基于ABB工业机器人回原位程序设计的教学实践研究

郑 直

（上海信息技术学校，上海 200331）

0 引言

随着20世纪中期计算机、自动化技术的发展，第一代机器人诞生，开始成为人类生活中的现实。随后科技飞速发展，机器人的功能和性能不断改善和提高，目前正广泛应用于工业、农业、交通运输业和医疗行业等事业中[2]。

在工业机器人的应用中，在任何一个车间里面，都有可能因为供电的问题，网络的问题，环境的问题，甚至是误操作的问题，出现计划外停机的情况。当工业机器人出现突然停机的时候，它的原点位置作为待机的安全点位，需要工业机器人能够回到原位。

本文以广东三向教学仪器制造有限公司生产的ABB工业机器人典型应用工作站为载体，对手机装配产线中的工业机器人回原位程序设计应用课题[1]从教学分析、教学策略、教学过程等方面进行了设计。

1 教学分析

1.1 课程说明

《工业机器人典型工作站安装与调试》是工业机器人技术应用专业的一门专业核心课程，课程设置主要目的是培养学生具备工业机器人工作站安装、调试、运行与维护等应用能力。课程教学目标根据《工业机器人技术应用专业人才培养方案》设定。本次课针对工业机器人在手机装配生产线的典型应用，主要讲解回原位程序的编写与调试，这是工业机器人调试员（或工程师助手）岗位的必备技能。

1.2 学情分析

授课对象是四年制中职工业机器人技术应用专业三年级的学生。学生实践操作能力较强，但知识技能总结能力较弱，愿意对新的知识技能进行学习和探索。通过前期基础课程的学习，已掌握了工业机器人的基本操作，具备了一定的编程调试能力，包括本次课所用到一些程序指令和调试技能。但学生缺乏机器人实际应用岗位的工作经验，没有建立真实的岗位专业认知。

1.3 教学目标及重难点

根据教学内容和学生特点及职业能力的要求，确定以下教学目标：

（1）知识目标：知道工业机器人回原位程序的使用意义；能说出工业机器人回原位设计的关键步骤；熟知工业机器人安全操作规范。

（2）技能目标：能正确读取工业机器人位置数据；会编写与调试手机装配生产线工作站工业机器人回原位程序

（3）态度目标：根据ABB公司岗位要求，培养做事遵循规范的职业态度；养成不断完善，精益求精的职业素养；树立团队合作意识，协同亲和，共同进步。

根据岗位要求和学生基本情况，为了更好地实现教学目标，将“工业机器人回原位程序设计步骤”作为本次课的教学重点，将“工业机器人回原位程序中的分区判定”作为教学难点。

2 教学策略

采用任务驱动教学方法[3]，由浅入深，层层递进，通过课前预习、课上学习、课后复习三个阶段完成知识技能的学习。

图1 教学策略

3 教学过程

3.1 教学活动

本次课程主要分为“问题提出”“基础任务”“进阶任务”“总结评价”和“拓展应用”五个活动过程。

3.1.1 活动一：问题提出

问题提出环节，创设学习情境，模拟手机装配产线突然停电导致工业机器人停机的状况，如图2所示，引出机器人回原位意义，使学生明确本堂课的学习目的和内容。

图2 模拟停机情境

3.1.2 活动二：基础任务—工业机器人从特定点位回到原点位置

基础任务环节，先让学生自主观察与讨论当前停机位置的特点，部分同学根据观察得出的回原位基本思路，与其他同学交流借鉴。然后各组同学根据任务书提供的参考程序，进一步规范机器人动作流程，制定初始方案。填写表1所示表格。

表1 初始方案制定

学生设计好初始方案之后，教师逐一确认可行性，确认无误后方可进入工位，完成编程调试。

根据基础任务完成情况，请同学上台分享设计思路。通过在电子白板上进行涂色划分，标记出本组程序的适用区域，引导学生进行思考：当机器人停机位置不确定时，如何解决回原点程序的通用性问题：分区处理的改进策略是什么？

