新工科背景下運動控制實踐教學項目探索

陳嵐萍

(常州大學 信息科學與工程學院， 江蘇 常州 213164)

0 引言

為適應工業4.0及中國制造2025行業發展[1～3]，常州大學自動化專業主動對接長三角地區智能制造產業規劃發展需要和企業技術創新要求，優化學科專業布局，發展視覺導向機器智能技術工科領域，改革常州大學自動化專業傳統的工程人才培養模式，積極發展新興工科，打造常州大學自動化專業的升級，提升人才培養質量。培養學生了解掌握以數字化為導向的創新產業升級帶來的前沿機器人控制新技術，完善新工科背景下工程創新人才應具備的知識結構，提升學生綜合素養和工程關聯力，以適應新經濟生產的要求。常大自動化專業建設視覺導向機器運動控制及虛擬仿真綜合創新平臺，集成了自動化專業多門核心專業知識，如自動控制原理、電機拖動、PLC技術、運動控制系統、電氣控制等，因而嘗試突破原有的局限于傳統實驗的運動控制實訓，引入機器人控制先進技術，將其改革為綜合性的創新工程項目教學，促使學生了解目前市場的需求以及較為前沿的智能自動化控制及相關領域的先進技術，激發學生的創新能力[4]，培養學生自主設計和實施運作智能運動控制系統，提高解決實際工業問題的能力。此創新實踐工程項目教學運用最新的自動化創新實驗平臺，學生在此平臺上可全方位了解各個模塊的應用，掌握如何設計及搭建實踐的工業自動化系統。通過實踐工程項目旨在提高學生的實踐創新能力，提高學生的先進專業技術應用能力，提高工程教育認證所要求的復雜工程能力,提升學生就業競爭力[5～7]。

1 創新教學項目實施思路

目前，在長三角地區，工業機器人創業項目居多，且江蘇省制定了“十三五”智能制造發展規劃及2018-2020年三年行動計劃[8]。常州大學自動化專業發展規劃方向正是迎合地方新型經濟技術的發展，將傳統的運動控制方向實踐類課程進行教學創新，提出了結合先進的視覺檢測和機器人控制技術的視覺導向機器運動控制實踐工程項目改革，作為新工科教育的探索。它依托自動化創新實驗平臺開展應用實踐教學，改變傳統的教學模式，旨在將原本分散的專業知識集合成一個新的整體，鼓勵學生按照工業自動化個性設計要求，設計基于視覺的檢測及運動控制創新課題，集成平臺的各種典型功能模塊設計實施自動化綜合工程，通過典型的工業機器視覺應用系統可應用于生產線零部件組裝、產品檢測、生產線的監控、機器運動控制、電氣設計以及產品的分類和識別等。學生可全方位了解各個模塊的應用，掌握如何設計及搭建實際的工業自動化系統。該項目融合了機械、電子、自動化、計算機技術等各個領域的學科知識，可開設大量相關專業綜合項目課題，提高學生的實踐創新能力，從而提高學生的先進專業技術應用能力。通過此創新項目，能讓學生了解目前市場的需求以及較為前沿的自動化及相關學科的工程技術，激發學生的創新能力，培養學生自主設計實施系統，提高解決實際工業問題的能力，提升學生就業競爭力[9～11]。

1.1 實踐項目選題

傳統的項目選題限制學生自主創新性，選題內容應結合當今前沿的新工科技術，注重實際的應用背景，以學為中心，采取小組合作項目式學習的方式踐行項目教學理念，將工業生產控制中的實際問題，跨學科整合出項目。激發學生挖掘出感興趣且新穎實用的題目，且每個小組題目由學生們自擬，教師確認其可行性，充分發揮學生的主觀能動性。同時，學生會由此產生探索新知識的欲望，積極嘗試項目內容的創新設計，并樂于沉浸其中，激發出更多的創造力。有效地培養學生分析、提出方案并解決工程實際問題的能力及項目開發、設計、技術改造與創新的能力。

