以机器人为牵引的工程技术训练课程建设

张萌 沈莉 卢耀晖 肖令

基金项目：2022年湖南省普通高等学校教学改革研究项目“强军新工科视域下工程技术训练‘两融化改革与实践”（项目编号：HNJG-2022-0415）。

作者简介：张萌（1984—），男，博士，国防科技大学智能科学学院副教授，研究方向为数字化制造与智能制造；沈莉（1992—），女，硕士，国防科技大学智能科学学院助理实验师，研究方向为机器人；卢耀晖（1975—），女，硕士，国防科技大学智能科学学院副教授，研究方向为3D打印与智能制造；肖令（1971—），男，学士，国防科技大学智能科学学院高级工程师，研究方向为数控加工。

摘  要：文章瞄准新时代高等院校大学生工程实践能力与工程创新素质的培养需求，以工程技术训练课程为主要对象，分析了课程当前存在的问题和不足，提出了以机器人为牵引的课程建设总体思路，给出了机器人制造工程实训单元和机器人机电系统实训单元的具体建设内容，描述了课程的预期建设效益，对工程技术训练教学改革和工程训练中心升级建设具有一定的参考意义。

关键词：工程技术训练；机器人；制造工程；机电系统；课程建设

中图分类号：E251.3；G642    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2024）14-0047-04

一、研究背景

工程技術训练课程是以工程实践为主要载体的技术基础课，是我国高等教育院校广泛开设的一门通识类、基础型、实践性教学课程，主要授课对象为大学工科类学生，旨在通过系统的工程技术学习与实践训练提高学生的工程实践能力与工程创新意识，对于夯实学生基本工程素养、提升学生综合素质起着非常重要的作用。［1-3］

自“九五”以来，全国各大高校都在投入力量建设工程技术训练课程，［4］在当时以及之后相当长的一段时期内，课程的名称大都是金工实习或者机械制造实践，课程的主要内容是通过车、铣、刨、磨、钳、铸、锻、焊等传统机械制造训练，让学生了解各类金属加工工艺和各种机床设备等，对学生掌握金工技能、支撑后续实践课程学习等发挥了积极作用，许多学生甚至在毕业多年以后仍旧有着加工了一把锤子的深刻记忆。［5-6］这样的课程设置符合当时工业3.0的时代定位，而如今世界科技飞速发展、日新月异，世界已经进入了以现代制造、智能制造为主体的工业4.0时代，进入了以机器人、人工智能为特点的“机器人+”时代和“人工智能+”时代。新时代对高校学生的工程能力、工程素养和创新精神有着完全不同的、更高阶的要求，依靠传统的以金工为主的课程内容已然不能满足时代需要。

自2017年以来，教育部积极推进新工科建设，要求高校加快推进新产业、新技术的多学科交叉融合发展。［7-8］以前的“金工实习”课程工程技术陈旧、实训面狭窄、内涵深度浅，不能适应新时代的需求，因此课程均逐步更名为工程技术训练、工程技术实践等，其内涵也在逐步拓展与深化。经过广泛调研发现，课程名称虽然做了改变更换，却并未对实训内容体系进行根本性重塑，部分高校仍旧以锤子作为实训载体，只是加工手段从传统加工走向了数控加工，或者更换了实训载体，但实训重点仍旧落在工种上，以工种来牵引实训过程。这与新时代的工程技术训练需求相去甚远，设置的课程内容不能满足以现代制造、智能制造、机器人乃至人工智能等为代表的高新技术对人才工程能力和创新能力的需求，未立足时代的发展和未来的市场需求开展工程训练。［9-11］

因此，为适应新时代工程实践教育的需要，有必要对占基础性地位的工程技术训练课程进行改革建设，梳理新的实践教学理念，探究新的实践训练内容体系，以提高对人才培养的支撑力度。

二、建设总体思路

机器人的广泛应用是工业4.0时代的一个典型特征，机器人深度介入到工业、军事以及生活等场景将是未来机器人技术和人工智能技术发展的必然趋势，即“+机器人”“机器人+”以及智能机器人将逐步成为主流，与之相关的基础理论、关键技术将是各个国家发展的重点领域。围绕机器人开展工程技术训练对学生开展后续以机器人和人工智能等为主的课程打下良好基础，同时也契合新时代的特征，并有助于培养满足未来市场需要的工程技术人才。

