胡秋實，李 恒，李 磊
（江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）
2018，教育部發(fā)布了《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0 的意見》（下稱卓越工程師培養(yǎng)計劃2.0）[1]，該計劃對于深入開展新工科研究與實踐，構(gòu)建產(chǎn)學合作協(xié)同育人，持續(xù)打造產(chǎn)教融合、產(chǎn)學研用的新生態(tài)。為適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需求，依據(jù)“工程教育認證”和“卓越工程師培養(yǎng)計劃2.0”的相關(guān)要求，國內(nèi)各工科院校積極開展相關(guān)教育教學改革和實踐，為了提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力[2]。作為國內(nèi)首批300 所“卓越工程師培養(yǎng)計劃2.0”建設(shè)高校之一，江蘇科技大學積極開展課程改革，以機械工程學院為例，學院在新一輪的理論和實驗教學大綱修訂工作中加強了實踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)力度，特別是新增設(shè)了智能制造工程專業(yè)，對機器人和機電傳動等相關(guān)課程的教學和實驗提出了更高的要求。自制“機器人學”實驗設(shè)備（下稱自制實驗設(shè)備），不僅可以獲得比直接外購更好的教學和實驗效果，又可以減少資金投入，同時鍛煉了教師隊伍，增加了學生的參與機會，為后期的本科創(chuàng)新計劃和研究生培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)，具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟效益。
1.1 開發(fā)背景
當前，隨著協(xié)作機器人和人形機器人的技術(shù)發(fā)展，機器人的關(guān)節(jié)已由過去的驅(qū)動和控制獨立式發(fā)展為驅(qū)控一體化的關(guān)節(jié)模組[3]。然而，市場上沒有針對教學演示和創(chuàng)新設(shè)計用的機器人關(guān)節(jié)一體化傳動實驗?zāi)＝M。機器人關(guān)節(jié)減速器生產(chǎn)商的主要客戶均為機器人本體制造商，無法用于學生的實驗教學[4]。進口品牌雖然有部分關(guān)節(jié)模組，但控制系統(tǒng)不開放，并且不提供接口的定制化，不能直接面向?qū)嶒灪拖嚓P(guān)教學實踐活動。因此，需要自主開發(fā)“機器人學”自制實驗設(shè)備，滿足學生的培養(yǎng)需求。
1.2 軟硬件開發(fā)
“機器人學”自制實驗設(shè)備為機器人關(guān)節(jié)一體化傳動實驗?zāi)＝M，其結(jié)構(gòu)主要包括精密傳動和驅(qū)動控制兩部分，核心零部件主要有諧波減速器、無框力矩電機、制動器、驅(qū)控器和角度編碼器等。
為了能滿足學生對“機器人學”自制實驗設(shè)備的拆裝需求，機械部分均采用模塊化接口，并對關(guān)鍵傳動部件諧波減速器的輸入軸進行結(jié)構(gòu)改進，方便學生實驗過程中的拆裝。關(guān)節(jié)模組的機械部分均由項目組自行設(shè)計，輸出工程圖后委外加工，無框力矩電機、制動器、角度編碼器和伺服驅(qū)控器等電氣元件均選型自市場上的成熟產(chǎn)品。
軟件層面，“機器人學”自制實驗設(shè)備基于閉環(huán)伺服控制技術(shù)，驅(qū)控系統(tǒng)以STM32 單片機為基礎(chǔ)，采用CAN 通信進行電信號與上位機的信息交互。上位機軟件可實現(xiàn)如下功能：（1）運動模式控制，可實現(xiàn)絕對位置控制、速度控制、加速度控制、減速度控制等功能。（2）PID 調(diào)節(jié)，可進行速度環(huán)和位置環(huán)的比例、積分、微分控制，調(diào)整各參數(shù)值，通過示波器進行波形的采集和顯示。學生可以根據(jù)課程要求，進行包括結(jié)構(gòu)拆裝、調(diào)速、位置控制、PID 參數(shù)調(diào)節(jié)等實驗內(nèi)容。
1.3 課程契合度分析
學院過去采用的是傳統(tǒng)六軸工業(yè)機器人進行實驗，由于工業(yè)機器人系統(tǒng)和機械部分不開放，僅能進行機器人結(jié)構(gòu)、機器人建模及控制等教學內(nèi)容。本方案開發(fā)的“機器人學”自制實驗設(shè)備，不僅可以作為單個模組為學生提供齒輪傳動教學、PID 轉(zhuǎn)速控制和伺服控制，還可以通過多模組的快速組裝實現(xiàn)可變軸機器人的搭建，為學生提供機器人認知、運動規(guī)劃、軌跡規(guī)劃以及正逆解等課程實驗。自制實驗設(shè)備無論在實驗數(shù)量和課程的契合度上，均優(yōu)于傳統(tǒng)的實驗方案，具有良好的教學應(yīng)用價值。
