应用型本科院校大学生机器人应用能力培养研究

丁力 周川 叶霞 单文桃 巢渊

[摘 要] 工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等技术于一体的先进智能装备，展示了一个国家的制造水平与科技水平。根据国内严重缺乏机器人人才的现状，提出了针对应用型本科院校的大学生机器人应用能力培养的研究，指出了开展机器人技术培养的重要性，给出了机器人实训室建设与理论教学的具体方案。大学生机器人应用能力的培养应采用理实一体化模式，将理论结合实践，提高学生的创新能力与实操能力，为应用型人才的培养提供有力支撑。

[关 键 词] 工业机器人；应用型本科院校；实训室；理实一体化

[中图分类号] G642 [文献標志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）13-0072-02

制造强国一定是人才强国。在党的“十八大”明确提出人才是“提升国家核心竞争力和综合国力，为全面建设小康社会和实现中华民族的伟大复兴提供保障”的重要因素[1-2]。要实现从中国制造到中国创造的跨越，势必要通过教育、培育等多种途径完成从人力资源大国向人才强国的转变。作为当前世界经济与产业增长方式转变过程中的关键技术，智能机器人进入了新的发展阶段，正成为现代工业转型发展的加速器[3]。这种发展不仅需要大量的机器人设计、研发、制造等方面的高端人才，更需要为数众多的使用、运行、维护、维修、营销等方面的高素质应用型和技能型人才。然而，现阶段我国大部分的应用型本科院校都缺乏优秀的机器人应用能力培养的教学，甚至有些学校的培养方案与市场需求严重不协调。因此，在应用型本科院校中探索机器人应用能力的培养，为大学生创造与机器人技术相关的创新思维训练、专业技能训练以及工程实践训练的专业平台，是值得我们认真研究的。

针对上述问题，笔者认为要提高应用型本科院校大学生的机器人应用能力，一方面需要学校建立能够培养学生机器人应用能力的实训室或实训站，加强学生的实际操作技能；另一方面应该制订一套适合于应用型本科院校的机器人理论教学方案，方案注重理实一体化，凸显应用型院校的培养特色。另外，应用型本科院校不仅要加大大学生机器人应用能力的培养力度，不断提高人才培养的质量，而且要兼顾到企业人员知识更新、技术提升的需要。

一、机器人实训室的分类

为了实现机器人应用能力培养，实训室以现代化的工业机器人为主体，主要用于机器人的本体结构、运动学、动力学、伺服控制、轨迹规划以及机器视觉等问题的研究[4]。应用型本科院校机器人实训室的建设可分为以下几种形式：

（一）机器人基础实训室

机器人基础实训室的设备可采用当前工业应用领域常用的ABB、KUKA、发那科、安川等国际知名品牌的工业机器人，并对其进行系统集成与二次开发，形成机器人实训柜、实训台、实训站、实训线等贴近机械、汽车及电子等工业生产的教学实训设备，为学校的机器人教育、教学、培训及应用技术的研究提供充足的条件。

（二）机器人虚拟仿真实训室

机器人虚拟仿真实训室以计算机为载体，由各大常见品牌机器人的手持示教盒与RobotStudio仿真操作软件构成。通过该实训室可以进行多种机器人的认知，熟悉机器人的编程、调试与运行。同时，通过在虚拟仿真实训室的学习能使学生绝对安全地操作机器人，了解机器人操作的内在机理，这是一种安全、高效的学习模式。

（三）机器人拆装与维修实训室

机器人拆装与维修实训室是在工业6关节机器人的基础上，对其进行整机拆分、组成及维护。通过在实训室中的学习，可以系统性地学习机器人五大部件的内部机构，即机器人本体、减速器、控制器、传感器、电机。

经过以上实训室的建设，学校可以建成涵括机器人基础认知、基本操作、安装、维护维修、编程调试等多功能需求的国内一流的机器人实践、实训基地。另外，各实训室之间可形成流水线式培训，由浅入深，从机器人的基础培养过渡到仿真模拟，技术上具有连续性。由单体结构、运动原理和示教器编程的学习，到实际工业生产场景的训练，使学生逐步掌握工业机器人安装、操作、示教器编程与调试，集成应用、日常维护的技能。学生毕业可满足工业机器人应用的技能要求，提高就业竞争力，快速适应岗位。在实训中还可培养学生团结协作、钻研、踏实肯干的精神，树立为社会多做贡献的意识，为今后就业提供可靠保障。

