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摘 要笔者依据多年技工教育的教学经验，结合技工院校高技能人才培训教育的现状和社会发展状况，对技工院校高技能人才中工业机器人的应用培训进行了探讨。首先概述了工业机器人的组成和应用，然后从正确的课程定位、工业机器人理论知识的分解和取舍、项目化课程设计和教学方案及成绩评价四个方面提出了将工业机器人在技工院校高技能人才培训中所实施的具体措施。
关键词：工业机器人；高技能人才培训；项目化课程
【分类号】：TG333.7
工业机器人的产生和应用是人类科学技术的重大成就，也是工业发展的重要动力。机器人技术是高科技的重要组成部分，它将机械、电子、计算机等多个学科的知识有机融合了起来，涉及到当今众多领域的前沿技术。工业机器人是一种仿人操作，可以进行自动控制和重复编程，在多品种、变批量的柔性生产中尤为适用，在促进产品质量的稳定和提升、生产效率的提高、劳动条件的改善等方面作出极为重要的作用。近年来，工业机器人的应用在各个生产企业日益增多，由此导致企业迫切需要工业机器人的相关技术人才。技工院校高技能人才培训主要目标是培养应用性的高技能人才，学生具有独特的知识技能和就业导向。因此，作为技工教育工作者，我们必须努力探索出适合技工院校中高技能人才培训的工业机器人课程教学方案。
1. 工业机器人概述
1.1 工业机器人组成
工业机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。
执行机构即机器人机械本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。
驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。
检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。
控制系统由一台微型计算机或多台微机来分担完成机器人的控制。
1.2 工业机器人的应用
工业机器人最早应用于汽车制造工业， 常用于焊接、 喷漆、上下料和搬运。工业机器人延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作； 代替人完成繁重、单调的重复劳动， 提高劳动生产率， 保证产品质量。 工业机器人与数控加工中心、 自动搬运小车以及自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）， 实现生产自动化[1]。 目前工业机器人的应用可以有如下几类：
1.2.1 喷涂机器人
在汽车、建材、机械等行业广为应用。比如，自动对汽车整车、发动机、驾驶室等喷漆，自动对卫生陶瓷喷釉，喷涂玻璃纤维加强水泥预制板、自动对电视机、电脑及减速器等的外壳喷漆，自动对汽车等、塑料件等涂胶等。
1.2.2 网路机器人
在通信和远距离控制中广泛应用，负责观测环境等工作，比如，在Internet上连接几个机器人，通过网络控制机器人实现动作等。
1.2.3 电焊、弧焊机器人
在汽车、工程机械等领域广泛应用，比如，对汽车底盘等部件进行点焊，在装配领域使用弧焊等[2]。
1.2.4 搬运、装配器人
在机械、汽车制造业等领域广泛应用，能够自动输送产品和物料、能自动按要求组装设备等。
1.2.5 其他机器人
比如，对汽油、柴油等进行定量加注的机器人、军用机器人、探月车等。
2. 工业机器人在技工院校高技能人才培训中的课程教学方案
2.1进行正确的课程定位
应该将工业机器人课程定位在为企业培养能够操作和维护保养工业机器人的应用性人才。课程不应该只是向并不常见的移动机器人（基于单片机和嵌入式系统）和竞赛机器人（基于PC和多传感器），而应该向工业机器人倾斜；课程的显著特征应该是重实践、轻理论，教师可以简单介绍工业机器人的理论知识，但要求学生深入理解并熟练掌握工业机器人的操作和结构特性；课程所采用的教学模式应该是项目化的，从工业实际案例中寻找项目，并在项目教学过程中将相关的理论知识融入其中，做到理论联系实践。