遵循“聚焦机器人装备、突出机电特色、训练工程实践能力”的教学理念和总体思路进行“工程技术训练”课程的重塑建设，围绕机器人机电系统认知与设计、机器人机械结构制造与检测、机器人机电装调与试验开展基本的机器人认知解构能力、创新设计能力、加工制作能力、精度检测能力、机电装调能力和试验测试能力等的训练，建设以机器人牵引、机电特色显著、能力训练为主的“工程技术训练”课程，为后续相关专业课程、综合设计课程的学习奠定基础，培养高素质专业化人才。

三、具体建设内容

以机器人为牵引，构建以机器人装备贯穿的机电工程实践训练体系，以机器人整机加工制造能力训练、机器人机电系统集成能力训练为主，拟建设两个工程技术训练实训单元，分别为机器人制造工程实训单元和机器人机电系统实训单元，前者侧重于机器人物理实体的加工制造，目标是实现机器人“想得出、造得了”，后者侧重于对机器人机电系统的控制与调试，目标是实现机器人“动得了、动得好”。

（一）机器人制造工程实训单元

按照“了解制造基础技术、掌握现代制造方法、强化工程综合素养”的思路进行建设，围绕机器人认知与设计、机器人机械结构制造与检测开展基本的装备认知解构能力、创新设计能力、加工制作能力的训练与生成，目的是让学生掌握机器人典型零部件（如轴、车架、轮、薄壁件、盘套件等）的工作原理、设计方法和制造过程，会运用各类数字化、智能化的制造设备、制造工艺，完成机器人典型零部件的研制，为机器人结构本体制造奠定基础。具体建设内容包括机器人本体材料成形实训平台、机器人仿生结构快速原型实训平台、机器人关键零件切削加工实训平台、机器人整机机械装调实训平台等，如图1所示。

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图1  机器人制造工程实训单元

机器人本体材料成形实训平台重点建设移动机器人、固定机器人等本体结构的工程材料成形数字化、精密化的实训条件，包括材料热成形教学系统、复合材料成形系统、热处理系统、光谱仪等，从机器人本体结构的工程材料成形、材料改性、材料观测等方面建设较为完备的实训内容与条件。

机器人仿生结构快速原型实训平台重点建设基于3D打印、激光加工、刻蚀腐蚀的机器人功构一体化仿生结构的快速制备与验证环境，包括工业级3D打印机、激光切割机、光刻显影、薄膜沉积、刻蚀腐蚀、键合封装、测试表征等加工工艺模块，为移动机器人仿生驱动器、仿生行走部件、仿生执行器制作提供环境支撑。

机器人关键零件切削加工实训平台主要针对机器人上轴、架等较高加工精度要求、较高工作能力要求的零件，建设基础制造综合组件、数控机床、多轴加工中心、复合加工中心、精密雕铣机等，支撑关键零件的金属切削半精加工、精加工，为实现精确的机器人运动控制奠定结构基础。

机器人整机机械装调实训平台位于机器人制造工程实训子环境的末端，主要是将前面三个实训平台得到的本体框架、仿生结构件、关键零件以及电源、电机、驱动器、控制器等部组件装配起来，并进行机械装调，实现对机器人整机机械系统的搭建。

依托上述四个子平台，机器人制造工程实训单元可以开设的实训模塊包括机器人拆装认知实训、材料成形实训、机器人复杂结构件逆向工程实训、机器人复杂结构3D打印实训、机器人薄板结构激光切割实训、机器人核心零部件数控加工实训、微小型机器人制造实训、机器人机械装调实训等。

（二）机器人机电系统实训单元

机器人机电系统实训单元以各类先进机器人为实践对象，培养学生的大工程观和大系统观，锻炼学生机器人软硬件设计、调试、检测、维修能力，鼓励学生根据应用需求开展创新研究，为培养高素质新型军事人才奠定基础。实训单元的教学目标为：1. 强化学生工程学思维和方法，提高学生对机器人运用、维护及维修的实践能力；2. 培养学生综合实践能力，促进学生掌握机器人机电控制和系统集成能力；3. 提升学生创新能力，促进学生掌握机器人软硬件系统整体设计、调试方法，加强学生面对典型应用场景，进行机器人改装、升级、创新等创造性工作的能力，为培养机器人等机电装备创新人才奠定基础。

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图2  机器人机电系统实训单元

在有序衔接机器人制造工程实训单元的基础上，按照机器人“系统认知、创新设计、系统集成、调试检测、机电控制、综合应用”的思路建设课程，锻炼学生对机器人机电系统的设计、拆装、调试、检测、维修等工程实践能力，培养学生根据军事应用需求设计和优化机器人的创新能力。具体建设内容包括机器人移动模块实训平台、机器人执行模块实训平台、仿生机器人创新实训平台、机器人设计与测试平台等，如图2所示。