二、机器人实训室的实施方案

机器人应用能力培养的教学目标可拟定为：（1）掌握串联型工业机器人的结构及各部分组成的功能；（2）掌握串联工业机器人的运动原理及控制方法；（3）掌握串联型工业机器人的拆装与维修；（4）掌握串联型工业机器人的运动仿真及轨迹规划。以江苏理工学院为例，整个工业机器人技术实训中心占地324平方米左右，分为三个实训室，具体的实施方案如下：

（一）机器人基础实训室实施方案

机器人基础实训室可以弧焊或打磨机器人为主，该机器人融合了机器人技术、焊接技术、打磨技术和系统工程。实训室可配置一台6关节串联型机器人、一台2关节机器人变位机以及电源系统、焊枪、打磨头等设备，可培训学生利用机器人完成焊接与打磨工序。

（二）机器人虚拟仿真实训室实施方案

考虑到机器人设备昂贵的价格与场地的限制，在实训建设过程中不可能对同一种实训项目投入较多设备。因此，需要借助虚拟仿真软件解决学生数量多与机器人设备台数少的矛盾。该实训室中可配备20～30台PC机，每台计算机均安装机器人离线编程软件，依次控制同一台机器人。这样不仅可为学校节省财力与物力，还可以训练学生的软件编程能力。

（三）机器人拆装与维修实训室实施方案

机器人拆装与维修实训可作为应用型本科院校的一个培养特色。实训室可配置3～4台废旧的机器人本体，学生可按机器人本体结构的连接顺序依次拆分，并对拆分后的关键性零部件进行打磨、抛光与涂油等维护性操作，最后再根据图纸将整套机器人设备装配好。通过在该实训室中的培训，学生由点及面、深入浅出地熟悉机器人的内部结构及工作原理，增强其机器人应用能力。

三、机器人理论教学的研究

目前所见的文献中，机器人理论教学的教材主要有《机器人学导论》《Introduction to Robotics： Mechanics and Control》《机器人技术》等，这些教材虽能使初学者快速掌握机器人的理论知识，但对机器人实操理论的叙述并未涉及或涉及面较窄[5]。然而，对以培养兼顾理论与应用能力的学生为宗旨的应用型本科院校来说，上述常用的机器人理论教材就显得捉襟见肘。因此，探索一套适合于应用型本科院校的机器人理论教学方案意义重大。

笔者认为，可将针对应用型本科院校的机器人理论教学分为两部分，一为理论知识部分，即介绍机器人的数学基础、正反向运动学、轨迹规划、控制技术、动力学等知识；二为实操应用部分，即根据学校建设的机器人实训室开展有针对性的教学内容，提高学生的理论修养。机器人教学以理实一体化为主（如下图所示），对原有的教学结构进行创新，改变原有的教学理念，引入实训室培训模式。在不同的理论与实训之间，使机器人教学团队化、动态化、扁平化，增强学生学习机器人技术的兴趣。

四、结语

实践是创新之源泉，没有了实践，创新便会成为无源之水、无本之木。当前，我国的教育改革处于一个重要节点，作为应用型本科院校的江苏理工学院，需要响应国家的战略规划，积极发展机器人专业，培养机器人应用型人才。机器人技术的教学工作也需要与时俱进，及时创新，这样才能够培养出对国家、社会乃至企业有用的人才。

参考文献：

[1]李朱锋，徐媛媛.应用型人才创新能力培养的研究与实践：以搭建慧鱼模型机器人为例[J].课程教育研究，2017（16）.

[2]颜世周.浅谈机器人教学对大学生创新教育的影响[J]. 才智，2015（10）：103.

[3]李楠.高职院校工业机器人技术专业课程建设探索与实践[J].商品与质量，2015（46）：5-8.

[4]唐宏伟，林立，石书琪.地方本科院校机器人实验室建设方案初探[J].亚太教育，2016（29）：61.

[5]王军，李明，徐书杰.创新机器人教学思维 培养大学生实践能力[J].吉林教育（综合），2015（31）：10-11.