機器人學實驗課主要分為兩個實驗，實驗一為“數(shù)字化建模仿真及裝配”，實驗二為“關(guān)節(jié)運動控制與仿真”。本課程以自制實驗設(shè)備為對象，采用設(shè)計—建模—裝配—運動仿真的實驗流程，學生自主進行機器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的分析與研究，強化學生對機器人學核心知識點的理解。兩個實驗?zāi)Ｊ降恼撌鋈缦拢?/p>
2.1 實驗一：“數(shù)字化建模仿真及裝配”
該實驗通過自制實驗設(shè)備，使學生認識和了解工業(yè)機器人、協(xié)作機器人的基本結(jié)構(gòu)和組成，了解主要的電氣元件。（1）首先引導學生思考當前關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)特征，例如“六軸機器人”的軸數(shù)由什么決定？機器人實現(xiàn)運動關(guān)鍵是什么？如果將模塊化思想引入機器人中，是否就可以像搭積木一樣“DIY”出一臺機器人出來？通過上述問題，引入我們的一體化關(guān)節(jié)模組設(shè)計理念，加深學生對關(guān)節(jié)模組結(jié)構(gòu)的思考。（2）在關(guān)節(jié)模組結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從尺寸、精度、負載和剛度四個維度，選取適合關(guān)節(jié)模組的減速器類型，學生在選擇過程中加深對傳動原理和適用場景的認識。（3）給定關(guān)節(jié)模組的工況，讓學生進行減速器的尺寸設(shè)計和建模，并計算傳動比、負載力矩、傳動效率等技術(shù)參數(shù)。（4）進行關(guān)節(jié)模組的實物裝配，將減速器、電機、編碼器、驅(qū)控器和制動器按照模塊化的接口組合成關(guān)節(jié)實驗?zāi)＝M。（5）進行虛實融合的運動控制實驗，首先基于Solidworks 三維模型，進行運動仿真，區(qū)別轉(zhuǎn)動副與固定副，然后進行模組實物運動控制實驗，通過不同速度、運動模式的控制，強化對模組功能的理解，以及其在機器人本體中的重要作用。實驗流程如圖1 所示。
圖1 實驗一的實驗流程
數(shù)字化建模仿真及裝配實驗開展過程融合了虛擬仿真（Solidworks 建模與仿真）與實物操作（模組裝配與控制），實驗過程以學生為主體，貫穿基礎(chǔ)原理、結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計與工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，學生在動手和思考的過程中，為機器人學課程的理論知識學習奠定了良好的實踐基礎(chǔ)。
2.2 實驗二：“關(guān)節(jié)運動控制與仿真”
該實驗的主要目的是了解PID 控制進行機器人關(guān)節(jié)調(diào)控基本原理，掌握比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)的作用和調(diào)整方法。（1）運用Matlab 軟件的Simulink 模塊，基于PID 控制的基本原理和關(guān)節(jié)模組的傳遞函數(shù)，構(gòu)建給定關(guān)節(jié)模型參數(shù)的Simulink 仿真流。改變比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)的取值，觀察該閉環(huán)系統(tǒng)對單位階躍信號的響應(yīng)。記錄不同比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)取值下，系統(tǒng)響應(yīng)曲線的“超調(diào)量”及“響應(yīng)時間”。所記錄的數(shù)值不少于10 組，并取一組作為最優(yōu)值。（2）關(guān)節(jié)模組PID 速度環(huán)調(diào)節(jié)實驗。在關(guān)節(jié)模組的上位機的模塊中進行參數(shù)調(diào)節(jié)，然后在上位機的“示波器”模塊中，調(diào)整“速度環(huán)增益”、“速度環(huán)積分”等PID 參數(shù)值，調(diào)整到波形在剛好超調(diào)一點，但是未出現(xiàn)過大的震蕩。調(diào)整結(jié)束后，記錄最優(yōu)值。完成實驗后，需要學生思考理論虛擬模型與實物實驗中PID 參數(shù)的差異，引導學生意識到虛擬模型是實物模型的“理想化”簡化，培養(yǎng)解決工程問題的數(shù)學思維，實驗流程如圖2 所示。
圖2 試驗二的實驗流程
目前，已經(jīng)開展的2 個實驗主要面向《機器人學》實驗課程，實驗教學采用軟件虛擬教學和實物硬件教學相結(jié)合的形式，直觀、可視化、信息量大，學生接受知識的渠道多，興趣更濃厚。經(jīng)過2 個學年的實驗教學，學生收獲較大，教師授課輕松，教學效果較好，改革成效顯著。
3.1 從自制實驗設(shè)備到教材修訂，課程改革
