胡秋实，李 恒，李 磊
（江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212000）
2018，教育部发布了《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0 的意见》（下称卓越工程师培养计划2.0）[1]，该计划对于深入开展新工科研究与实践，构建产学合作协同育人，持续打造产教融合、产学研用的新生态。为适应经济社会发展需求，依据“工程教育认证”和“卓越工程师培养计划2.0”的相关要求，国内各工科院校积极开展相关教育教学改革和实践，为了提高学生的实践能力和创新能力[2]。作为国内首批300 所“卓越工程师培养计划2.0”建设高校之一，江苏科技大学积极开展课程改革，以机械工程学院为例，学院在新一轮的理论和实验教学大纲修订工作中加强了实践环节的培养力度，特别是新增设了智能制造工程专业，对机器人和机电传动等相关课程的教学和实验提出了更高的要求。自制“机器人学”实验设备（下称自制实验设备），不仅可以获得比直接外购更好的教学和实验效果，又可以减少资金投入，同时锻炼了教师队伍，增加了学生的参与机会，为后期的本科创新计划和研究生培养奠定基础，具有明显的技术和经济效益。
1.1 开发背景
当前，随着协作机器人和人形机器人的技术发展，机器人的关节已由过去的驱动和控制独立式发展为驱控一体化的关节模组[3]。然而，市场上没有针对教学演示和创新设计用的机器人关节一体化传动实验模组。机器人关节减速器生产商的主要客户均为机器人本体制造商，无法用于学生的实验教学[4]。进口品牌虽然有部分关节模组，但控制系统不开放，并且不提供接口的定制化，不能直接面向实验和相关教学实践活动。因此，需要自主开发“机器人学”自制实验设备，满足学生的培养需求。
1.2 软硬件开发
“机器人学”自制实验设备为机器人关节一体化传动实验模组，其结构主要包括精密传动和驱动控制两部分，核心零部件主要有谐波减速器、无框力矩电机、制动器、驱控器和角度编码器等。
为了能满足学生对“机器人学”自制实验设备的拆装需求，机械部分均采用模块化接口，并对关键传动部件谐波减速器的输入轴进行结构改进，方便学生实验过程中的拆装。关节模组的机械部分均由项目组自行设计，输出工程图后委外加工，无框力矩电机、制动器、角度编码器和伺服驱控器等电气元件均选型自市场上的成熟产品。
软件层面，“机器人学”自制实验设备基于闭环伺服控制技术，驱控系统以STM32 单片机为基础，采用CAN 通信进行电信号与上位机的信息交互。上位机软件可实现如下功能：（1）运动模式控制，可实现绝对位置控制、速度控制、加速度控制、减速度控制等功能。（2）PID 调节，可进行速度环和位置环的比例、积分、微分控制，调整各参数值，通过示波器进行波形的采集和显示。学生可以根据课程要求，进行包括结构拆装、调速、位置控制、PID 参数调节等实验内容。
1.3 课程契合度分析
学院过去采用的是传统六轴工业机器人进行实验，由于工业机器人系统和机械部分不开放，仅能进行机器人结构、机器人建模及控制等教学内容。本方案开发的“机器人学”自制实验设备，不仅可以作为单个模组为学生提供齿轮传动教学、PID 转速控制和伺服控制，还可以通过多模组的快速组装实现可变轴机器人的搭建，为学生提供机器人认知、运动规划、轨迹规划以及正逆解等课程实验。自制实验设备无论在实验数量和课程的契合度上，均优于传统的实验方案，具有良好的教学应用价值。
机器人学实验课主要分为两个实验，实验一为“数字化建模仿真及装配”，实验二为“关节运动控制与仿真”。本课程以自制实验设备为对象，采用设计—建模—装配—运动仿真的实验流程，学生自主进行机器人关节结构的分析与研究，强化学生对机器人学核心知识点的理解。两个实验模式的论述如下：