1.2 項目可行性分析

該實踐教學課程設計不同于畢業設計，綜合性實踐通常為3～4周，所以工作量和難度應該適當可控，在有限的時間內，選題既要讓學生感興趣，積極參與且有成就感，同時，需要通過團隊合作完成，讓善長硬件的同學負責項目系統的電氣設計，讓擅長編程的同學負責系統程序編寫等，讓擅長理論鉆研的同學負責算法設計，讓小組真正成為合作的小組，訓練實踐創新能力。在掌握創新平臺的基本操作和設計方法后，由教師和學生根據工程問題來創設項目，解決實際問題。如設計視覺導向機器運動控制項目，包括商標條碼檢測，瓶蓋表面瑕疵的手機檢測與分揀，工件定位及抓取，機械手點膠或繪制圖案、工件組裝，多關節機械臂動作控制等，這些都是學生根據實際工業中所碰到的問題，創設項目，理論與實踐結合。

1.3 考核評價體系

常州大學自動化專業教學創新工程項目要求在教學的過程以學生為中心，更要求教師在學生活動的過程中要適時的指導，及時的組織評價，以教師評價、自評、互評結合，及時反饋學生學習效果為導向，使創新項目按照合理有序的方向進行。在評價中滲透此教育理念，引導學生養成良好的自主學習思考習慣、發展創新思維。如教師在學生完成某個項目的學習任務后，根據項目要求提出設計要求，在規定時間內完成；學生針對自身與其他成員參與學習活動的態度、合作精神、創造精神等方面進行自評，進行自我調整，自我完善，提高學生在小組合作學習中的能力和學習效果；教師在學生完成每一個項目后，不光只關注他們的結果，更關注他們在完成過程中是否有創新，是否有自己獨到的地方，及時給予肯定和支持。

2 自動化創新教學項目設計

2.1 創新實踐平臺設計

常州大學自動化專業要求學生通過搭建運動控制系統，配合機器視覺對機器臂進行智能導向，包括視覺檢測模塊、通訊模塊、機械運動模塊和電氣控制模塊。采用攝像頭、光電傳感器作為檢測裝置，來獲取圖像圖片，通過圖像處理算法測量產品尺寸、識別產品瑕疵；對于物體遮擋等復雜環境下進行圖片處理時，可考慮機器學習等人工智能算法提高處理效率。運動控制部分包括PLC分揀檢測產品，或運用步進伺服電機作為執行裝置來調整機械手臂位置，通過控制算法實現機械臂的多軸運動控制動作，實現定位功能抓取、軌跡繪制等功能；對于運行空間存在障礙物等復雜環境下可考慮設計路徑規劃提高動作響應效率。

2.2 創新實踐教學項目設計內容

1)視覺檢測

可模擬實際工業檢測中對各種目標物體的輪廓檢測；目標物體的尺寸測量；表面瑕疵等缺陷檢測；靜止或移動目標物體的定位、顏色檢測等，設計的各功能模塊可切換使用，也可組合使用。通過此部分，鍛煉學生掌握工業自動化生產中對于各種目標物體的自動化檢測的實現方法，包括光源控制、坐標標定、圖像檢測、圖像采集、圖像處理及識別算法設計，圖1所示為視覺檢測及分揀控制系統。

(a)傳送帶產品檢測

(b)分揀系統硬件結構圖1 視覺檢測及分揀控制系統

2)機械伺服運動控制

可實現多軸機械臂傳送帶或旋轉盤流水線的多工位安裝，搬運，點膠，鎖螺絲等工業應用；模擬給料、抓取、組裝產品的各模塊的協同配合，完美展示此類自動組裝生產應用的各個環節。通過此部分的學習，可以學習應用伺服電機控制、PLC邏輯控制、運動控制卡驅動電機控制等專業知識，包括加速度、速度的控制，多軸配合及復雜軌跡的運動控制等。

以實現六軸關節機器臂準確定位、夾取產品、運送物品等功能為項目任務，學生設計搭建一個形象逼真的3D工作場景平臺如圖2(a)：傳送帶、視覺檢測、工件臺、末端夾抓等。學生可通過離線或在線調用虛擬對象進行生產線的工藝設計,對虛擬對象中機械手、電機、閥門等執行器的控制。通過多關節機械臂運動虛擬仿真實驗操作取得實驗的數據，可真實地反映機械臂工作特性和運行原理如圖2(b)。

(a) 虛擬抓取動作

(b)實際抓取動作圖2 六軸機器臂智能動作控制應用

3)電氣控制及通訊設計

根據項目控制要求，對搭建系統使用的高、低壓電器進行電氣控制模塊設計，完成各個電器元件的作用以及相互之間的配合使用。通訊模塊可以進行工業自動化設備間的多種通訊，包括串口通訊，數字IO通訊、Ethernet通訊、CAN等協議通訊。通過此模塊的學習，了解各種通訊方式的實現原理及優缺點，從而設計搭建系統的最優通訊方式。

