KUKA本体的工业机器人实践教学案例库建设探索与研究*

李光宇 ，范 钧 ，张 锦 ，葛海浪 ，李守军

（宿迁学院机电工程学院，江苏 宿迁 223800）

随着工业机器人在各行各业的广泛应用，相关专业的人才需求也在快速增长，根据《中国工业机器人产业发展白皮书》数据，2020年中国机器人产业人才缺口已达300万，随着机器人工程专业在本科院校的全面铺开，可以有效缓解该问题。但如何不断提高该专业学生的工程实践能力，让他们更符合企业的需要，是专业课程实践教学发展的方向与目标。

1 工业机器人实践教学存在的主要问题

工业机器人作为目前机器人工程专业与其他机电类专业必修课之一，其实践教学主要存在以下问题。

1.1 教学内容过于理论化

实践课程是锻炼学生动手能力和生产实践能力的重要环节，但是实践课程内容设置往往会倾向理论化，类似于说明书的照本宣科，缺少应用背景，不能满足企业实际应用对人才的需求。

1.2 实践教学资源不足

教学中使用的案例大多以知识验证为主，缺乏应用背景案例，且数量不足，课堂教学内容陈旧，更新滞后。

1.3 缺乏对学生自主学习能力培养

目前，教学大多仍以老师讲、学生听、听完做实验这种传统的教学模式为主，无法吸引学生。学生课堂缺少自主思考、自主创新的空间。

2 案例教学与案例库建设目标

2.1 案例教学与应用

案例教学是将教学内容以案例的形式运用到课堂教学活动中，通过剖析案例，按照相应知识体系认知过程来引导学生，提高学生对知识体系的认识[1]。案例教学法在机器人教学上应用广泛，陈晓江等结合专业主干课程开发出机器人应用案例库，有效提高了学生理论分析能力与应用编程能力[2]。顾继俊在机器人技术课堂教学采用研讨式案例教学模式，激发了学生学习兴趣[3]。李尚荣等在某型足球机器人平台上设计了教学案例，提高了实践教学效果[4]。赵玉侠等以学生学习的兴趣为切入点，通过设计工业机器人写字案例来探讨机器人编程[5]。隋欣采用ABB机器人仿真系统设计了离线编程案例，解决了设备台套不足等问题[6]。谢胜龙等设计基于下肢康复机器人的机电一体化系统，在此系统基础上开发教学案例，提高了学生工程意识和对复杂工程的分析问题、解决问题的能力[7]。诸多教学案例成功应用于机器人相关课程教学，充分说明了案例教学效果显著，对提高学生相关综合能力效果显著。

2.2 案例库建设目标

工业机器人实践教学案例库的建设将以人才培养方案和大纲为依据，针对教学内容的各章节重要程度及相互关系，结合专业教师研究课题以及企业需求，确定该案例库框架架构。案例库案例分为基础案例、拓展案例以及虚拟仿真案例三类，以基础案例与拓展案例为主体。基础案例主要针对课程基础理论设置，是要求学生学习案例之前必须掌握的内容，该部分案例主要将理论知识以实际案例的形式展现，让学生亲自动手进行编程调试。拓展案例具有一定难度，将进一步提高学生知识应用水平和实践能力，该部分案例给出需要实现的功能要求，让学生自己查阅相关资料，构思案例实施方案，并最终实现功能要求，并进行相互评比。

工业机器人实践教学案例库建设主要实现以下目标：1）建成工业机器人实践教学的精品案例库，根据工业机器人课程内容和企业实际应用需求，开发建设涵盖工业机器人课程主要知识点的实践教学案例库，案例要实现精品化和企业化。2）形成一套能长期执行且行之有效的案例实施方案。开展案例库实施方法研究，解决目前实践教学存在的问题，如重讲解和演示、轻动手的现象。3）提升学生工程素养和综合能力。通过精品化和企业化案例库的实施，激发学生学习兴趣，培养学生自主学习能力、创新能力、团队协作意识和精益求精的工匠精神。

3 案例库方案设计

3.1 案例库框架设计

案例库设计框架如图1所示。案例库建设主要分为基础案例与拓展案例两种，包含8个主要案例。基础案例包括描绘、打磨、搬运，以基础指令训练为主，难度较低。拓展案例包括码垛、焊接、装配，拓展案例有一定难度，是对基础案例的知识的融合与加深。另外还有两个虚拟仿真实验案例，在机房完成，可以作为学生的选做案例。

图1 案例库框架图

3.2 基础案例

基础案例较为简单，以基础运动指令编程为主，包括描绘案例、搬运案例与打磨案例。描绘案例是对ptp、lin、circ三个基本运动指令的训练，可进行圆、直线、曲线等轨迹的描绘练习，该案例是所有案例中最基础的案例。搬运案例是机器人通过吸盘工具按要求对物件进行分类摆放，此案例除对三个基础运动指令进行训练外，增加了wait和out输出端用来预留吸盘工具吸取时间和吸盘工具控制。打磨案例机器人通过I/O和以太网与PLC进行信息交互，在搬运案例各个指令训练基础上增加了in指令，开始打磨之前，PLC需开启打砂带旋转，机器人通过in指令来实现。

