高校工业机器人实验室建设路径探讨

田军营 韩建海 魏冰阳

摘 要 高校工业机器人实验室建设是社会对工业机器人人才培养的迫切要求。从校企共建、設备配套、实验项目开发和实验辅助装备制作、实验室规章制度、实验室开放等方面阐述高校工业机器人实验室的建设途径和方法，为高校工业机器人实验室的建设提供切实可行的经验和思路。

关键词 工业机器人；实验室；校企共建；实验教学

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）02-0074-03

1 前言

随着工业机器人在各个工业领域应用的快速增长，我国也迎来工业机器人的快速发展时期。2016年，中国市场工业机器人消费总量到达88 992台，较2015年增长26.6%；国产工业机器人共销售29 144台，同比增长30.9%。

伴随着机器人产业的快速增长，社会对工业机器人技术人才的需求也开始急速增加。许多高校提出建设新工科计划[1]，

先后开设与工业机器人相关的课程，并建立相关实验室。

河南科技大学作为地方高校，积极顺应这一社会发展需求，及时调整课程设置，在机电类专业开设工业机器人技术相关课程，同时联合企业共建工业机器人实验室。经过多方努力，2014年5月，学校与国内最大工业机器人厂商之一——广州数控设备有限公司达成共建“河科大—广数”工业机器人技术实验中心的协议。本文结合该中心建设实践以及建设中遇到的问题，对高校工业机器人实验室建设的路径进行探讨[2]。

2 实验室设备建设的途径

目前，“河科大—广数”工业机器人实验中心已初具规模，多台套工业机器人均已安装完毕。从整个实验中心的设备建设途径上看，实验室设备建设具有以下三个方面的特征。

校企共建 通过校企共建，争取工业机器人专业厂家对学校实验室建设的援助和支持。工业机器人实验室建设必须具有一定的规模才能产生教学效果。受购买设备资金数额的限制，实验室设备的台套数和类型往往会有很大局限性。为使实验室尽早步入正轨，实现规模化教学，河南科技大学工业机器人技术实验中心积极寻求与专业厂家合作，共同进行实验室建设[3]，其中RB20工业机器人就是在实验室建设早期由广州数控设备有限公司援助赠送的设备。

厂家的援助不仅加快了实验室和实验课程的建设步伐，而且由于厂家设备的投入，使得学生在实验教学中可以直接同国产工业机器人亲密接触，进一步激发对国产工业机器人性能和技术的思考和兴趣，对培养学生的创新性思维，对促进国产机器人市场的形成，带来极大裨益。

校企共建中学校的主体作用与设施配套 根据校企共建的要求，学校作为实验室的主体与责任方，必须为共建机器人实验室提供场地及机器人外围配套设备。因此，根据专业和课程设置的要求，慎重选择和配置工业机器人机型和相关外围设备，并积极寻求上级主管部门和省市政府对实验室建设资金的支持。

河南科技大学工业机器人实验中心由RB06焊接机器人和变位机等外围设备构成的工业机器人焊接系统，就是一套既从学校相关的工业机器人课程要求出发，又满足和符合学校所在城市——洛阳市的具体工业应用实际需求而建立起来的实验设备群，得到社会的广泛认可和政府的支持。有了这套以工业机器人工作为核心的焊接系统设备群，学生不仅得到工业机器人的一般性理论训练，而且得到专业级基于工业应用的实际体验和训练。

工业机器人实验室建设与学科发展相结合 搭建有广阔发展前景的工业机器人应用平台，与学校学科发展相辅相成，形成科研、教学、人才培养相互支撑的架构，从而寻求学校相关部门的大力支持。在实验室建设过程中，学校的教学、科研等相关部门均给予高度重视，并以项目开发的形式给予资金支持。实验中心的RB08可视搬运工业机器人系统就是这样建立起来的。该系统的建立使本科生、研究生的教学科研拥有了高水平工业机器人应用系统的研究开发与实验平台。