為了使學生更好地理解機器人的結(jié)構(gòu)，機器人學教研組以自制實驗設(shè)備的技術(shù)資料為藍本，在原有《機器人學》教材的基礎(chǔ)上，強化機器人本體結(jié)構(gòu)及其設(shè)計要求，經(jīng)過2 個學期的實驗教學，反復修改完善原有教材，修訂后的教材《機器人技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用》于2022 年10 月交由出版社出版，新教材中專門增加了章節(jié)：“機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計”。該章節(jié)加強了對機器人機械系統(tǒng)的剖析，從本體構(gòu)型、運動形式、傳動方式、驅(qū)動力計算、執(zhí)行器設(shè)計等環(huán)節(jié)，圖文并茂從關(guān)節(jié)模組到多軸機器人結(jié)構(gòu)進行了講解，該教材不僅反映了自制實驗設(shè)備的工程應(yīng)用價值，也可以更好的指導學生的實踐教學。
3.2 從自制實驗設(shè)備到本科畢設(shè)，產(chǎn)教融合
本科生的畢業(yè)設(shè)計是對大學階段專業(yè)課程的一次綜合實訓，是將書本知識與工程需求相結(jié)合的研究過程。將自制實驗設(shè)備的開發(fā)過程融合到本科畢設(shè)中，從選題的確定、任務(wù)書的下達、研究進展的跟蹤、完成情況的評價以及應(yīng)用效果的提升，學生在分析問題、研讀文獻、設(shè)計開發(fā)、綜合調(diào)試以及綜合匯報等畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中，掌握機器人關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)、原理與應(yīng)用。通過本科畢設(shè)的培養(yǎng)，將機器人產(chǎn)業(yè)復雜的工程問題轉(zhuǎn)變?yōu)楫厴I(yè)設(shè)計教學過程中的案例層次分析，產(chǎn)教融合達到設(shè)計要求。
3.3 從自制實驗設(shè)備到本創(chuàng)競賽，以賽促學
創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽是為本科生提供學術(shù)和產(chǎn)業(yè)成果展示的競賽平臺，而自制實驗設(shè)備正是從機器人產(chǎn)業(yè)源頭挖掘的產(chǎn)業(yè)核心需求，將之進行拓展便可作為本創(chuàng)競賽課題，比賽的思想風暴、樣機制造、材料撰寫、匯報答辯等環(huán)節(jié)，促進本科生各學科的綜合發(fā)展，提升學生的學習能力和綜合素質(zhì)。課程小組以自制實驗設(shè)備的開發(fā)為契機，先后指導多位本科生參加《機械創(chuàng)新設(shè)計大賽》《互聯(lián)網(wǎng)+大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽》，獲得省級獎3 項，國家級獎1 項。在參賽過程中，教師和學生共同提升，教師對于自制實驗設(shè)備成果應(yīng)用開發(fā)更有心得，學生的學習興趣和獨立學習和創(chuàng)新思維得到充分鍛煉，效果顯著。
3.4 從自制實驗設(shè)備到成果轉(zhuǎn)化，產(chǎn)學研用
在自制實驗設(shè)備開發(fā)初期便聚焦機器人技術(shù)的前沿，課程小組關(guān)注到關(guān)節(jié)模組同樣可應(yīng)用于機床的“第四軸”，實現(xiàn)低成本的設(shè)備改造。在與需方企業(yè)進行技術(shù)對接確認技術(shù)細節(jié)后，完成了橫向課題的立項，為企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)裝備，很好地解決了企業(yè)的工程問題。通過自制實驗設(shè)備的成果轉(zhuǎn)化，不僅可以教師的理論知識水平，而且可以在與企業(yè)的交流中獲取產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)的第一手資料，使開發(fā)出的產(chǎn)品具備前瞻性、實用性、經(jīng)濟性等特點，成為產(chǎn)學研用的技術(shù)孵化器，促進以自制實驗設(shè)備促進成果轉(zhuǎn)化的新模式，更好地扮演在產(chǎn)學研用中的中堅角色，促進產(chǎn)學研用各方的深入融合。
通過踐行“工程教育認證”和“卓越工程師培養(yǎng)計劃2.0”，推進了課程改革和實踐創(chuàng)新。完成了自制“機器人學”實驗設(shè)備的開發(fā)、軟硬件開發(fā)并進行了課程契合度分析。凸現(xiàn)了自制實驗設(shè)備進行“機器人學”相關(guān)實驗的重要性。運用機器人學的兩個典型虛實融合實驗，以“數(shù)字化建模仿真及裝配”與“關(guān)節(jié)運動控制與仿真”兩個實驗教學開展的詳細過程為例，探索自制實驗設(shè)備在虛實融合實驗中的作用。也探索自制實驗設(shè)備對課程改革、產(chǎn)教融合、以賽促學和產(chǎn)學研用的正向激勵作用。自制實驗設(shè)備不僅推進了實驗教學虛實融合教學模式的改革，也為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)，具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟效益。
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