基于自主学习工业机器人的应用技术实验项目设计与实践

苏 宇，刘海燕

(广西科技大学职业技术教育学院，广西柳州，545000)

一、实验项目建设背景

当前，我国生产制造业智能化改造升级需求日益凸显，我国已经成为全球第一大工业机器人应用市场，约占全球市场份额三分之一。我国工业机器人密度在2017年达到97台/万人，预计在2021年突破130台/万人。[1]工业机器人自动化领域多应用视觉技术是指对工件进行识别分类、产品质量检测等，以达到提高生产效率、节省人力资源的效果。

工业机器人应用技术是一门综合性较强的课程，旨在培养学生的技术问题解决能力以及多学科知识综合应用能力等。根据以往的教学模式，学生可对知识模块进行分块项目学习，比如可编程控制器(PLC)控制模块学习、机器人通信模块、工业机器人编程模块等。这种模式下，学生虽然能基本完成相关的实验流程，但更多的是按照实验操作步骤进行被动式学习，在综合实验设计模块、相关的课程设计等整体表现一般，相关的技术应用能力、问题解决能力并没有得到足够的提升。总结其原因主要有项目的实验未能充分调动学生的兴趣、过分强调模块化学习、忽视学生对应用技术的构建学习等。鉴于此，笔者所在的项目组以机器人视觉作业实验项目为试点，旨在提高培养学生对工业机器人技术问题的解决能力及综合应用能力培养，对实验项目的硬件平台建设、实验任务、实验内容等进行设计与建设。

二、实验项目建设主要思路

本研究打破以往固定的“老师先教，学生后学”的模式，以问题解决为导向，根据相关实验项目的任务要求，让学生自主进行相关模块的学习，最终完成实验项目。在实验过程中，教师要积极引导学生根据需要解决的问题去构建相关的知识脉络，强调教师的“教”为学生的“学”服务。教师要结合工业生产中的相关案例，强调实验内容的趣味性，对实验项目完成的机器人作业内容、关键问题、所需的相关技术知识等进行分析与提炼，形成实验项目的总体学习目标、实验内容、了解相关的关键知识点，确保学生清楚该实验项目完成后工业机器人能完成那些作业，即让学生明确“我要解决的问题是什么”和“为解决问题，我需要学习哪些知识”。在实验项目实验过程中，学生可根据所学知识点设计相关实验并完成实验，通过对实验报告的撰写来加深对技术原理的理解。[2-6]此外，教师要积极利用电子邮箱、线上通信软件等工具，及时获取学生学习进度、效果等反馈信息。

三、实验项目设计

(一)实验任务

工业机器人视觉作业作为工业机器人应用技术中的一个核心模块，涉及控制模块、视觉处理、机器人程序设计模块等内容。在工业应用中，工业机器人视觉作业主要利用工业相机对目标工件进行图像数据采集、计算处理，工业机器人则根据视觉处理结果完成相应的作业。例如，在工件质量检测作业中，通过对工件表面图像的分析，工业机器人可以对分析结果不合格的工件进行抓取并搬运到指定位置。在产品分拣作业中，工业机器人可以根据视觉识别结果进行分拣抓取。因此，本研究结合当前工业机器人视觉作业中较为常见的作业内容和学生的知识基础，以及学生在工业机器人操作课程中的实操兴趣点，基于实验室现有的ABB IRB120工业机器人、工业相机等设备设计了两项基本实验任务。学生在完成该两项基础实验任务后，可根据自己的基础、兴趣以及现有硬件设计自己的作业内容进行实验提升。[7-9]工业机器人视觉作业实验项目包括两项基本实验任务：第一，工业机器人先通过工业相机对不同工件进行识别，并根据结果到指定工件位置点拾取工件，完成对不同工件的码垛作业，比如红色圆形工件按叠层样式码，蓝色圆形工件按一字平行样式码等，码垛样式可自行设定；第二，工业机器人通过工业相机对目标工件上的文字识别结果，完成所识别文字的书写作业，其中相应的文字轨迹点通过离线仿真软件编程完成。

(二)实验平台设计与搭建

工业机器人视觉作业系统主要有控制模块、视觉检查、工业机器人作业、工件上料模块，每个模块通过工业总线进行数据通信。整个平台主要由工业机器人、工业相机、PLC组成。在搭建该实验项目平台时，为让学生在实验过程中更易进行作业控制流程的设计、理解工业机器人作业控制系统的原理等，教师加入了可视化的控制界面和相关视觉处理结果的实时显示，增加了人机界面触摸屏(HMI)设备。在设备通信设计上，视觉处理模块通过Profinet总线与PLC进行通信，工业机器人与PLC的通信通过网关解析单元Anybus设备进行连接，为学生提供了了解、学习工业总线通信的硬件学习平台。实验平台的系统机构设计框图及实物图如图1、图2所示。

图1 工业机器人视觉作业实验平台结构框图

图2 实验平台实物图

实验项目平台主要组成模块如下。

1.工件输送模块。该模块主要模拟工业生产中加工工件的上料及传送，主要由变频器、同步齿形带传输带与铝型材搭建。工件上料通过气缸动作，在圆形井式料仓有料且接收到控制信号后执行推出工件至传送带的动作。学生在实验过程中需了解变频器，学会PLC编程，会设置变频器相关参数，实现传送带速度以及传输方向设定等。

2.视觉检测模块。视觉检测模块的主要设备是工业智能相机。本实验平台设计中采用在传送带台架中间位置安装对射传感器，能及时触发工业相机，可采集工件图像数据，进行检测处理。学生在视觉检测实验中需要根据检测对象的外观特征以及相关的检查定位，对检查结果输出、视觉图像识别训练等进行视觉软件的可视化程序设计。