实验项目开发与辅助实验装备的研制 实验室要想更好地为学生服务，完成实验教学任务，结合课堂教学合理设置实验项目至关重要。要做到这一点，就需要对实验设备进行必要的改造，或者为主机设备添加必要辅助装置，在以工业机器人为主要设备的实验室更是如此。工业机器人往往是根据工业生产设计的，无法充分满足实验教学的要求。因此，对现有设备的硬件改造和软件设计就变得十分必要，并成为相关实验室建设的重要一环。

广数RB20工业机器人刚进入实验中心时只是个裸机，没有安装搬运、码垛等功能的配套装备。为了满足学生学习和实验的要求，实验中心为RB20工业机器人配备一个气动手爪，虽然该手爪非工业应用级，但在学生实验教学中能满足各种具体实验要求。

在使用RB20工业机器人设定工具坐标系坐标原点的实验中，厂家提供的硬件（见图1）虽然能够完成相关工具坐标系坐标原点的设定，但对于学生实验来说显得不足。为此，实验中心根据RB20工业机器人的实际配置，设计图2所示的工具。

使用图1所示厂家提供的工具做设定工具坐标系坐标原点的实验时，实验者需要一个复杂的安装过程才能把工具装好，因此实验时间较长，并且内容单一。为此，实验中心根据RB20工业机器人实际配置中的气动手爪的结构和性能，设计气动手爪抓取一个长方体部件的实验。该部件上分布有图2所示的七个可安装定位部件的孔，图2中给出的是把定位部件安装在长方体中间孔位置的情况。因为该长方体部件只需要气动手爪抓住就能工作，所以在学生实验中，通过调整定位针在长方体部件上的不同位置，可以使学生在实验时得到不同的实验数据，这样相邻两组学生即使在实验内容、实验步骤都相同的情况下，所取得的数据也是不同的。

针对一成不变的主体设备，只有不断地根据课堂教学和实验教学的实际需要开发新的、有效的辅助设备，才能够开设出新的实验项目，提高实验设备的使用率，使实验室建设的收益达到最佳。这是高校机器人实验室建设与自我发展完善的必由之路。

3 实验室规章制度安全体系的建设

实验室安全保障体系的建设 实驗室安全保障体系建设是高校实验室建设的重要内容[4]，对于高校工业机器人实验室建设来说尤其如此。因为工业机器人实验室的大多数设备是现行工业应用体系中的生产设备，其运行或故障或多或少地都可能会给使用者带来人身伤害。针对这些设备，在工业生产中制定有各种各样的安全保障措施、操作规程，这些安全保障措施可以作为工业机器人实验室建设的参考。但必须注意，它们是针对那些在生产第一线，具有丰富的生产经验和熟练操作技能，以及极具安全意识的工业生产者制定的，不能完全照搬应用于学校实验室。

学校实验室的使用者大多数为那些几乎没有任何常识、首次接触、好奇心极其强烈的学生，他们在使用工业机器人时，由于缺乏相关的知识和经验，安全意识淡漠，就为实验室安全运行带来隐患。因此，学校在进行工业机器人实验室安全体系建设时，必须把学生的人身安全和课堂安全放在首位。

在学生进入实验室上实验课之前，要对学生进行安全教育，说明工业机器人实验室的工作流程以及操作注意事项。比如：学生在操作时，机器人的工作速度不能过快；要注意使自己的身体和工业机器人间保持合适的安全距离；操作者必须关注参加实验的学生是否与工业机器人保持有安全距离，是否有其他障碍物等潜在危险等。更多的内容，本文不再赘述。

实验室规章制度的建立 实验室规章制度的建立是实验室正常、有序、不断完善运行的根本保证。实验室设备智能化程度越高，其使用维护、保养难度越大，尤其是包含工业应用级设备的实验室。针对此，河南科技大学工业机器人实验室从三个方面制定了相关规章制度。

1）实验室运行管理中的一般性规章制度。相关工业机器人的实验室运行管理理应遵从实验室管理中的公共规律，所以，实验室管理中的通用公共规章制度按照学校实验室管理文件执行。