2.2工业机器人理论知识的分解和取舍
传统的工业机器人课程教学对理论知识尤为注重，但由于工业机器人的数量很少，并且具有较高的造价，而且很难维护，因此实训环节只占很小的比重。而理论知识繁杂，内容包括矩阵理论、微积分等，太多的算法夹杂在运动规划和轨迹控制中，抽象的内容和企业的具体应用是格格不入的，学生在学习中会不可避免地遇到较大的难度，学习的主动性和积极性也会大打折扣，从而严重影响了教学质量[3]。工业机器人的理论主要有运动控制理论、计算机控制理论、电机控制理论、传感检测理论，对理论知识可以分解为三个层次：基础应用层次；编程、维护层次；创新应用层次。在技工院校的高技能人才培训中应该在项目教学过程中根据实际需求融入分解过的理论知识，激发学生学习理论知识和技能的兴趣，这样才能满足企业的要求。具体来说，就是在项目教学中渗透工业机器人认知、结构、施教理论、维护保养等知识，简单介绍电机运动控制、虚拟示教、离线编程等知识即可。
2.3项目化课程设计
结合工业机器人在企业的应用情况，对项目化的课程做如下设计：
2.3.1 工业机器人的认知
由于学生大都具有较为片面的机器人认知，将认知停留在人形和智能机器人层面，而对工业机器人的各种应用场合及多种结构形式缺乏了解。因此认知类项目可分为：应用方面的认知项目；结构方面的认知项目；使用方面的认知项目；创新、拓展方面的认知项目。本项目通过图像、视频、实训设备等使学生对工业机器人、军事机器人、娱乐机器人等在各种场合的应用有一个大致的了解。对机器人的工业应用，则着重对其各种应用场合和结构形式进行讲解，通过该项目让学生全面认识机器人学科，从而促进学生学习机器人的兴趣。 2.3.2 工业机器人的基本操作
在本项目中，学生可以在不同的坐标下操作示教器运转工业机器人，并在动态模拟软件中加载和控制虚拟机器人。通过各关节坐标的运动让学生对机器人的结构形式有一个大致的了解，通过直角坐标系让学生对轨迹控制的概念有一个大致的了解，并对用户坐标系和工具坐标系的实用意义进行简单的介绍。教师对工业机器人的系统构成、各部分的原理及作用进行简单的讲解。
2.3.3 AGV设计编程与调试
AGV系统就是自动导引车系统。它是物流自动化系统和柔性装配系统中的重要组成部份，能够适应现代汽车制造业信息化、柔性化的发展潮流。在汽车生产中，工业机器人的主要工作是完成点焊、弧焊、喷漆等工作，将AGV与工业机器人有机结合起来，可以促进劳动生产率的显著提高。学生可以使用组合式的机器人套件和相应的传感器，将四轮移动小车自主设计出来，在程序设计中利用C语言或图形化编程软件，让小车前进时沿着制定的路径，从而促进自动导引功能的切实实现[4]。本课程项目让学生对AGV的原理和应用有了一个大致的了解，在AGV组装过程中也促进了学生动手能力的提高，并通过对小车编程对单片机开发流程有所了解，将学生利用C语言编制较为复杂的程序的能力培养了起来，对传感器的原理和其与主控制器的连接方法有所了解，对直流电动机的调速方法进行熟练的掌握。
2.3.4 机器人示教系统实现
一般情况下，工业机器人是一个封闭的系统，用户要想完成工业机器人的变换控制，只能通过示教器或PC机软件，但是不公开D-H参数。因此，仅仅依靠工业机器人无法完成对电机控制理论及正逆运动学的验证。为了就将此难点克服掉，本项目让学生对组合式的机器人套件设计，结构形式为PUMA560形式的机器人进行应用，在实现示教器功能时充分利用主控制器编程，也就是说能够对该机器人的关节运动进行有效的控制，并能够将其运动轨迹记录并复现。开放通讯协议的舵机驱动着该机器人的关节，主控制器能够和舵机进行双向通讯，将关节角度设定或获得。因为该套件可以将各构件的三维模型组建出来，因此学生可以将UG、Pro/E导入完成虚拟装配，在对工业机器人的正运动学理论进行了解的过程中充分利用运动仿真的方式[5]。通过该项目让学生对PUMA560形式的机器人结构有一个深刻的理解，并对工业机器人的虚拟示教和示教器示教的联系与区别有一个大致的了解，对使用C语言编制复杂程序的过程和舵机的原理及控制方法进行熟练的掌握，能够熟练地使用UG、Pro/E，教师可以通过该开放式的机器人对正逆运动学进行讲解并让学生进行验证。
