高文英

（沈陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110045）

機(jī)械的自動(dòng)化是當(dāng)今不可避免的一大趨勢(shì)。智能機(jī)器人代替人類工作能夠解決安全性、效率、可靠性等一系列問(wèn)題，并能夠在小空間內(nèi)代替人類無(wú)法觸及的領(lǐng)域去完成工作。振興東北老工業(yè)基地，要在做強(qiáng)裝備制造業(yè)的同時(shí)加快培育機(jī)器人等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)由“中國(guó)制造”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸袊?guó)智造”。作為東北老工業(yè)基地的遼寧沈陽(yáng)，正在大力發(fā)展智能制造、智能服務(wù)和智能生產(chǎn)，加快向智能化轉(zhuǎn)型[1-6]。

一、高職院校機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)存在的問(wèn)題

機(jī)器人技術(shù)課程為高職機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)的專業(yè)必修課，課程主要講授機(jī)器人概述、分類、結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、控制技術(shù)、編程技術(shù)等[7-10]。本課程在教學(xué)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題如下。

（一）課程難度大，需要的前續(xù)知識(shí)儲(chǔ)備量大

高職機(jī)器人技術(shù)課程要求學(xué)生掌握機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、控制工程、電子與電工技術(shù)、傳感器與測(cè)試技術(shù)及其它一些機(jī)與電的專業(yè)知識(shí)，而大部分高職學(xué)生缺乏扎實(shí)的機(jī)械和控制的理論基礎(chǔ)，或者說(shuō)機(jī)械和控制二者得此失彼，是機(jī)器人技術(shù)課程遇到的最大障礙，學(xué)生難以對(duì)本門(mén)課進(jìn)行整體的把控。

（二）課程教學(xué)過(guò)程與生產(chǎn)實(shí)踐相脫離

本課程為高職機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)第四學(xué)期的專業(yè)基礎(chǔ)課，共48學(xué)時(shí)，其中理論基礎(chǔ)40學(xué)時(shí)，實(shí)踐環(huán)節(jié)8學(xué)時(shí)。實(shí)踐環(huán)節(jié)多以參觀為主，理論教學(xué)枯燥，多是一些理論計(jì)算、分析，從而使學(xué)生從一開(kāi)始就對(duì)本門(mén)課產(chǎn)生厭惡感。講授過(guò)程中主要以書(shū)本為主，并基本采用理論講述，效果欠佳。

（三）課程考核形式單一

課程多以筆試考核形式來(lái)結(jié)束課程學(xué)習(xí)。主要通過(guò)考查理論計(jì)算、概念等知識(shí)，學(xué)生只需通過(guò)期末復(fù)習(xí)即可通過(guò)考試，導(dǎo)致學(xué)生缺課率提高，而無(wú)法考查學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手及理解能力，與企業(yè)實(shí)際需求脫鉤。

二、課程改革目標(biāo)

高職機(jī)器人技術(shù)課程主要基于當(dāng)今應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，使學(xué)生在掌握機(jī)器人理論基礎(chǔ)的同時(shí)，通過(guò)組織競(jìng)賽、任務(wù)分解、在課堂上對(duì)任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)、實(shí)踐操作，從而真正地達(dá)到對(duì)課程的理解、掌握等目的。

三、以競(jìng)賽為導(dǎo)向的課程改革建設(shè)實(shí)例

以遼寧省機(jī)器人競(jìng)賽為原型，題目為“智能撿球機(jī)器人”，要求機(jī)器人能夠按照給定軌跡行進(jìn)，能夠自主識(shí)別路邊的圓球，并通過(guò)車(chē)載拾球裝置將球拾起，行進(jìn)至終點(diǎn)后能夠自主將收集的圓球倒入收球箱內(nèi)。

（一）課程學(xué)時(shí)設(shè)置

為了滿足教學(xué)效果，達(dá)到課程改革要求，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用技能型人才培養(yǎng)，提高學(xué)生實(shí)踐能力，特將本門(mén)課程設(shè)置為總64學(xué)時(shí)，其中32為理論教學(xué)，32為實(shí)踐訓(xùn)練。

1．理論教學(xué)課時(shí)安排

理論教學(xué)以競(jìng)賽為導(dǎo)向開(kāi)設(shè)學(xué)習(xí)內(nèi)容，針對(duì)機(jī)器人制作過(guò)程中所需知識(shí)，來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)體系，以此提高教學(xué)效率。開(kāi)設(shè)的教學(xué)內(nèi)容、目標(biāo)及學(xué)時(shí)如表1所示。

