高校机械电子工程专业机器人实践教学平台建设研究

摘 要：“中国制造2025”是实施制造强国战略的重要措施，工科院校机械电子工程专业是培养“中国制造2025”所需的新型制造业人才的主体。该文针对新型制造业人才的能力需求，进行了高校机械电子工程专业机器人教学平台建设的研究。以培养新型制造业人才为目标，以4类能力需求为导向，基于专业课程体系群，构建基于通用机器人的高校机械电子工程专业机器人实践教学平台，建立分层次的实验体系。该研究对于培养新型制造业人才，助力“中国制造2025”有重要意义。

关键词：中国制造2025 机械电子工程专业 机器人实践教学平台 能力培养

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（c）-0160-04

实践教学是高校机械电子工程专业不可或缺的重要教学环节，其在培养学生创新思维和实践动手能力方面具有重要意义。机器人教学平台是高校开展实践教学，培养及提高学生创新能力的最佳平台。当前，我国正处于“中国制造2025”战略发展时期，高校机械电子工程专业作为制造业人才培养的主体机构，积极开展机器人实践教学平台建设，正是响应国家智能制造战略“以人为本”的基本方针，充分把握智能制造业人才培养市场机会，顺应高校实践教学发展趋势，提高学生实践和创新能力，适应智能制造发展对高素质机械电子工程人才需求的重要工作。

1 高校机械电子工程专业机器人实践教学平台建设的必要性

1.1 高校助力“中国制造2025”的重要措施

2015年5月8日国务院公布的为强化高端制造业的国家战略《中国制造2025》明确提出“以人为本”的基本方针，强调“坚持把人才作为建设制造强国的根本”，“加快培养制造业发展急需的专业技术人才”，“以高层次、急需紧缺专业技术人才和创新型人才为重点，实施专业技术人才知识更新工程和先进制造卓越工程师培养计划，在高等学校建设一批工程创新训练中心，打造高素质专业技术人才队伍”[1]。高校机械电子工程专业是培养制造业人才的主体。机器人教学平台是高校进行工程训练，开展实践教学，培养提高学生创新能力的最佳平台[2]。因此，高校机械电子工程专业应依托机器人实践教学平台，加强新型制造业人才培养力度，提高制造业人才整体素质，以响应制造业强国战略、助力“中国制造2025”。

1.2 把握智能制造人才培养市场机会的客观要求

高校人才培养要关注新问题，迎接新挑战[3]。当前，我国正处于传统制造向智能制造的升级转变阶段，智能制造也是“中国制造2025”战略发展的主攻方向。要实施“中国制造2025”发展战略，达到中国制造强国的发展目标，必然需要大量具有以机器人和数控机床为代表的自动化、智能化装备专业背景知识、具备创新设计能力和自动化、智能化产品研发和制造能力的高素质制造业人才[4]。然而，目前我国制造业人才中高级技工人数仅占5%，远低于欧美制造业强国35%～40%的平均水平，而且具有大学本科学历的制造业工人的数量也甚少[5]。实践教学是高校人才培养的重要环节，而机器人平台是开展工程实践训练，培养学生创新思维和实践能力的最佳平台[2]。因此，高校应把握新形势下的人才需求市场机会，积极建设机器人实践教学平台，提升高校机械电子工程专业人才培养质量，增强学生综合能力，适应智能制造发展对高素质制造人才的需要。

1.3 机械电子工程专业人才培养中实践教学的发展趋势

机器人是典型的机电一体化系统，它融合了机械、电子、单片机软硬件、传感器、通讯和自动控制技术等众多先进技术，涉及单片机、C/C++语言、传感器、机械设计、自动控制技术、无线通讯等专业课程知识内容，被称为“当代最高意义上的自动化”。机器人实践教学一直是个热点，其在培养学生实践创新能力方面具有重要作用。早在1970年，麻省理工学院（MIT）机械电子工程系的H.H.Richardson教授就采用了《设计课程导论》课程，并将其改造成一项设计竞赛，成功开创了“工程导向式”培养模式的先河，目前它已经成为全世界众多遥控机器竞赛和机器人比赛的典范[6]。此外，美国、日本、德国、法国和韩国的高校都开设了机器人课程。其中，美国高校不仅开设了诸如《机器人学》《机器人学导论》这样的机器人相关理论课程，它们还将机器人作为课程的学习平台以提高学生的工程实践能力和创新能力。近年来在国内，清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等传统工科优势高校也相继以教学机器人或者改造过的工业机器人为载体，开展了工程实践课程或者相关活动，并取得了一些成效。依托机器人平台，已成为高校实践教学发展的大趋势，高校要顺应这一趋势，大力开展机器人实践教学平台建设，提高高校教学质量。

1.4 有限实验条件下的有效人才培养措施

实践教学活动是工科院校人才培养的重要组成部分，但是很多院校由于实验经费投入不足、实验人员数量不足、实践教学活动时间少等原因，导致学生的培养质量下降。选择通用的实践教学平台、构建合理的课程体系是实现“有限实验条件下的有效人才培养”的重要措施。具有高度综合和学科交叉性质的机器人实践教学平台，同时具备机械、电子、自动化、计算机等学科的实践教学功能。构建高校机械专业机器人实践教学平台是解决工科院校在有限实验条件下，进行人才培养的有效措施。

