与工程教育改革实践[J].高等工程教育研究,2016(3):9-14.

[10]郭东亮,保延翔,刘树郁.综合性大学自动化专业机器人实践教学体系探索[J].实验室研究与探索,2017,36(3):212-216,230.

[11]薛文奎,周斌.“工业机器人工作站系统集成”课程教学与实践[J].电脑知识与技术,2016,12(23):127-128,135.