3.3 拓展案例

拓展案例综合了所有基础案例基础知识点并在此基础上加入判断、循环、子程序调用等，更具有综合性与设计性，主要包括码垛案例、装配案例与焊接案例。码垛案例能练习对工业机器人码垛的理解和编程示教的强化训练，实现多种垛型，拓展知识点有loop循环使用、for循环使用等。装配案例是用于有一定装配顺序的零件装配，装配完成后完成成品入库，拓展知识点有switch与if的应用。焊接案例是适配外围控制器套件、标准电气接口套件及焊枪快换，可实现模拟工业焊接训练，拓展知识点有switch指令、if指令与for指令等。

另外还有工业机器人模拟拆装与机器人Matlab仿真实验，作为备选实验，供学有余力的学生选做。

3.4 实现平台

本案例库是在某KUKA机器人实验平台上构建的，如图2所示，中间黑色区域为机器人移动滑轨。区域⑦为工具快换区域，主要包括吸盘工具、夹爪工具、描笔工具、焊接工具与磨棒工具，KUKA机器人在执行不同案例时需要切换不同的工具，有的案例完成需要切换几种不同工具。描绘案例在区域①位置完成，使用描绘工具根据平台上已有的线条进行描绘，搬运案例在区域②完成，使用吸盘工具将物块搬运到右侧空区域。打磨案例在区域④位置完成，机器人通过夹爪工具将一立方体工件运送到④区域，电机驱动砂带高速转动，机器人将需要打磨的面与砂带接触来进行打磨，通过变换不同姿态来打磨不同的面。焊接案例在区域③完成，机器人通过焊枪工具来焊接平台上方立方体工件的内侧，工件需要通过步进电机来变换平台上工件姿态来实现焊接，焊接完成后，机器人需要换磨棒工具对焊缝进行打磨。码垛案例也是在区域②位置完成，是对搬运案例加深学习。装配案例在区域⑤处进行，装备零件如图3所示，主要使用吸盘与夹爪两种工具来实现装配，装配完成后放入仓储平台⑧。

图2 KUKA机器人实验平台

图3 装配零件图

4 案例库实施过程

案例以实验室的工业机器人为对象，用企业中机器人实际工作案例，切实提高学生工程实践能力。案例开始前可先布置预习任务，然后介绍案例目标，并提出案例要求，案例的实施将由学生为主导，指导老师辅助完成，学生每5～10人为一个小组，组内各成员先讨论实现方案，分工完成案例要求。最终将在课堂上公开演示、讨论各组的案例实施效果，提升师生互动性。

基础案例主要针对课程基础理论设置，是要求学生学习案例之前必须掌握的内容，该部分案例主要将基础指令以实际案例的形式展现，让学生亲自动手进行编程调试。基础案例每组学生选做1～2个，根据进度与时间灵活调整。

拓展案例均具有一定难度，主要是针对有兴趣继续挑战的同学设置，以进一步提高其知识面和实践能力，该部分案例给出需要实现的功能要求，让学生查阅相关资料，构思案例实施方案，并最终实现预定的功能要求，并进行相互评比。拓展案例每组最少选做1个。

案例库在实施过程中还要不断地改进与完善，学生完成案例后教师需对案例完成效果进行评估，对于完成效果不够理想的案例要分析原因，并与学生进行讨论，了解学生对案例学习困难点，在此基础上来改进教学方法与教学内容。

5 案例库实施效果反馈

通过在宿迁学院机电工程学院一学年对机电一体化与自动化两个专业的教学实践，学生的学习热情有了明显的提高，分组后讨论热烈，教师答疑频次明显高于之前的教学，实验完成的效果上也明显好于之前，具体提升体现在以下几个方面：

1）对原有实践教学内容进行筛选、整理与扩充，将原本理论化、说明书化的知识穿插到实际应用案例中，将抽象模糊的知识实例化，更有利于学生掌握。

2）通过案例库教学的实施，学生分组后可以自主选择学习的案例，有效地激发了学生学习热情，充分体现了以学生为主体、教师为主导的教学思想。在小组内的研讨与分工也提高了学生的团队协作能力。

3）提升了学生的动手能力，在案例的教学过程中，每个教学单元都需要学生亲自完成案例，锻炼了学生解决实际问题的能力，完成案例的过程也让学生获取到了实际工程经验，提高了工程实践能力。

6 结束语

综上所述，工业机器人实践教学容易走入重理论讲解轻实践应用的误区，造成学习内容枯燥，学生学习积极性低，不利于培养学生的工程实践能力，将案例库应用于实践教学并调整相应的知识体系与教学手段可以有效解决这些问题。案例库建设不能一蹴而就，是一个长期的、不断完善的过程，后期的案例库建设计划向两个方向进行完善。一是要深入企业，开展校企合作，结合生产实际来对目前的案例库进行修改、补充。二是针对目前的一些大学生机器人竞赛项目，如第四届中国高校智能机器人创意大赛的俄罗斯方块项目，用这些项目来扩充案例库。在教学的同时还可以进行竞赛队员选拔，组队去参加这些比赛，达到以赛促学、以赛代练的目的。