2．理論教學(xué)考核方式

考核方式是一門(mén)課程如何結(jié)束的重要部分，也是了解學(xué)生掌握程度的一項(xiàng)重要措施。根據(jù)教學(xué)改革目標(biāo)，將本次課程考核方式確定為任務(wù)式分階段教學(xué)得分的方式，以此達(dá)到提高學(xué)生實(shí)踐能力、掌握主要知識(shí)點(diǎn)的目的。

表1 理論教學(xué)課時(shí)安排

將班級(jí)按照人數(shù)分為4組（每組8人），按照每2～3周一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行任務(wù)分配，達(dá)到每人有項(xiàng)目，每人有分?jǐn)?shù)。并進(jìn)行PPT幻燈片匯報(bào)，共6次匯報(bào)，每次10～20分不等，滿分100分。以此使整個(gè)評(píng)分貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程，從而消除逃課、半路放棄或者期末突擊考試等情形，真正達(dá)到人人聽(tīng)課、人人參與、人人實(shí)踐和人人達(dá)標(biāo)的要求。

3．實(shí)踐環(huán)節(jié)考核

實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)條件：實(shí)踐環(huán)節(jié)與理論教學(xué)一一對(duì)應(yīng)，在完成理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，展開(kāi)機(jī)器人的制作訓(xùn)練，訓(xùn)練目的和題目與理論教學(xué)一致。

實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)任務(wù)：a.設(shè)計(jì)一款能夠按給定軌跡行進(jìn)的移動(dòng)平臺(tái)；b.設(shè)計(jì)一款能夠安裝在移動(dòng)平臺(tái)上的機(jī)械手臂；c.設(shè)計(jì)控制程序流程圖，編寫(xiě)相關(guān)程序；d.制作實(shí)物，調(diào)試程序。

實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)要求：a.完成小車(chē)的建模，打印整套圖紙做出實(shí)物；b.完成機(jī)械手的建模，打印整套圖紙，做出實(shí)物；c.完成整機(jī)裝配調(diào)試

4．實(shí)踐環(huán)節(jié)的評(píng)分設(shè)置

實(shí)踐環(huán)節(jié)的分值設(shè)置如表2所示。

（二）課改教學(xué)成果

1．創(chuàng)新點(diǎn)

一是根據(jù)機(jī)器人技術(shù)的課程特點(diǎn)，制定了由“32（理論）+32（實(shí)踐）”的學(xué)時(shí)分布特色，實(shí)現(xiàn)了理實(shí)一體化教學(xué)安排。

二是通過(guò)過(guò)程考核，控制了學(xué)生出勤率，實(shí)現(xiàn)了人人參與、步步得分的課堂環(huán)境，打破了常規(guī)的試卷模式。

三是確保了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，增加了實(shí)踐動(dòng)手能力。

表2 實(shí)踐環(huán)節(jié)的分值設(shè)置

2．教學(xué)成果展示

（1）小車(chē)造型

學(xué)生自己動(dòng)手，通過(guò)實(shí)際的加工，遇到困難自己尋求解決問(wèn)題所需知識(shí)，打破了傳統(tǒng)的教學(xué)模式。加工完成的小車(chē)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人小車(chē)三維總體設(shè)計(jì)

小車(chē)采用2輪履帶式進(jìn)行避障行進(jìn)，采用3自由度機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)，并用自制1自由度機(jī)械爪夾持機(jī)構(gòu)以及絲杠倒球機(jī)構(gòu)等共同組成機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)。學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合了機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)械制造等專業(yè)知識(shí)理論，效果良好。

（2）行走裝置

本機(jī)器人采用12V傳動(dòng)比為1:100的直流減速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，采用履帶式行進(jìn)方式，來(lái)提供動(dòng)力，從而穩(wěn)定前進(jìn)（如圖2所示）。

圖2 機(jī)器人行走裝置設(shè)計(jì)

（3）抓取裝置

抓取機(jī)構(gòu)采用機(jī)械爪抓球?qū)崿F(xiàn)撿球。設(shè)計(jì)采用舵機(jī)提供動(dòng)力，齒輪嚙合，從而能更精確的抓取，從美觀的角度來(lái)講，也做到了機(jī)械爪之美（如圖3所示）。

