机器人实验室项目建设报告

机器人实训室项目建设

调研报告

一、机器人实验室建设意义和必要性

1、机器人技术介绍

机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人技术是综合了计算机、控制技术、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

机器人领域发展近几年有如下几个趋势：

1．工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从 10.3 万美元降至 2013 年的 1 万美元，可见其门槛降低之快，足以遇见其应用推广速度。

2．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；已有模块化装配机器人产品问市。

3．机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制方式日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

4．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

5．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

6．机器人化机械开始兴起。从美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器

人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已广泛应用在汽车制造厂的焊装线上。

根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动态，结合当前国内经济发展的具体情况，国家“十二五”期间机器人技术重点开展智能服务机器人、机器人化机械及其相关技术的开发及应用；开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的开发研究及加强多传感器融合及决策、控制一体化技术及应用的研究。重点解决我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人的产业化前期关键技术，大力推进其产业化进程，力争在“十二五”末期实现喷涂、焊接、装配等大负载机器人的产业化。

从以上机器人介绍我们知道，我们国家的机器人水平与国外还有一定的差距，因此对学生进行机器人技术培养，让学生掌握机器人，了解机器人，乃至最后设计开发研究机器人都有重要的意义。

随着我国制造业的不断发展，对自动化水平的要求不断提升，机器人作为典型的自动化装备，已经在各生产制造领域，尤其是汽车制造、自动化、电子等行业得到了广泛的应用，并且增长异常迅猛，从销售量上更是充分说明了这个不争的事实。2000 年国内机器人销售总量为 380 台，到 2004 年增长到 3493台，4 年间增长了819%，翻了3翻还多。在中国市场上份额居第一位的 ABB 公司 2004 年在中国销售工业机器人600台，而该公司在过去 9 年中一共才在中国大陆市场销售了 2000 台机器人。据不完全统计到 2012 年底中国机器人拥有量已超10万台，比04年专家预计的多十倍。预计到 2015年，市场容量将达几十几万台（套），主要以点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运、冲压、注塑、点胶等为主。中国机器人产业迎来了历史性的高峰。但随之也带来了教育、培训等一系列与实际应用相关的急需解决的问题。

机器人作为一种高技术含量的设备，在使用过程中其设计、制造、安装、调试、操作、维护等工作需要大量的专业技术人员，随着机器人应用的日益广泛和装机容量的直线上升，对这类技术人员的需求也变得越来越迫切。过去我国机器人的研究主要集中在有限的大专院校和科研单位，而且主要以科学研究为主，工业现场严重缺乏该类人才，这已经成为制约机器人应用和推广的瓶颈问题之一，对这些人员的理论教育、操作和维护实践培训等需求变得极为迫切。

二、机器人技术教育的必要性和建议

1、开展机器人技术教育必要性

机器人技术是一个国家科技发展水平和国民经济现代化、信息化的重要标志。据了解美国、日本等一些发达国家已经看好机器人教育对未来高科技社会的作用和影响，他们在高职类院校乃至中小学信息技术教育中都不同程度地对学生进行机器人教育。为了与国际接轨，为了迎接即将到来的机器人时代，我们必须大力发展机器人教育。目前，国内高等学府及职业类院校先后开展了机器人教育。随着机器人技术的进一步发展，机器人将会走进越来越多的学校，越来越多的学生将与机器人成为伙伴。面对机器人技术的快速发展，如果中职校不及时采取措施，不在相关技术教育专业的师生中开展机器人教育，那么必将会出现机器人人才及教师队伍严重缺乏的情况。机器人作为高科技的产物，涉及工业设计、机械、电子、传感器、计算机软件、硬件、人机交互、人工智能等多门学科。它的出现在教学上极大的丰富了教育内容。要开展机器人教育，要求教师掌握机器人所涉及学科的相关内容，但实际情况是很多教师并不具备这些知识，因此，新建机器人实训室是迫在眉睫。

