高职院校工业机器人编程课程开展探索

姜 伟 张红生

1.扬州市职业大学 江苏扬州 225000;2.江苏旅游职业学院 江苏扬州 225000

1 概述

工业机器人是智能制造业最具代表性的装备,集加工精密化、柔性化、智能化、数字化等先进制造技术为一体,在生产过程中进行检测、控制、优化、调度、管理及决策,进而增加产量、提高质量、降低成本、减少能源消耗及环境污染,是工业自动化生产的最高体现。在“中国制造2025”发展的今天,制造业中工业机器人的应用已成为不可或缺的一部分[1]。

近年来,全球对工业机器人的需求明显加快。从市场规模来看,2013—2018年全球工业机器人市场规模一直处于稳步上升趋势。我国在2014年就已经成为全球最大的工业机器人消费国[2],预计未来几年甚至十几年,我国机器人市场会需求越来越大。面对工业机器人如此大规模地被需求,我国迫切需要培养工业机器人方向的应用技术人才,以应对中国制造产业技术进步和产业升级带来的应用技术人才的大量需求。

工业机器人作为一门课程或一个专业,在很多高职院校已经开设和创办[3-5],针对高职学生的工业机器人相关教学,要根据学生的具体情况,根据现有教学资源的具体情况针对性地开展课程,这样才能提升教学效果,让学生能够学有所得。

本文分析了目前工业机器人编程课程开展中可能遇到的三类问题:(1)学生基础薄弱,对课程兴趣小;(2)教学资源不足;(3)学生对实践安全不重视。

针对课程开展中可能遇到的这三类问题,本文也一一提出相应的解决方案以供借鉴:(1)通过优化课程体系,改善教学方法,降低学生理解的难度,提高学生上课的兴趣,进而提升教学的效果。(2)通过使用虚拟仿真软件、改造现有机器人、分批次分阶段教学三种方法,有效解决教学资源不足的问题。(3)对授课过程全过程进行分析,找出有安全隐患的环节,取消工业机器人示教的实践,改为教师演示或在虚拟仿真工作站中练习示教,既让学生熟悉了工业机器人的示教操作,也大大降低了实践中可能出现的安全风险。

2 高职院校工业机器人教学中存在的问题

2.1 学生基础薄弱,课程理解困难

工业机器人编程实践需要学生在学习本课程前有一定的计算机编程基础。另外,学生在编程实践前,还需要掌握工业机器人系统组成、工业机器人控制基础等相关知识。如果没有学习过相关知识,就很难理解工业机器人编程的特点。但如果教师为了给学生打好基础,讲解过多的理论内容,学生对课程失去兴趣,对于后续的实践课程更加不利。

2.2 教学资源不足

工业机器人采购成本比较高,大部分学校一般都是采购几台工业机器人用于学生实践。对于人数较多的班级,在学生实践的环节,往往六七个学生共用一台机器人,甚至机器人数量少的情况下,10多个学生轮流使用一台机器人,这大大影响了课程的效率。为了提升实践教学的效率,教师不得不给学生们演示工业机器人的操作过程,将实训课程变为理论课程,甚至部分学校的生源较多,几个班级共用有限的实践教学资源。学生真正动手少之又少,这阻碍了高校工业机器人专业的顺利发展,时间一长,学生对于这种形式化的“实践课程”开始不感兴趣,实践课程最终流于形式,失去了真正的意义[6-7]。

此外,很多高校购买工业机器人设备时一般都是购买某条具体的工业机器人生产线,比如本校采购的简易汽车生产线(见图1),主要由3台ABB 120系列机器人和其他附加装置组成。各工业机器人上安装的工具大多不同,所以各工业机器人能完成的任务也不相同。在高职学生实践教学环节中,工业机器人数量本来就少,如果各工业机器人功能不同,在完成某个具体项目实践时(比如码垛实践项目),学生可用的工业机器人将会更少。

2.3 学生对实践安全不够重视

工业机器人即使运行在手动模式下,运行速度对于学生来说也不慢,而且一般6kg负载以上的机械臂都很重并且力度很大。机器人运行过程中如果和人发生碰撞会发生较大危险。即使可以预测运动轨迹,但外部信号有可能改变操作,会在没有任何警告的情况下,产生料想不到的运动。并且,所有的运动都会产生很大的力量,从而严重伤害人身安全或损坏机器人工作范围内的任何设备。

学生原本就对工业机器人实践过程的风险不够了解,如果上课过程中对老师讲解的操作机器人注意事项不够重视的话,会导致操作机器人过程中发生各种错误操作,导致机器人发生碰撞,如果学生误闯入机器人工作空间内,还可能会引发更严重的人身安全问题。

3 有效提高工业机器人课程教学效果的措施

3.1 优化课程体系,改善教学方法

3.1.1 理实一体化教学

在高职工业机器人编程教学中,要合理安排理论课与实践课的教学内容。理论课内容要服务于编程实践。理论讲解的内容是为了让学生更好地理解工业机器人编程实践,与工业机器人编程无关的理论内容尽量少讲。比如工业机器人的系统组成、工业机器人的应用等内容,可以做简单介绍,有助于学生对工业机器人有初步的认知,但切忌长篇大论地讲解,避免理论内容过多,导致学生对课程失去兴趣,反而影响更重要的编程实践内容。理论和实践各占比50%相对合理,可以根据具体班级情况,再酌情减少理论内容,增加实践内容。