2.1 实验一：“数字化建模仿真及装配”
该实验通过自制实验设备，使学生认识和了解工业机器人、协作机器人的基本结构和组成，了解主要的电气元件。（1）首先引导学生思考当前关节型机器人的结构特征，例如“六轴机器人”的轴数由什么决定？机器人实现运动关键是什么？如果将模块化思想引入机器人中，是否就可以像搭积木一样“DIY”出一台机器人出来？通过上述问题，引入我们的一体化关节模组设计理念，加深学生对关节模组结构的思考。（2）在关节模组结构的基础上，从尺寸、精度、负载和刚度四个维度，选取适合关节模组的减速器类型，学生在选择过程中加深对传动原理和适用场景的认识。（3）给定关节模组的工况，让学生进行减速器的尺寸设计和建模，并计算传动比、负载力矩、传动效率等技术参数。（4）进行关节模组的实物装配，将减速器、电机、编码器、驱控器和制动器按照模块化的接口组合成关节实验模组。（5）进行虚实融合的运动控制实验，首先基于Solidworks 三维模型，进行运动仿真，区别转动副与固定副，然后进行模组实物运动控制实验，通过不同速度、运动模式的控制，强化对模组功能的理解，以及其在机器人本体中的重要作用。实验流程如图1 所示。
图1 实验一的实验流程
数字化建模仿真及装配实验开展过程融合了虚拟仿真（Solidworks 建模与仿真）与实物操作（模组装配与控制），实验过程以学生为主体，贯穿基础原理、结构参数设计与工程应用能力的培养，学生在动手和思考的过程中，为机器人学课程的理论知识学习奠定了良好的实践基础。
2.2 实验二：“关节运动控制与仿真”
该实验的主要目的是了解PID 控制进行机器人关节调控基本原理，掌握比例环节、积分环节和微分环节的作用和调整方法。（1）运用Matlab 软件的Simulink 模块，基于PID 控制的基本原理和关节模组的传递函数，构建给定关节模型参数的Simulink 仿真流。改变比例环节、积分环节和微分环节的取值，观察该闭环系统对单位阶跃信号的响应。记录不同比例环节、积分环节和微分环节取值下，系统响应曲线的“超调量”及“响应时间”。所记录的数值不少于10 组，并取一组作为最优值。（2）关节模组PID 速度环调节实验。在关节模组的上位机的模块中进行参数调节，然后在上位机的“示波器”模块中，调整“速度环增益”、“速度环积分”等PID 参数值，调整到波形在刚好超调一点，但是未出现过大的震荡。调整结束后，记录最优值。完成实验后，需要学生思考理论虚拟模型与实物实验中PID 参数的差异，引导学生意识到虚拟模型是实物模型的“理想化”简化，培养解决工程问题的数学思维，实验流程如图2 所示。
图2 试验二的实验流程
目前，已经开展的2 个实验主要面向《机器人学》实验课程，实验教学采用软件虚拟教学和实物硬件教学相结合的形式，直观、可视化、信息量大，学生接受知识的渠道多，兴趣更浓厚。经过2 个学年的实验教学，学生收获较大，教师授课轻松，教学效果较好，改革成效显著。
3.1 从自制实验设备到教材修订，课程改革
为了使学生更好地理解机器人的结构，机器人学教研组以自制实验设备的技术资料为蓝本，在原有《机器人学》教材的基础上，强化机器人本体结构及其设计要求，经过2 个学期的实验教学，反复修改完善原有教材，修订后的教材《机器人技术基础及应用》于2022 年10 月交由出版社出版，新教材中专门增加了章节：“机器人的本体结构设计”。该章节加强了对机器人机械系统的剖析，从本体构型、运动形式、传动方式、驱动力计算、执行器设计等环节，图文并茂从关节模组到多轴机器人结构进行了讲解，该教材不仅反映了自制实验设备的工程应用价值，也可以更好的指导学生的实践教学。