4)軟件集成

所有設計模塊，包括圖像采集及處理、運動控制卡驅動定位抓取或組裝、質量檢測及PLC分揀動作等都通過VS環境下的高級語言編程實現系統集成，如圖3所示的學生設計的各類機械臂動作控制界面。

(a)三軸運動控制及PLC控制界面

(b)觸摸屏編程界面圖3 系統控制界面編程

2.3 創新實踐項目案例

實施實踐工程項目要求學生在規定時間內完成各項任務，首先利用創新實踐平臺，在教師的引導下，激發學生的創造性思維，確定自擬選題。根據選題查找相關文獻梳理并確定設計方案。如圖4繪制鑰匙，系統設計包括采集鑰匙字體及輪廓圖像，并進行實時處理，將圖像處理結果傳給三軸機械臂，控制三軸運動繪制字體及圖案。此項目可訓煉學生學習圖像處理算法及三軸運動軌跡優化控制。

圖4 鑰匙圖像采集及描繪系統

圖5示出多工位自動檢測組裝系統，模擬自動生產線多工位視覺檢測及工件組裝，視覺檢測包括相機、傳送帶及光電傳感器，控制系統主要由轉盤機構、出料機構、搬運機構、輸送機構及電控裝置等構成。模擬完成工件組裝過程，包括各工位氣缸動作配合及上下料的夾抓控制。項目設計包括工件檢測及各工位控制動作以及機械部件等。進一步針對設計方案具體化，包括硬件模塊的選型及電氣控制，程序設計流程以及控制動作的順序等。在上述基礎上進行硬件模塊的電氣連接及通訊，基于PC的C#程序設計及PLC編程，并進行模塊測試以評估功能實現的質量。最后進行聯調測試，優化改進，實現工件全自動組裝功能。

圖5 多工位自動組裝系統

實踐工程項目可以根據學生自身能力和學習精力加以調整，如可將在線檢測與智能識別及抓取動作作為一個項目，也可拆分為兩個項目。鼓勵學生有所創新，能夠實現更具創意性的智能動作控制，如引入機器學習快速識別工件及抓取，真正將理論和實踐、軟硬件結合起來，切實鍛煉學生的實踐動手能力和解決實際問題的創新能力[12]。另外，學生可自擬項目，如圖6基于視覺檢測的手機智能貼膜系統的結構圖，此項目后來選為高校自動化設計大賽獲獎作品。

圖6 手機智能貼膜系統結構

3 創新能力培養實踐成果

視覺導向機器人創新能力培養平臺從初始構建至今，已建設成為常州大學首批創新創業教育示范基地，在此基地平臺上學生創新能力培養取得了一些成果。校級創新教育課題3項，十三五及江蘇省重點教材2部，教研論文3篇?；谠撈脚_除了常規實踐活動之外，還申請參加了大學生創新創業訓練計劃項目，臺達杯兩岸高校自動化設計大賽等，其中基于項目內容申請了3項國家發明專利，具體成果見表1。另外，通過該平臺培養的學生當中，在考研面試中表現優異，在就業競爭中有絕對優勢，優先被機器視覺以及機器人相關的公司錄用，其薪資待遇超過傳統自動化科技公司30%左右，且更具發展潛力。

表1 實踐成果

4 結語

將機器視覺與智能運動控制引入自動化實訓設計，成為專業進行創新創業教育的一個重要載體，師生借此可進一步了解自動化產業發展動態，接受正規的工程培訓，也可借助平臺承接研發課題，提升了專業教師的業務能力及學生的實踐創新能力。探索新工科背景下培養專業創新工程實踐人才的新模式，實踐表明，提升了專業學生的創新意識、創新思維和綜合實踐能力，取得了階段性成果，通過實踐工程項目訓練形成完整的知識體系，真正從實際工程應用角度開展項目教學嘗試。同時，也為高校教學提供一種工程創新教育與前沿技術相結合探索模式，激發了自動化專業學生綜合運用所學知識，探索新領域新技術知識的學習興趣，培養適應高校新工科建設下的創新創業人才。