2.3.5 工业机器人常见的故障和维护
工业机器人常见的故障有碰撞、通信异常、夹具损坏等，常用的维护手段有清洁、润滑紧固、换装防尘罩、防静电网罩、工作负载等。如果工业机器人的数量不足，教师可以通过图片、视频等方式对工业机器人的相关知识进行讲解，在教师的指导下，学生可以对工业机器人进行适当的拆装。除此之外，还应该对规范化的诊断和排除故障的流程进行强调[6]。
2.4教学方案和成绩评价
在工业机器人培训中采用项目教学法，以企业应用为目标，重实践、轻理论，并坚持理论联系实践，方能够取得良好的教学效果。特别是在教学过程中有条件地引入组合式教学机器人，可以弥补工业机器人数量不足和D-H参数的封闭性，同时也可以根据实际情况利用虚拟机器人和仿真软件来弥补工业机器人数量上的不足。使学生学习的参与性、积极性和主动性增强，活跃课堂教学的气氛，在实践中掌握理论知识，从而极大地促进工业机器人课堂教学的成效。
学生在完成了全部项目课程之后，应该能够熟练操作工业机器人、基本掌握其编程方法及具备工业机器人日常维护保养能力。通过项目课程能熟悉工业机器人及相关设备在自动化生产中的应用，对相关理论知识有一定的了解。在成绩评价过程中，应该对过程评价给予足够的重视，其中学生的动手能力、创新能力及职业素质等是教学评价的主要着眼点。在同级培训课程结束后，可以让学生自由选择某一项目，然后将自己的研究性报告提交上来，对学生综合应用知识的能力进行及时有效的考查。
参考文献：
[1]郭洪红.《工业机器人技术》第二版 .西安：电子科技大学出版社，2012
[2]郑雅丽.王震.李通.基于RFID的助盲语音寻物机器人的设计与实现[J].电脑知识与技术. 2012（4）.
[3]唐洪涛.工科职业技术类院校开设工业机器人专业的可行性分析[J].黑龙江科技信息. 2009（18）.
[4]张祥瑛.教学督导工作模式的运用及成效[J].高教研究，2010（10）：184-185.
[5]关红辉.我国高校教学质量监控研究综述[J].黑龙江教育，201 1（2）：27—30.
[6]郭云绯.刘俏.杨如.正AGV系统大幅提高汽车行业技术水平[J].物流技术与应用. 2009（07）.
关键词：工业机器人；高技能人才培训；项目化课程
【分类号】：TG333.7
工业机器人的产生和应用是人类科学技术的重大成就，也是工业发展的重要动力。机器人技术是高科技的重要组成部分，它将机械、电子、计算机等多个学科的知识有机融合了起来，涉及到当今众多领域的前沿技术。工业机器人是一种仿人操作，可以进行自动控制和重复编程，在多品种、变批量的柔性生产中尤为适用，在促进产品质量的稳定和提升、生产效率的提高、劳动条件的改善等方面作出极为重要的作用。近年来，工业机器人的应用在各个生产企业日益增多，由此导致企业迫切需要工业机器人的相关技术人才。技工院校高技能人才培训主要目标是培养应用性的高技能人才，学生具有独特的知识技能和就业导向。因此，作为技工教育工作者，我们必须努力探索出适合技工院校中高技能人才培训的工业机器人课程教学方案。
1. 工业机器人概述
1.1 工业机器人组成
工业机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。
执行机构即机器人机械本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。
驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。
检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。
控制系统由一台微型计算机或多台微机来分担完成机器人的控制。
1.2 工业机器人的应用