2）相关工业机器人实验室运行管理中的特殊规章制度。工业用工业机器人作为实验室设备使用时，相关实验室的运行管理必然有其特殊性，必须参考工业机器人在工业应用中的管理标准，制定其在实验室应用的管理体系，如工业机器人实验室工作流程、工业机器人实验项目管理、工业机器人实验室安全管理制度、学生实验过程安全管理细则等。

3）实验室规章制度的建立要兼顾实验室的完善与发展。实验室规章制度的建立不仅要考虑其日常运行，而且要兼顾长期完善与发展。因此，河南科技大学工业机器人技术实验中心制订了工业机器人设备及实验辅助设备管理办法、实验项目开发和实验辅助装备制作管理办法等。

4 实验室的管理与开放

实验室管理 实验室管理必须满足实验室建设的任务与实验室规章制度的根本要求，这样才能保证实验室的正常运行，并面向广大师生开放。考虑到进入实验室的人员主要是学生，而学生好奇心强、安全意识缺乏，对工业机器人的安全认识不足，因此，只是单纯地让学生了解工业机器人实验室的工作流程和学生实验守则是不够的。为此，本实验室专门设计“工业机器人实验室管理规章与安全须知测试题”，只有提前测试合格人员方被允许进入实验室，并且要求工业机器人操作实验必须有专业人员监护。在确保学生人身安全和设备安全的前提下，鼓励学生积极参加实验项目开发和实验辅助装备制作。

实验室的开放 实验室开放是实现以学生为主体的实验教学体系的重要手段，是实验教学改革和“双创教育”的要求[5]。作为与现代工业发展密切联系的工业机器人实验室，其开放与否和开放的程度，直接影响实验室的建设和发展潜力。通过实验室开放，学生可以根据需要自主设计、安排实验，从而有利于培养学生独立进行创新性、设计性、综合性实验的能力，提高实验设备和实验场地的利用率。开放实验由多个学生自行组织完成，学生的分工合作有利于培养他们的协作意识和团队精神。

本实验室开放主要有三个方面的内容。

1）机器人的认知。实验室每学年接受大量新生和在校学生的参观和认识实践，超过3000人次，很多非专业的学生由此对机器人产生浓厚的兴趣，积极参加到相关科技实践活动中。

2）工业机器人应用科研课题的实验验证。这一部分的开放主要针对教师与研究生进行，一些科研课题、科技活动和实践项目，通过开放实验的方式在实验室中进行验证性实验。

3）实验室项目开发与科技制作。工业机器人在工业中的各种应用，通过实验项目开发的形式在实验室中得以呈现，从而丰富了实验教学的内容与内涵。工业机器人的各种辅助实验装置的制作，都通过实验室开放项目的方式设计和制作。这些都作为学校“双创教育”的一部分纳入学校教学改革规划，也成为实验教学创新和发展的必由途径。

5 总结

基于工业应用机器人的实验教学系统的建设成本一般较高，校企共建是一种很好的途径。本文介绍了河南科技大学工业机器人技术实验中心校企共建、实验室项目开发、管理制度建设等方面的经验，希望为其他院校相关工业机器人实验室的设备建设提供切实可行的思路和途径。

参考文献

[1]朱艳辉，李长云，何频捷，等.基于省级创新平台的创新创业培养模式研究[J].中国教育技术装备，2017（8）：5-7.

[2]薛峰，马骥.高校开放实验室的建设路径研究[J].实验技术与管理，2016（11）：267-270.

[3]单以才，段向军.校企共建高职工业机器人技术专业教学质量保障机制研究[J].中国现代教育装备，2017（1）：81-83.

[4]陈一星，张伟，王雪，等.高等院校实验室安全管理系统设计与实现[J].实验技术与管理，2016（11）：274-278.

[5]巩宪伟，陈亚敏，巩天骄.基于培养创新型人才的开放实验室管理与建设[J].实验技术与管理，2016（11）：271-273.