3.1.3 活动三：进阶任务——工业机器人从任意点位回到原点位置

根据基础任务中引发的问题，启发学生对如何判定区域这一问题产生思考，现场邀请两位同学进行游戏互动，拿出坐标系教具进行空间坐标参照。通过游戏代入和教具辅助，逐步帮助学生建立区域判定的概念，再结合机器人位置数据读取指令，引导学生提取Y轴方向数值，从而判断机器人停机位置所在区域。如图3所示。

图3 进阶任务实施

在充分理解机器人位置判定的基础上，各小组进行第二轮实操，在基础任务上通过增加条件判断，补全程序。在机器人操作过程中，再次强调学生安全规范的意识。

完成程序调试的小组，通过运行程序使得机器人可以从任意点位回到原点，从而验证程序的通用性。

3.1.4 活动四：总结评价

在整堂课的实施过程中，通过学生任务书反馈、操作过程巡视记录等方法进行过程考核，最终生成如图4所示柱状图表直观表现，对学生掌握情况进行统计，最后通过总结归纳，对学生仍然存在的问题进行解答，对学生的学习情况进行巩固。

图4 学生完成情况统计

3.1.5 活动五：拓展应用

工业机器人的分区判定是本次教学的难点问题，通过本次课程的讲解大部分同学得以掌握，但实际生产岗位的复杂程度远远超出教学设备。因此，再结合出工况更为复杂的电子芯片分拣装配任务工作站，让学生进行区域划分，阐述实施步骤，扩展学生对于回原点程序编写的思路。

3.2 重、难点突破

通过学习情境创设，首先让学生深刻体会手机装配线工业机器人回原位程序的实际意义，采用任务驱动的教学方法贯穿整个教学过程，设置基础任务使得学生有回原位程序的概念，再通过游戏活动和辅助教具让学生更进一步了解回原位通用性问题，启发学生思考机器人回原位程序中的分区如何判定。通过两个任务的练习让学生逐步理解并掌握应用位置数据读取指令，完成机器人任意位置回原位程序的编写，突破了本节课的难点，实现教学目标。

3.3 教学过程中出现的主要问题及解决策略

基础任务实操编程中，有一组同学在完成编程运行之后，机器人最终回到的工作原点位置稍出现偏差，在检查程序过程中发现存在运动指令参数设置不当的问题，同学忽略了转弯数据的设定。该小组旁边的小组同学也出现同样问题，在听到对前面小组的指导之后，自己进行了及时改进。发现这一共性问题，我调出参考程序，集中讲解转弯数据对运动路径的影响，提醒大家将转弯数据减小到z0或者fine，从而保障回原位程序轨迹的运动点位精度。

进阶任务编程调试时，有些同学虽然知道了区域判定的关键是要提取当前位置数据的Y轴方向数值，但是不清楚Y值具体为多少是区域划分的界线。于是在小组工位上，借助设备实物，引导同学找到对应的关键分界线，并通过机器人的位置反馈功能得出具体数值，从而帮助学生完成程序编写。

4 教学效果

引入企业场景，让学生处理生产中可能出现的突发事件，培养学生的灵活应变能力。通过分组角色扮演，学生共同完成任务，在培养学生团队合作能力的同时，增加学生体验机器人调试工程师的职业氛围，加深对工作的感性认识。

通过两个工作任务的设定，逐步引导学生完成工业机器人回原位程序的编写和调试，学习内容通过任务进行拆分，从简到难，从浅到深，阶梯方式引导学生进行探索和实践，帮助学生解决实际问题，学会了从工程领域的应用角度来全面地考虑问题，学生所编写的程序更加贴近实际生产要求，符合工学结合、做学一体的职业教育理念。

5 教学反思

由于实训设备数量的限制，教学过程中，学习任务是以小组的形式完成的，每个同学虽然各有分工，但操作的有效时间仍然有限。因此，在后续教学过程中，会进一步加强工业机器人离线编程仿真软件的应用，在软件中创建真实的操作环境，让每位学生都有足够充分的训练时间，虚拟操作与设备实操同时进行，提高学习的有效性。