圖3 機(jī)器人抓取裝置設(shè)計(jì)圖

（4）運(yùn)球裝置

運(yùn)球裝置采用以12V直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)絲杠，使絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使運(yùn)球裝置翻轉(zhuǎn)，達(dá)到運(yùn)球的目的（如圖4所示）。

圖4 機(jī)器人運(yùn)球存球裝置設(shè)計(jì)

（三）電控部分設(shè)計(jì)

1．電機(jī)選擇

根據(jù)模型預(yù)先布置好了軌跡以及工作時(shí)間要求，要求規(guī)定機(jī)器人需要行走的直線距離有兩段，一段為1 800 mm，另一段為600 mm。機(jī)器人需要行走的曲線距離也有兩段，一段是半徑為600 mm的1/4圓弧，另一段是半徑為600 mm的1/2圓弧。經(jīng)過(guò)整合與分析之后，計(jì)算出整個(gè)賽道機(jī)器人需要行進(jìn)的中心距離大約為5 235 mm，結(jié)合預(yù)留給機(jī)械手抓取圓球的時(shí)間總成估算為1分鐘，這樣留給行走的時(shí)間應(yīng)控制在兩分鐘以內(nèi)。

由于履帶底盤(pán)的驅(qū)動(dòng)輪直徑為4.8 mm，即履帶輪的周長(zhǎng)大約在151mm左右，用路程比上輪子周長(zhǎng)做出電機(jī)最終輸出的轉(zhuǎn)速為17轉(zhuǎn)/分鐘?？紤]到彎道會(huì)損耗速度按比例計(jì)算實(shí)際電機(jī)需要達(dá)到的轉(zhuǎn)速應(yīng)該是22轉(zhuǎn)/分鐘，車(chē)體部分采用了鋼板角鐵等金屬結(jié)構(gòu)，這樣可能導(dǎo)致車(chē)體本身偏重，所以電機(jī)需要一定的扭矩。在負(fù)載的影響下電機(jī)是不可能達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)的，為了控制速度，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)控制在26轉(zhuǎn)/分鐘至30轉(zhuǎn)/分鐘之內(nèi)。經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)電機(jī)參數(shù)最終選擇了一款額定轉(zhuǎn)數(shù)為27轉(zhuǎn)/分鐘、額定電壓為12 V、傳動(dòng)比為1:290的直流減速電機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2．舵機(jī)選擇

由于所撿圓球質(zhì)量為60 g，外加機(jī)械臂的長(zhǎng)度，故選用的舵機(jī)為MG996的舵機(jī)作為機(jī)械臂以及機(jī)械爪的關(guān)節(jié)部分，從而能夠支持機(jī)械爪以及球的重量?？紤]到整個(gè)機(jī)械臂及機(jī)械爪的重量選用MG996遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠支持其總質(zhì)量，故選LD-1501數(shù)字舵機(jī)1個(gè)，作為機(jī)械臂最底部的支撐，從而達(dá)到理想的狀態(tài)。

3．傳感器選擇

本機(jī)器人采用的傳感器是用3個(gè)紅外避障傳感器、2個(gè)紅外檢測(cè)球的傳感器組成。

4．電源選擇

因?yàn)楸緳C(jī)器人整體質(zhì)量較大，選用電機(jī)扭矩較大，故采用12V鋰電池作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。另外，因?yàn)闄C(jī)械臂連接各驅(qū)動(dòng)板，所以采用7.4V鋰電池來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂以保證它動(dòng)作穩(wěn)定。為了更易于識(shí)別待檢測(cè)物體需電壓穩(wěn)定，故采用7.4V電源單獨(dú)給各傳感器供電。

5．產(chǎn)品造價(jià)

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品報(bào)價(jià)

機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品報(bào)價(jià)如表3所示。

表3 機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品報(bào)價(jià)

（2）機(jī)械電控產(chǎn)品報(bào)價(jià)

機(jī)械電控產(chǎn)品報(bào)價(jià)如表4所示。

表4 機(jī)械電控產(chǎn)品報(bào)價(jià)

通過(guò)此次教學(xué)改革，達(dá)到了理實(shí)一體化的目的，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了出勤率，更加深了前期知識(shí)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等知識(shí)掌握，對(duì)學(xué)生的專業(yè)提高起到了一定的促進(jìn)作用，改革效果良好。在今后會(huì)繼續(xù)加大教改力度，真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。