工业机器人最早应用于汽车制造工业， 常用于焊接、 喷漆、上下料和搬运。工业机器人延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作； 代替人完成繁重、单调的重复劳动， 提高劳动生产率， 保证产品质量。 工业机器人与数控加工中心、 自动搬运小车以及自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）， 实现生产自动化[1]。 目前工业机器人的应用可以有如下几类：
1.2.1 喷涂机器人
在汽车、建材、机械等行业广为应用。比如，自动对汽车整车、发动机、驾驶室等喷漆，自动对卫生陶瓷喷釉，喷涂玻璃纤维加强水泥预制板、自动对电视机、电脑及减速器等的外壳喷漆，自动对汽车等、塑料件等涂胶等。
1.2.2 网路机器人
在通信和远距离控制中广泛应用，负责观测环境等工作，比如，在Internet上连接几个机器人，通过网络控制机器人实现动作等。
1.2.3 电焊、弧焊机器人
在汽车、工程机械等领域广泛应用，比如，对汽车底盘等部件进行点焊，在装配领域使用弧焊等[2]。
1.2.4 搬运、装配器人
在机械、汽车制造业等领域广泛应用，能够自动输送产品和物料、能自动按要求组装设备等。
1.2.5 其他机器人
比如，对汽油、柴油等进行定量加注的机器人、军用机器人、探月车等。
2. 工业机器人在技工院校高技能人才培训中的课程教学方案
2.1进行正确的课程定位
应该将工业机器人课程定位在为企业培养能够操作和维护保养工业机器人的应用性人才。课程不应该只是向并不常见的移动机器人（基于单片机和嵌入式系统）和竞赛机器人（基于PC和多传感器），而应该向工业机器人倾斜；课程的显著特征应该是重实践、轻理论，教师可以简单介绍工业机器人的理论知识，但要求学生深入理解并熟练掌握工业机器人的操作和结构特性；课程所采用的教学模式应该是项目化的，从工业实际案例中寻找项目，并在项目教学过程中将相关的理论知识融入其中，做到理论联系实践。
2.2工业机器人理论知识的分解和取舍
传统的工业机器人课程教学对理论知识尤为注重，但由于工业机器人的数量很少，并且具有较高的造价，而且很难维护，因此实训环节只占很小的比重。而理论知识繁杂，内容包括矩阵理论、微积分等，太多的算法夹杂在运动规划和轨迹控制中，抽象的内容和企业的具体应用是格格不入的，学生在学习中会不可避免地遇到较大的难度，学习的主动性和积极性也会大打折扣，从而严重影响了教学质量[3]。工业机器人的理论主要有运动控制理论、计算机控制理论、电机控制理论、传感检测理论，对理论知识可以分解为三个层次：基础应用层次；编程、维护层次；创新应用层次。在技工院校的高技能人才培训中应该在项目教学过程中根据实际需求融入分解过的理论知识，激发学生学习理论知识和技能的兴趣，这样才能满足企业的要求。具体来说，就是在项目教学中渗透工业机器人认知、结构、施教理论、维护保养等知识，简单介绍电机运动控制、虚拟示教、离线编程等知识即可。
2.3项目化课程设计
结合工业机器人在企业的应用情况，对项目化的课程做如下设计：
2.3.1 工业机器人的认知
由于学生大都具有较为片面的机器人认知，将认知停留在人形和智能机器人层面，而对工业机器人的各种应用场合及多种结构形式缺乏了解。因此认知类项目可分为：应用方面的认知项目；结构方面的认知项目；使用方面的认知项目；创新、拓展方面的认知项目。本项目通过图像、视频、实训设备等使学生对工业机器人、军事机器人、娱乐机器人等在各种场合的应用有一个大致的了解。对机器人的工业应用，则着重对其各种应用场合和结构形式进行讲解，通过该项目让学生全面认识机器人学科，从而促进学生学习机器人的兴趣。 2.3.2 工业机器人的基本操作
在本项目中，学生可以在不同的坐标下操作示教器运转工业机器人，并在动态模拟软件中加载和控制虚拟机器人。通过各关节坐标的运动让学生对机器人的结构形式有一个大致的了解，通过直角坐标系让学生对轨迹控制的概念有一个大致的了解，并对用户坐标系和工具坐标系的实用意义进行简单的介绍。教师对工业机器人的系统构成、各部分的原理及作用进行简单的讲解。
2.3.3 AGV设计编程与调试