2 机械电子工程专业机器人实践教学平台建设的目标和基本思路

2.1 建设目标

机械电子工程专业机器人实践教学平台旨在以机械臂教学平台、各种传感器模块、开放式控制器平台、轮式移动机器人教学平台、机电一体化综合应用等几大机器人教学平台为载体，通过分年级、分层次的模块化能力培养模式，实现专业课程体系的理論知识和机器人实践教学平台的有效衔接，从而达到机械电子工程专业的培养目标，即：培养掌握基本数学和自然科学知识；具备坚实的机械学科的基本理论和机械电子工程专业知识；具有从事机械电子工程行业所需的数值计算与分析能力、机构设计与分析能力、控制系统设计与分析能力、工程实践综合运用能力；胜任机械电子工程领域的研究开发、设计制造、技术经济管理等岗位的智能型制造人才。

2.2 基本思路

结合智能制造人才的内涵，依据解决工程问题的能力需求，我们认为智能制造时代机械电子工程专业大学生应具备4类基本能力，即数值计算与分析能力、机构设计与分析能力、控制系统设计与分析能力、工程实践综合运用能力。对应这4个能力模块，将机械电子工程专业机器人实践教学划分为4个层次，即：关注数值计算与分析能力培养的基础实验、关注机械设计与分析能力培养的拓展实验、关注控制系统设计与分析能力培养的提高实验、关注工程实践综合运用能力培养的综合实验。基本建设思路如图1所示。

2.2.1 基础实验

基础实验的适用对象为大一学生，旨在帮助大一学生了解和掌握工科专业基础知识，强化数值计算与分析能力的培养。实验内容涉及的课程主要包括《Matlab程序设计与应用》《工程数学》《工程力学》。实验项目包括：（1）基于“机械臂教学平台”和“轮式移动机器人教学平台”，运用《工程数学》的基本数学理论知识，结合Matlab的Robot工具箱进行机器人运动学分析，使学生深入理解数学的基本概念和基本方法，掌握微积分运算、矩阵运算、线性方程组运算的方法，培养学生使用数学工具、建立数学模型解决实际问题的意识与能力，并培养大学生运用数学知识解决工程实践的能力。（2）以《工程力学》基本理论为基础，以“机械臂教学平台”和“轮式移动机器人教学平台”的传动轴设计为研究对象，利用Matlab进行建模、仿真，根据运算结果输出传动轴的弯矩图、扭矩图及合成弯矩图，对机器人传动轴进行校核与优化设计。（3）以机器人教学平台为基础，在《工程数学》《工程力学》等课程的学习过程中，借助Matlab软件强大的计算、仿真和绘图功能，激发学生的学习兴趣，培养学生独立思考问题的能力，在奠定工程理论基础的同时达到培养学生数值计算与分析能力的目的。

2.2.2 拓展实验

拓展实验的适用对象为大二学生，旨在帮助大二学生了解和掌握机械电子工程专业的相关知识，强化机构设计与分析能力的培养。实验内容涉及的机械专业基础课程有《金属工艺学》《工程制图》《机械原理》《机械设计》《互换性与测量技术》《基于SolidWorks的机械CAD/CAE》等。其中，学生通过《基于SolidWorks的机械CAD/CAE》课程的学习，要能使用SolidWorks软件进行机构设计与分析。因为，SolidWorks软件以其强大的工程图设计、零件建模、装配体建模、钣金设计、模具设计、机构运动仿真、机构力学分析、机构优化、计算液体力学分析、虚拟样机等功能，目前在航空航天、机车、食品、机械、国防、交通等领域得到广泛应用。在国外，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学都已经把SolidWorks列为制造专业的必修课。在国内，清华大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、大连理工大学、北京理工大学、武汉理工大学等一批具有机械电子工程优势专业的高校也都在应用SolidWorks开展实践教学。实验项目包括：基于“机械臂教学平台”和“轮式移动机器人教学平台”，利用SolidWorks软件进行机器人关键零部件的3D设计、机构运动学仿真、机构优化设计，在具备一定的设计基础后进行新型机器人运动机构的设计与开发，最终达到机构设计与分析能力培养的目的。

