机器人技术课程实验教学探索与实践

郑明辉

（1.山东华宇工学院机械工程学院，山东 德州 253034；2.智能制造装备设计工程技术研发中心，山东 德州 253034；3.德州市工业机器人控制重点实验室，山东 德州 253034）

引言

机器人技术已经广泛应用于国民经济的各个领域，已经成为生产中不可缺少的得力助手，这也促使以培养复合应用型人才目标的应用型本科高校纷纷开设机器人技术相关课程。机器人技术课程不同于机器人学等理论课程，是一门实践性很强的课程，我们在教学过程中不能只讲解理论知识，而必须以强化工程应用与实践能力为人才培养目标，坚持理论与实践相结合，适应现在制造行业人才需求为主要目标，注重加强实验实训的实践性教学环节，使学生在机器人编程操作、安装调试、运行维护等动手能力与创新能力等方面都能得到训练和提高[1-2]。

《机器人技术》是我校机械设计制造及其自动化、机械电子工程专业课程体系中的核心课程，在新工科和智能制造背景下，要培养学生的创新意识和实践能力，必须改变目前实验教学中新技术融入不够、实验环节考核方式单一的状况。

1 机器人技术课程主要内容

我校人才类型定位为应用型、技术技能型人才。紧密围绕学校人才培养定位和专业特色，结合新工科和智能制造背景，在机器人技术课程教学中不能重理论轻实践，必须加大并结合实践教学环节，才能激发学生学习的积极性，达到培养的学生的工程应用及实践操作能力。机器人技术课程涉及多方面的知识，主要包括机器人的基本概念、机械结构、感知系统、驱动系统、控制系统、编程语言、机器人的应用。机器人技术是一项综合性很强的新技术，本课程内容较多且前后内容交错，必须是理论与实践相结合，才能加深对理论知识的理解，提升学生的实践能力。

2 需解决的问题

加大实践教学环节比重。“职教20条”下，“1+X”工业机器人应用编程、工业机器人操作与运维等职业技能等级证书要求对职业技能等级标准内容与课程进行高度融合。应该通过调整实验室规模和结构，增加机器人编程与操作实践教学环节，提高学生们应用编程、操作与运维等技能，为“1+X”工业机器人应用编程、操作与运维的“课证融合”的开发提供思路，为职业技能等级证书考取奠定基础。

理论考核和实践考核的结合。目前机器人技术课程考核一般偏重于理论考核成绩，实验成绩一般只作为平时成绩的一部分，今后考核时要注重实验成绩的与理论考核结合，实验成绩应该作为总评成绩的一部分。实验考核采用要求学生现场独立完成机器人实践项目，完成操作和调试，同时现场向学生提问实验过程中的相关专业知识，根据课堂表现、实际操作、实验报告，最后给出实验成绩。通过这种考核方法，可以极大地激发学生学习的积极性和实际操作的能力[3-5]。

3 机器人技术课程实验内容探索

根据中国电子学会统计数据显示工业机器人应用人才需要重点关注的技能指标有以下四个方面。1.编程能力：PLC编程、伺服控制程序调试；2.装配调试：机器人安装、电气调试、气路连接；3.维修检测：断路故障检测、接线错误检测。4.安全生产：生产效率把控、防护用具使用、场地安全维护。通过本门《机器人技术》课程的学习，基本能达到培养工业机器人应用人才主要的技能指标。我校机械工程学院拥有机器人技术基础、机器人编程与操作、机器人综合训练实训室等多个设备先进、功能完善的实验实训室。其中工业机器人控制实验室被立项为德州市重点实验室，充分满足本课程实验、实训、创新、竞赛等方面的需要。

《机器人技术》本门课程主要包含8课时实验内容，设4个实验项目，实验项目一：机械手拆装；实验项目二：工业机器人模拟机的使用；实验项目三：模块化机器人的示教与再现；实验项目四：工业机器人应用系统。采用“项目导向、任务驱动”的教学方法进行实践教学。

以机械手的拆装实验为例，课前提前通过学习通手机App或者电脑端将实验教学视频、课件、实验项目任务下发，学生们可以反复观看教学视频，提前做好实验准备工作，也能积极引发学生对实验操作的兴趣和探究兴趣。

课中在机器人技术基础实训室进行理论讲解，首先介绍机械手拆装所需工具和实验设备如图1所示。再讲解组成和原理：机械手拆装实训装置机械系统主要由以下几大部分组成：原动部件、传动部件、执行部件。基本机械结构连接方式为原动部件→传动部件→执行部件。原动部件采用步进电机驱动方式，在机器人末端有一个气动夹持器，以完成抓取、装配等作业。由老师演示拆卸顺序和装配顺序，学生分组在老师的指导下进行拆装操作，教师巡回指导发现问题及时解决问题，要求每位同学都能够独立完成拆装实验，并对每位同学进行实操情况和课堂表现打分；课后要求学生提交机械手拆装实验项目实验报告，由老师根据实际情况打分。

图1 机械手实验装置

线上在学习通讨论区创建话题发起讨论归纳总结实操问题，实现线上线下和老师互动讨论交流。通过学习通的统计功能也能监测学生们的线上学习和互动情况。

实验成绩包括实际操作、实验报告、课堂表现三部分组成，并作为课程最终考核成绩的一部分，解决了以往只看实验报告评价实验成绩，实验课程走过场只写实验报告的传统教学模式。

《机器人技术》课程进行中间，还有《机器人编程与操作实训》集中实践课程，实训项目主要内容包括工业机器人搬运应用、工业机器人焊接应用、工业机器人打磨应用等实际应用项目，紧密结合行业和企业需求，贴合企业实际岗位能力要求，能够让学生进一步掌握典型工业机器人的基本编程和操作知识，为考取“1+X”相关技能证书打下坚实的基础，并可以进一步巩固理论课程内容，提升学生实际动手能力。通过实验课程和集中实践课程，最终实现理实一体化，将理论知识和实际操作相互促进、融为一体，实现实践教学课程教学目标，巩固理论知识。课外通过开放相关机器人实验实训室，开展学生的第二课堂，让学生们进入实验室进行实验项目重新设计强化、创新创业训练，能够培养他们的创新实践能力[6]。

通过《机器人技术》实验课程和集中实践课程的学习与实践操作，实验课程从基础机器人机械认知、虚拟仿真操作、示教编程操作到初步的系统集成，使学生在编程操作、调试维护机器人任务过程中掌握机器人基础知识，其中包括机械结构、编程语言、控制系统等理论知识；掌握机器人示教编程操作；掌握使用机器人仿真软件完成编程与仿真运行；具有工业机器人工作站的编程、调试维护能力；初步具有工业机器人系统集成能力。能够实现复杂的任务要求，使学生对机器人从硬件和软件等方面都能有全面地认识和掌握。

4 结论

我们学校是应用型本科高校，是培养德智体美劳全面发展，具有高度社会责任感，扎实基础知识，较强实践能力和创新创业能力的高素质应用技术型人才。通过对本课程的实验教学探索与实践，将机器人课程抽象复杂的理论知识与生动有趣的实践操作相结合，能提高学生们的学习兴趣和积极性，既可以让同学们加深对理论知识的理解，又可以让学生们掌握机器人的编程操作、调试维护等技能，为社会培养高素质的复合型应用型人才。