AGV系统就是自动导引车系统。它是物流自动化系统和柔性装配系统中的重要组成部份，能够适应现代汽车制造业信息化、柔性化的发展潮流。在汽车生产中，工业机器人的主要工作是完成点焊、弧焊、喷漆等工作，将AGV与工业机器人有机结合起来，可以促进劳动生产率的显著提高。学生可以使用组合式的机器人套件和相应的传感器，将四轮移动小车自主设计出来，在程序设计中利用C语言或图形化编程软件，让小车前进时沿着制定的路径，从而促进自动导引功能的切实实现[4]。本课程项目让学生对AGV的原理和应用有了一个大致的了解，在AGV组装过程中也促进了学生动手能力的提高，并通过对小车编程对单片机开发流程有所了解，将学生利用C语言编制较为复杂的程序的能力培养了起来，对传感器的原理和其与主控制器的连接方法有所了解，对直流电动机的调速方法进行熟练的掌握。
2.3.4 机器人示教系统实现
一般情况下，工业机器人是一个封闭的系统，用户要想完成工业机器人的变换控制，只能通过示教器或PC机软件，但是不公开D-H参数。因此，仅仅依靠工业机器人无法完成对电机控制理论及正逆运动学的验证。为了就将此难点克服掉，本项目让学生对组合式的机器人套件设计，结构形式为PUMA560形式的机器人进行应用，在实现示教器功能时充分利用主控制器编程，也就是说能够对该机器人的关节运动进行有效的控制，并能够将其运动轨迹记录并复现。开放通讯协议的舵机驱动着该机器人的关节，主控制器能够和舵机进行双向通讯，将关节角度设定或获得。因为该套件可以将各构件的三维模型组建出来，因此学生可以将UG、Pro/E导入完成虚拟装配，在对工业机器人的正运动学理论进行了解的过程中充分利用运动仿真的方式[5]。通过该项目让学生对PUMA560形式的机器人结构有一个深刻的理解，并对工业机器人的虚拟示教和示教器示教的联系与区别有一个大致的了解，对使用C语言编制复杂程序的过程和舵机的原理及控制方法进行熟练的掌握，能够熟练地使用UG、Pro/E，教师可以通过该开放式的机器人对正逆运动学进行讲解并让学生进行验证。
2.3.5 工业机器人常见的故障和维护
工业机器人常见的故障有碰撞、通信异常、夹具损坏等，常用的维护手段有清洁、润滑紧固、换装防尘罩、防静电网罩、工作负载等。如果工业机器人的数量不足，教师可以通过图片、视频等方式对工业机器人的相关知识进行讲解，在教师的指导下，学生可以对工业机器人进行适当的拆装。除此之外，还应该对规范化的诊断和排除故障的流程进行强调[6]。
2.4教学方案和成绩评价
在工业机器人培训中采用项目教学法，以企业应用为目标，重实践、轻理论，并坚持理论联系实践，方能够取得良好的教学效果。特别是在教学过程中有条件地引入组合式教学机器人，可以弥补工业机器人数量不足和D-H参数的封闭性，同时也可以根据实际情况利用虚拟机器人和仿真软件来弥补工业机器人数量上的不足。使学生学习的参与性、积极性和主动性增强，活跃课堂教学的气氛，在实践中掌握理论知识，从而极大地促进工业机器人课堂教学的成效。
学生在完成了全部项目课程之后，应该能够熟练操作工业机器人、基本掌握其编程方法及具备工业机器人日常维护保养能力。通过项目课程能熟悉工业机器人及相关设备在自动化生产中的应用，对相关理论知识有一定的了解。在成绩评价过程中，应该对过程评价给予足够的重视，其中学生的动手能力、创新能力及职业素质等是教学评价的主要着眼点。在同级培训课程结束后，可以让学生自由选择某一项目，然后将自己的研究性报告提交上来，对学生综合应用知识的能力进行及时有效的考查。
参考文献：
[1]郭洪红.《工业机器人技术》第二版 .西安：电子科技大学出版社，2012
[2]郑雅丽.王震.李通.基于RFID的助盲语音寻物机器人的设计与实现[J].电脑知识与技术. 2012（4）.
[3]唐洪涛.工科职业技术类院校开设工业机器人专业的可行性分析[J].黑龙江科技信息. 2009（18）.
[4]张祥瑛.教学督导工作模式的运用及成效[J].高教研究，2010（10）：184-185.
[5]关红辉.我国高校教学质量监控研究综述[J].黑龙江教育，201 1（2）：27—30.
[6]郭云绯.刘俏.杨如.正AGV系统大幅提高汽车行业技术水平[J].物流技术与应用. 2009（07）.