2.2.3 提高实验

提高实验的适用对象为大三学生，旨在帮助大三学生了解和掌握电气与控制相关专业知识，强化控制系统设计与分析能力培养。提高实验涉及的课程为电气与控制专業课程，不同课程实现不同能力与技能的培养。如通过学习《电路基础》《电工电子》课程，要求学生掌握基本的电路设计方法；通过学习《C/C++语言程序设计》《单片机应用技术》《微机原理与接口技术》课程，要求学生掌握控制系统设计的方法；通过学习《机械工程控制基础》《传感器与测试技术》《机械故障诊断》《Labview虚拟仪器技术》课程，要求学生掌握基本的控制理论；通过学习《PLC原理与应用》《液压与气压传动技术》《机电传动控制》课程，要求学生掌握常用执行机构的工作原理及应用方法。该实验模块的内容包括：（1）基于“开放式控制器平台”，利用单片机、工控机、PC机、PLC等控制器实现电机、液压缸、液压马达、气压缸等常用执行器的运动控制，掌握开放式运动控制器的应用与开发方法；（2）基于“各种传感器模块”平台，利用Labview软件，掌握各类传感器的使用及信号采集与处理方法；（3）基于“开放式控制器平台”“各类传感器模块”“机械臂教学平台”和“轮式移动机器人教学平台”，根据控制理论，通过设计C/C++控制程序，实现机器人的运动控制，并通过Matlab的Simulation工具箱对控制系统进行分析。

2.2.4 综合实验

综合实验的适用对象为大四学生，旨在帮助大四学生了解和掌握机械电子工程的专业知识，强化工程实践综合运用能力。综合实验要求大四学生通过《机器人技术》《数控加工技术》《工业设计》《工业系统工程》《自动化产品设计》和《自动化生产线设计》等课程的学习，基于各类机器人教学平台，以课程设计、毕业设计的形式，进行以工程应用为导向的各类课题的研究。以工程应用为导向的相关的课题包括：传感器类课题（机器人路径规划、移动机器人精确定位研究、传感器信号采集及处理）、运动控制类课题（基于PID控制的机器人轨迹跟踪、移动机器人控制方法研究、开放式机器人控制器研究）、机器人系统类课题（新型机器人系统开发、机器人寻迹、机器人避障、机器人灭火）、图像处理类课题（视觉伺服控制、机器人视觉信息处理、运动目标跟踪）、人机交互类课题（语音识别技术研究、手势识别技术研究）、工业现场类课题（自动包装生产线研究、自动化仓库研究）。通过工程应用前景明确的课题的研究，实现机电一体化产品开发能力的培养。

3 机械电子工程专业机器人实践教学平台的实践效果

河南工业大学机电工程学院以现有机械电子工程训练中心为基础，在学校实验室建设专项经费支持下，规划建设了机械电子工程专业机器人实践教学平台。长期的实践教学表明，机器人实践教学平台对促进学生能力培养，激发学生的学习兴趣，提高人才培养质量有重要作用。

3.1 培养了学生从事机械电子工程专业所需的能力

专业能力培养是机械电子工程专业的重要教学目标。通过以能力培养为导向的专业课程体系群学习后，学生掌握了工科专业基础知识和机械电子工程专业知识；通过基于机器人教学平台的实践教学环节的培养后，学生具备了从事机械电子工程行业所需的数值计算与分析能力、机构设计与分析能力、控制系统设计与分析能力和工程实践综合运用能力。其中，在工程实践综合运用能力培养过程中，基于机器人教学平台，运用工程软件解决复杂工程问题的培养效果尤为明显。如运用Matlab进行工程计算、运用Matlab Simulation进行控制系统仿真、运用SolidWorks进行机构3D设计、运用SolidWorks Simulation进行机构力学特性分析与仿真、运用SolidWorks Flow Simulation进行流体力学分析、运用Labview进行控制系统构建、信号采集与处理等，极大地提高了学生解决复杂工程问题的能力。

3.2 激发了学生的学习兴趣，提高了人才培养质量

趣味性是学习的原动力，基于机器人教学平台的实验教学模式以工程应用能力为培养目标，以工程问题为研究对象，有效地提高课程的趣味性，增强了学生的学习主动性。通过组织小组对抗赛、校内机器人大赛、校间机器人大赛，充分调动了学生学习的积极性、主动性；通过组织参加挑战杯、机械设计创新大赛，提高了学生的创新思维能力，实现了工程应用能力培养的目的，在提高人才培养质量的同时，大大提高了大学毕业生的首任职业胜任率。

4 结语

针对机械电子工程行业对数值计算与分析能力、机构设计与分析能力、控制系统设计与分析能力和工程实践综合运用能力的需求，构建基于机械臂、传感器模块、开放式控制器平台、移动机器人和机电一体化系统的机械电子工程机器人实践教学平台，建立包括基础实验、拓展实验、提高实验和综合实验的分层次实验体系。实践教学效果表明，机器人实践教学平台对于培养大学生综合能力，激发学习兴趣，提高培养质量有重要作用。

参考文献

[1]于志晶，刘海，岳金凤，等.中国制造“2025”与技术技能人才培养[J].职业技术教育，2015（21）：10-24.

[2]黃文恺，陈虹.机器人创新性教学平台的实践与探索[J].今日科苑，2009（5）：131-132.

[3]钟秉林.大学人才培养要研究新问题，应对新挑战[J].中国大学教学，2013（7）：1-2.

[4]周济.智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程，2015（17）：2273-2284.

[5]史红.浅析“中国制造2025”发展战略倒逼高职机械类专业教学改革[J].才智，2015（22）：330-333.

[6]Siciliano，Bruno，Oussama Khatib.Springer handbook of robotics[M].Springer，2008.

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