3.1.2 项目化课程开展

工业机器人编程课程内容分为编程理论和编程实践两部分。项目化课程开展可以根据具体的课时量,设计合理的实践项目数量。比如40个课时的课程,可以根据学生的学习情况安排4～5个实践项目,这4～5个实践项目难度由易到难。以作者目前开设的课程为例,40个课时的课程主要包括:(1)手动控制实践项目;(2)搬运实践项目;(3)简单码垛实践项目;(4)复杂码垛实践项目;(5)激光雕刻实践项目。所有实践项目都包括RobotStudio软件仿真和机器人实践,授课老师根据课时量和其他方面的因素可以酌情删减或者增加项目的数量。理论讲解的内容可以根据实践项目的具体需要逐步深入讲解,比如编程用到的指令,理论部分可以只讲项目需要用到的编程指令,暂时不需要用到的指令可以等后面更复杂的项目需要用到时再讲。如果在编程实践前,就把所有的编程理论全部讲完,大段的理论内容讲解会导致学生失去课程兴趣,到后面编程实践时,很多学生对先前讲解的理论内容掌握并不熟练,自然也无法实践。相反,如果根据项目具体需求讲解对应的理论部分相关知识点,学生学起来也会更加容易,实践编程时出现的问题也会比较少。

同时,因为实践项目由易到难,学生通过刚开始的简单项目收获信心,也会对后续课程产生兴趣,对后续难度更大的项目实践也会更加投入,进而获得较好的学习效果。

3.2 教学资源不足问题的解决

3.2.1 充分利用工业机器人仿真软件工具

多个品牌的工业机器人都有相应的仿真软件,比如ABB机器人的RobotStudio软件、KUKA机器人的KUKA Sim Pro软件[8]。充分利用仿真软件,让学生错开使用工业机器人,能大大缓解教学资源不足的问题。仿真软件在教学过程中主要可以用于以下两个方面:

熟悉示教器的操作:虚拟仿真软件里的示教器和真实的示教器功能基本相同。如果工业机器人资源有限,可以让部分学生先通过虚拟示教器来熟悉机器人的控制。

完成程序验证:大部分学生编写完的程序或多或少有一定的问题,毕竟学生是初学编程且基础较差。如果直接把编写完成的程序导入机器人系统运行调试,那么很可能出现各种各样的问题,严重的还会导致机器人发生碰撞,造成机器人的损坏。在程序编写完成后,可以先用这些仿真软件模拟运行,看机器人在虚拟工作站中运行的轨迹是否正常,如果有问题,可以分析轨迹,并修改程序。没有问题后再导入真实工业机器人上去调试,这样可以在很大程度上避免调试过程中因为程序错误带来的问题,大大减少每位学生调试程序用到的时间,充分利用现有的工业机器人资源。

3.2.2 对现有机器人加以改造

教师可以根据实践课程具体项目设计多个机器人外部工具,这样可以解决机器人外部工具不统一的情况,提高机器人使用率。如果可以的话,最好把这些工具集成到一起,然后安装到机器人法兰盘上,这样可以减少课程开展过程中频繁更换机器人外部工具的次数。

3.2.3 分批次分阶段教学

如果对现有生产线改造困难的话,也可以选择分批次分阶段教学。分批次指的是实践课程一个班可以分2～3个批次上课,这样可以有效解决多人共用一台机器人而导致课程效率低下的问题。分阶段指的是根据学生实践进度的快慢,将不同功能的机器人的使用分开。比如一台工业机器人能完成码垛项目,另一台能完成激光雕刻项目,那么做得快的学生完成码垛项目后可以继续去做激光雕刻,做得相对较慢的学生可以继续完成码垛项目。这样使学生错开使用不同功能的工业机器人,也可以有效解决多人共用一台机器人而导致课程效率低下的问题。

3.3 从授课环节上规避实践安全风险点

工业机器人编程教学的核心是学生编写程序并在工业机器人上调试程序。完整的实践过程包括编写程序前点的示教、程序编写,以及程序编写完成后的软件仿真,最后在机器人上调试。

在实践教学时,为了保障学生的操作安全,可以取消实践中的示教环节,因为示教需要非常近距离地操纵机器人,对于不熟悉机器人手动操纵的学生来说是非常危险的。教师可以在上课过程中给学生演示示教过程,让学生了解示教的过程和示教的作用,有助于学生理解编程中示教点的作用。同时,可以让学生在虚拟仿真软件里完成示教环节的实践。

结语

本文分析了目前工业机器人编程课程开展中可能遇到的几类问题并一一提出了方案供教学借鉴:(1)通过优化课程体系,改善教学方法,降低学生理解的难度,提高学生上课的兴趣,进而提升教学的效果。(2)通过使用虚拟仿真软件、改造现有机器人、分批次分阶段教学三种方法,有效解决教学资源不足的问题。(3)取消工业机器人示教环节,改为教师演示或在虚拟仿真工作站中练习示教,既让学生熟悉了工业机器人的示教操作,也大大降低了实践中可能出现的安全风险。