机器人运动功能模块实训平台主要针对工业、军事、生活场景下的各类机器人移动方式，聚焦各类型机器人移动底盘的机电控制特性，分析轮式、履带式、足式、轮/履/足复合式机器人的机械设计、轨迹规划、运动控制等特性，重点加强学生对足式机器人的学习、理解和研究深度，加强学生“拆—装—维—修—调—改－创”等工程实践活动，丰富教学对象和教学手段，提升学习的参与度和认知度。

机器人操作功能模块实训平台主要针对各类机器人搭载的载荷开展建设，聚焦仿人上肢机器人、“灵巧手”、并联型机器人等多种类型机器人执行机构，开展机构设计、运动学分析、高精度轨迹跟踪控制、机器人动力学与控制等内容学习，重点加强学生对仿人上肢机器人的学习、理解和研究深度，丰富工程技术训练课程教学实践手段，提升学生学习的广度和深度。

仿生机器人创新实训平台主要开展新机理、新形态、新构型仿生机器人研究，通常基于建设高校的相关科研实现教研融合，充分激发学生的创新意识和创新能力。

机器人设计与测试平台主要针对机器人设计和测试相关环境建设，聚焦虚拟设计、力学采集、运动捕捉、运动与操控等机器人设计与测试典型条件，提升学生对机器人设计、加工、控制与创新的学习深度，为学生的深入研究和创新提供条件。

机器人机电系统实训单元以机电系统为核心，融合智能科学与技术，强化工程实践能力，提升前沿创新能力，有利于帮助学生夯实学科知识，强化工程思维，提升实践能力和创新能力。

四、建设效益

通过构建以机器人装备牵引的“工程技术训练”课程内容体系，将改变该课程当前以“金工实习”或“机械制造工程实践”为主的实训内容和实践条件，强调以机器人整机加工制造能力和机器人机电系统集成能力的训练与生产为主，将有效支撑学员工程素养、工程思维、工程实践能力、工程创新意识等的培养，契合工业4.0时代以及新工科建设对大学生的培养需求。从建设的预期效益上进行分析，这种新的“工程技术训练”课程建设将在以下几个方面带来显著效益。

课程建设后可直接服务于机械类专业、近机类专业以及其他工科专业的工程训练实践教学，可覆盖机器人认知实践训练、机器人机械综合设计训练、机器人机械制造实践训练、机器人机电系统设计实验、机器人综合控制实践等，开展“认知训练—基础训练—综合训练—创新训练”的多层次实践教学。

能够有效支撑全国先进成图与信息建模技术大赛、全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生工程实践与创新能力竞赛、ICAN竞赛等各类省级、国家级学科竞赛，以及大学生创新项目等，对大学生“双创”实践具有很好的支撑作用。

进一步加强新兴专业建设，尤其是对于机器人工程、人工智能等新工科专业具有强大助力作用。新工科强调多专业之间的交叉融合，在新材料、新应用、新融合等方面可能衍生出的新兴领域和专业，机器人更是多专业融合的典型代表，产生了机器人工程、智能机器人系统等新兴专业，以机器人牵引的“工程技术训练”课程对支撑新兴专业建设具有积极的作用。

五、结语

针对当前工程技术训练课程对新时代需求支撑度不高的问题，考虑改变传统以工种主导或金工侧重的实训模式，以机器人牵引工程技术实践训练过程，建设覆盖机器人认知、机器人结构方案创新设计、机器人零部件加工制造、机器人机械装调、机器人机电系统调试、机器人功能测试等相关工程技术训练的新内容体系，形成机器人制造工程实训、机器人机电系统实训两个进阶式单元，有助于培养学生的机器人整机加工制造能力和机器人机电系统集成能力。

参考文献：

［1］ 吴庆宪. 高等工程教育发展与高校工程训练中心功能定位［J］. 南京航空航天大学学报（社会科学版），2006（01）：68-71+86.

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［4］ 毕耕，郑敏利，谭光宇. 工程训练课程体系的研究与探索［J］. 中国高教研究，2001（11）：95-96.

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［10］ 谭民，王硕. 机器人技术研究进展［J］. 自动化学报，2013，39（07）：963-972.

［11］ 蔡自兴. 中国人工智能40年［J］. 科技导报，2016，34（15）：12-32.

（责任编辑：邵秋露）