基于工程认证的机器人创新型综合实验的设计与开发

陈 康

（1、重庆理工大学 材料科学与工程学院，重庆400054 2、重庆市模具技术重点实验室，重庆400054）

1 现状及意义

对标工程专业认证的要求，很多传统专业在实验教学中存在诸多问题，譬如，在实验设置上演示性、验证性实验多，学生实际动手操作的机会少[3-4]；虽然开设了部分设计性或综合性实验，但也普遍是由授课教师设计，学生没有实际参与到设计环节；此外，实验内容更新慢，传统的材料成形及加工实验的内容较单一、滞后，缺乏创意，无法有效激发学生的积极性和创造性，难以适应新形势下人才培养的需求，不利于实现创新型工程技术人员培养目标的达成；在考核评价机制方面，现有单一的考勤和实验报告成绩作为最终成绩与工程教育认证理念中强调的“过程评定”、“以学生为中心”、“个性化评定”的理念不符，而且无法反映学生的工程实践能力，无法准确判断学生的工程能力是否得到锻炼、学习成效是否满足要求，缺少了“评价- 反馈- 改进”中的后两步，不能实现工程教育理念中“持续改进”的要求。因此，对现有专业实验体系进行相应改革，加大设计性、综合性实验比重，尤其是加强“以学生为中心”的创新设计综合实验的研发与构建就显得非常必要和迫切，对于专业的进一步深化发展以及工程教育专业认证工作的开展具有重要的现实意义。

2 实验内容

基于上述原因，结合材料成型及控制工程专业特点，根据工程认证要求学生掌握工程基础知识和本专业的基本理论知识，具有系统的工程实践学习经历，具备设计和实施工程实验的能力，并能够对实验结果进行分析的通用标准，我们提出了研发和构建机器人创新设计综合实验平台。该平台主要让学生能够根据自己新颖的功能构想，利用机械设计、模具设计、电路控制设计等完成对应的机器人系统设计，主要钣金零件通过模具加工的方式制造出来，然后利用其它电子元器件等组装自主设计的机器人并调试，实现从功能构想、设计到加工、实物展示的整个过程。在整个机器人创新设计实验过程中，学生全程自主设计、加工以及实物制作各个环节。因为设计新颖性强，并且需要学生亲自动手制作，能充分激发学生的主动性、积极性和创造性。

图1 新型模架设计

2.1 机器人创新设计综合实验各环节的设计

首先学生按6-8 人分成实验小组，每小组自行设计一种机器人，这种机器人能够（自动）完成某一个具体的事务或者工作，并按照此功能构想，利用设计理论对机器人进行系统设计，包括它的整体机械结构及各个功能模块；把组成机器人的主要工件设计成所需形状且满足冲压工艺性的冲压件形式；然后利用模具设计理论及规范对前述主工件进行对应的模具设计；再依据设计的模具对模具核心零件进行加工制造，以满足主工件的尺寸、精度和数量的要求；利用平台设计的通用型主工件模架对模具核心零件进行装模，并安装在智能冲压机上进行调试及冲压主工件；最后利用平台准备的其他器件及传感器等零件和主工件等一起进行机器人组装调试并完成后期的答辩工作。

2.2 新型通用主工件模架和通用实验冲孔模的设计及制造

因为实验中各组的设计不同，对应的主工件形状、尺寸等都不相同，对应的模具结构也各异，如果每个小组都加工一、两套模具，那么实验成本就相当高。为此，我们设计搭建实验平台时，就考虑设计一种对各个主工件模具核心零件都适用的新型通用模架以及通用实验冲孔模具，并加工制造出来。每个实验小组只需要将主工件模具的核心凸模、凹模、凸模固定板、凹模固定板设计出来，并进行实物加工，然后就可以利用新型通用模架以及通用实验冲孔模具安装在智能压力机上进行主工件的冲裁，设计的模架如图1 所示和冲孔模具如图2 所示，其中，凸模、凹模的固定板通过图1 中5 和8 的T 型螺栓、6压板等固定在模架上。安装的时候需要将凸模和凹模初定位，然后整个上模和下模合模装配，在合模后再有效定位并完全固定凸模和凹模，最后在智能冲压机上试冲压微调冲裁间隙，直至完成调试并正式冲裁。

2.3 其他器件及传感器的准备和调试

学生设计中，除了主工件以外，还需要其他的器件，比如电机、电池、车轮、齿轮、轴杆、限位器、联轴器、螺栓螺帽、导线等，以及各种传感器，比如红外传感器、颜色传感器、视觉传感器、力传感器等，还有电机控制模块、蓝牙控制模块、WiFi 模块等，平台需对上述器材进行相应的准备和调试，以方便学生设计选用。比如，有学生在设计自动控制洒水车的时候就需要用上单片机系统、电机控制模块、WiFi 模块等。

2.4 机器人创新设计综合实验评价体系的建立

根据工程教育认证体系的要求，我们坚持“过程评价”、“以学生为中心”、“评价- 反馈- 改进”的理念，建立了包括实验方案设计评价、模具设计质量评价、小组内部自行评价、答辩及展示环节评价和实验报告成绩等全过程评价体系，其中，小组自评就要求学生对自己的工作和表现有一个自我评价，另外，在答辩及展示环节中也有“反思”内容，让学生和老师对一些问题进行探讨、互动，共同反思，发现问题，有利于老师在后续教学过程中的进一步改进。

3 结论

机器人创新型综合实验的设计与开发不仅在教学层面极大的丰富了材料成型及控制工程专业的实验体系，又能在培养学生方面充分调动学生的创新思维，积极去思考一些新奇、实用的问题，让学生在机械、电子、材料等学科间形成一定的交叉，实现学科的交叉融合，有利于学生的设计能力、动手能力、研究解决复杂工程问题的能力以及风采展示、交流沟通、团结协作等能力的培养，通过实验，验证理论课学习的相关知识，强化学生对专业知识的理解与运用，同时也可以通过自主实验设计、探索创新，培养学生的科学精神和创新思维，进而提升学生的综合素质和创新能力。

图2 通用实验冲孔模具设计