3.2 从自制实验设备到本科毕设，产教融合
本科生的毕业设计是对大学阶段专业课程的一次综合实训，是将书本知识与工程需求相结合的研究过程。将自制实验设备的开发过程融合到本科毕设中，从选题的确定、任务书的下达、研究进展的跟踪、完成情况的评价以及应用效果的提升，学生在分析问题、研读文献、设计开发、综合调试以及综合汇报等毕业设计环节中，掌握机器人关节的结构、原理与应用。通过本科毕设的培养，将机器人产业复杂的工程问题转变为毕业设计教学过程中的案例层次分析，产教融合达到设计要求。
3.3 从自制实验设备到本创竞赛，以赛促学
创新创业比赛是为本科生提供学术和产业成果展示的竞赛平台，而自制实验设备正是从机器人产业源头挖掘的产业核心需求，将之进行拓展便可作为本创竞赛课题，比赛的思想风暴、样机制造、材料撰写、汇报答辩等环节，促进本科生各学科的综合发展，提升学生的学习能力和综合素质。课程小组以自制实验设备的开发为契机，先后指导多位本科生参加《机械创新设计大赛》《互联网+大学生创新创业大赛》，获得省级奖3 项，国家级奖1 项。在参赛过程中，教师和学生共同提升，教师对于自制实验设备成果应用开发更有心得，学生的学习兴趣和独立学习和创新思维得到充分锻炼，效果显著。
3.4 从自制实验设备到成果转化，产学研用
在自制实验设备开发初期便聚焦机器人技术的前沿，课程小组关注到关节模组同样可应用于机床的“第四轴”，实现低成本的设备改造。在与需方企业进行技术对接确认技术细节后，完成了横向课题的立项，为企业开发生产装备，很好地解决了企业的工程问题。通过自制实验设备的成果转化，不仅可以教师的理论知识水平，而且可以在与企业的交流中获取产业发展动态的第一手资料，使开发出的产品具备前瞻性、实用性、经济性等特点，成为产学研用的技术孵化器，促进以自制实验设备促进成果转化的新模式，更好地扮演在产学研用中的中坚角色，促进产学研用各方的深入融合。
通过践行“工程教育认证”和“卓越工程师培养计划2.0”，推进了课程改革和实践创新。完成了自制“机器人学”实验设备的开发、软硬件开发并进行了课程契合度分析。凸现了自制实验设备进行“机器人学”相关实验的重要性。运用机器人学的两个典型虚实融合实验，以“数字化建模仿真及装配”与“关节运动控制与仿真”两个实验教学开展的详细过程为例，探索自制实验设备在虚实融合实验中的作用。也探索自制实验设备对课程改革、产教融合、以赛促学和产学研用的正向激励作用。自制实验设备不仅推进了实验教学虚实融合教学模式的改革，也为创新能力的培养奠定基础，具有明显的技术和经济效益。
猜你喜欢模组关节机器人光学薄膜技术及在背光模组中的应用研究电子制作(2019年12期)2019-07-16高速公路表贴透镜模组设计浅谈中国交通信息化(2018年5期)2018-08-21浅谈石墨烯材料在LED路灯模组中的应用及该模组的设计电子制作(2018年8期)2018-06-26钛缆捆扎治疗肩锁关节脱位中国卫生标准管理(2015年24期)2016-01-14miRNA-140、MMP-3在OA关节滑液中的表达及相关性研究安徽医科大学学报(2015年9期)2015-12-16机器人来帮你少儿科学周刊·少年版(2015年4期)2015-07-07认识机器人少儿科学周刊·少年版(2015年4期)2015-07-07机器人来啦少儿科学周刊·少年版(2015年4期)2015-07-07CT和MR对人上胫腓关节面坡度的比较研究医学研究杂志(2015年4期)2015-06-10骨折后关节僵硬的护理中国卫生标准管理(2015年8期)2015-01-26