3.控制模块。控制模块的主要控制单元为PLC可编程控制器，接收相关传感器、机器人运动状态、工业智能相机检测结果等信息，并根据设计的控制逻辑向机器人、变频器、工业相机等设备发送控制信号。在该实验项目中，学生则需根据实验任务进行作业工作逻辑，根据设定好的工作逻辑需进行PLC程序编程，如设计梯形图等，实现作业系统中各设备的正确作业逻辑运作。

4.人机界面HMI模块。HMI人机界面是用于控制指令和显示相关信息的可视化界面。在本实验平台中，学生可根据自己的实验内容进行相关的界面设计，如对机器人复位控制指令显示、料仓有料显示、视觉检测结果显示等。

5.总线通信模块。在实验平台中，工业机器人型号为ABB IRB120，其内置652的通信板卡，使用Devicenet总线进行通信。PLC控制模块设计使用的是Profinet总线，需增加Anybus网关才能实现不同总线的通信。该实验模块要求学生了解工业总线的相关知识及网络配置等。

6.工业机器人。工业机器人作为视觉作业完成的执行器，需要学生根据实验任务完成相关的程序编程，包括现场及离线仿真编程等，以完成轨迹和位置点的计算、信号指令的编写等。

(三)实验内容框架设计

学生的积极性对自主学习的效果起着非常关键的作用。因此，实验内容要能够帮助学生更轻松地了解学习内容框架，清楚完成实验任务。学生在自主学习过程中，可根据自己的基础知识、学习风格，构建自己的“知识路网”。为确定学生为“自己理解、掌握”而学，而不是“为教师学”的学习理念，具体的实验内容应要求学生根据实验平台自行设计、完成。因此，围绕实验任务，依据实验教学目标层次，项目组根据3个层次多模块内容的方式进行了实验内容框架设计。[6-7]

1.基础实验主要的知识内容模块

(1)变频器应用技术。学生需要了解变频器的组成、工作原理、用途，掌握变频器的接线、参数设置等，完成实验平台的工件输送模块中传送带的启停、运行方向设置、速度设定实验等内容。

(2)常见传感器应用技术。学生需要了解常见的传感器及其工作原理，掌握本实验平台中用到的传感器的接线、应用技术。

(3)工业相机视觉检测软件的应用技术。学生需要了解工业相机的种类、特点，掌握本实验平台中的工业相机检测软件的常见检测方法的特点及用途等，能够完成在实验中对工件的定位、颜色、图像特征等检测的模型训练及相关设置。

(4)可编程控制器PLC及接触屏HMI应用技术。可编程控制器PLC课程是教授工业机器人应用技术课程前的必修课程。在本实验项目内容模块中，学生重点掌握PLC、HMI接线、通信设置，熟练掌握可编程控制器PLC、接触屏HMI的控制逻辑设计、编程等，完成实验平台中接触屏HMI的界面设计、可编程控制器PLC相关的梯形图编程等。

(5)工业机器人应用技术。工业机器人应用技术模块是本实验项目的重点学习内容，学生需要掌握本实验平台中的工业机器人的具体操作方法，包括示教器的使用、工业机器人程序编程、仿真软件的离线编程、仿真设计等，完成实验平台中机器人对工件的抓取、码垛等。

2.综合实验的内容模块

工业机器人应用技术属于跨学科的应用技术，对学生综合应用能力的培养是该课程的核心目标，综合实验任务也是本实验项目设计的出发点。项目组通过设计两个基础实验任务，引导学生完成两个有趣的机器人作业任务主动去了解、学习相关的知识内容，并自行设计、完成每个模块的实验内容，进而完成两个实验任务的综合实验。在设计两个综合实验时，教师并未指定工业机器人完成码垛样式、写字样式，学生可根据两个基础实验内容，根据自己的爱好及平台特点进行设计。

3.创新实验

在设计、完成综合实验后，学生可对实验平台进行扩展、改造和创新，设计更多有趣的实验项目，完成更复杂的任务。这一层次主要由学生自行设计实验任务、实验内容，教师帮助他们分析难点、关键点。[10]我们发现，在完成综合实验后，学生在成就感的刺激下对设计出更有趣、更复杂的实验任务表现出了极大的兴趣，甚至对实验平台的不足提出了建议。借此，我们应该积极引导学生设计自己的研究课题，参加各类创新大赛，培养学生的创新能力。如图3，学生提出了实验平台机器人末端手抓改进想法，并最终设计完成柔性手抓。

图3 学生设计、实现机器人末端手抓

四、结语

工业机器人视觉作业实验项目的建设以实验任务带动学生主动学习，构建工业机器人应用技术相关的知识拓扑网络为目标，旨在改善以教为主的传统教学模式中学生学习积极性不高、教师教学效果一般的状况。学生积极参与到实验内容设计中，可以培养他们对工业机器人技术的综合应用能力，进而带动学生创新能力的提高。

在近两年的实践中，该实验项目的开展对学生的学习积极性有明显的提高，体现在预约开放实验人数/时数增多、学生参加工业机器人技术应用相关的大赛项目大幅增加，获奖人次也显著增多。据不完全统计，开放实验人数/时数约1000人/时，工业机器人技术应用相关的项目、参赛，如“大学生创新创业训练计划项目”“全国机械行业职业技能竞赛”等共24项，全国类赛事获奖5项。该实验项目的建设也促使教师积极投入实验平台建设中，对开发出更适合学生实验项目，起到了很好的“以点带面”的教学改革促进作用。