2、开展机器人技术教学的作用

开展机器人技术教学，能够扩大学生的知识面，提高专业知识水平，掌握机器人所涉及的机械、电子、传感器、计算机软件硬件和人工智能等学科的相关内容。在中专阶段，给相关专业的学生开设专门的课程，系统地讲授机器人的知识，能够为他们以后从事机器人相关工作奠定良好的基础。

我国技术教育要求教师具备较高的技术素养，有一定的实践能力和创新精神。而目前职校的教学大多重视基本知识和基本技能的传授，对学生信息素养、创新精神和实践能力的培养并不到位。在机器人课程中，通过学习为智能机器人编写程序，可以提高学生分析问题和解决问题的能力;通过学习扩展、组装机器人，可以增强学生的创新意识，锻炼动手能力;通过以小组合作的形式完成机器人项目，可以培养学生们的协作能力和团队精神。

另外，机器人课程具有创新性、综合性、开放性、发展性、实践性和探究性等六大特征。在教学过程中，教师会运用多种教学方法，讲授经过整合的内容，采用灵活的评价方式，使学生进一步掌握先进的现代技术和科学的分析方法。这对他们以后的工作大有裨益。

三、开展机器人技术教学的几点建议

机器人技术的教学目标在于使学生掌握机器人的相关知识，了解机器人的基本特征及操作方法，培养他们的信息素养、创新精神和实践能力，为他们以后成功地开展机器人相关工作奠定基础。在具体教学过程中，建议注意以下几点:

1、营造良好学习环境和学习氛围

开展机器人教育首先要选择某种教育机器人。目前市场上的教育机器人主要有两种: 一种是厂家己经组装成形的机器人，它能够实现一定的功能，也可以根据需要进

行拆卸、重装和扩展来完成更复杂的功能，属于高端机器人类型。另一种是厂家只提供主板和零件，完全由学生根据不同的功能自己组装，属于低端教育机器人。学校可以根据教学目的、学生的实际情况、学生主要就业地区的机器人教育情况等来选择某种教育机器人。尽量让学生感觉到所学的东西有趣而且有用。

由于机器人课程的特殊性，教学评价必须以教学目标为依据，本着对培养学生创新精神和实践能力有利的原则进行。重视教学效果的及时反馈，评价的方式要灵活多样，要鼓励学生创新，主要采取考查学生实际操作或评价学生作品的方式。在上第一节课时，就应该告诉学生评价标准，进一步调动学生的学习积极性，让其摆脱考试压力，营造一个良好的学习氛围。

2.3.2 采用多种教学方法，以小组为单位完成学习任务

为了进一步提高教学效果，对于不同的教学内容需要采用不同的教学方法。如:对机器人基本理论知识的教学，采用讲授法；对机器人编程的教学，采用实验法、任务驱动法等；对机器人哲学内容的教学采用讨论法;对机器人应用内容的教学，采用参观法、演示

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法；对于机器人设计和制作，则采用研究性学习的方法。为了有效地培养学生的协作能力和团队精神，在开课之初就要将学生根据实际情况，按照“组内异质，组间同质”的原则，分成若干学习小组，每组尽量控制在 2 到 3 名同学。在整个学习过程中，各个小组成员必须相互合作，共同完成每个任务。

2.3.3 注重教学能力和创新精神的培养

为了使未来的信息技术教师能够成功地开展机器人教学活动，在教学过程中，特别注重学生教学能力的培养。如:在课堂中引人了许多优秀的机器人教学案例，有文本形式的教案，也有视频形式的课堂实况。结合案例，向学生介绍主体性教育理论、发现学习理论、多元智能理论等先进的教育理论，讲解支架法、抛锚法和随机进人法等教学方法，并要求学生编写一个简单的教案。在学生做机器人实验提高自身能力时，引导他们结合自己的切身体会去思考怎样才能更好地促进学生综合能力的提高。在教学时，要告诉学生怎样抓住教育时机及时开展各种教育。

在整个教学过程中，我们都鼓励学生充分发挥想像力，大胆创新。要求每个小组在学期末完成一个具有创新意义的实验，作为期末考核的重要指标。事实证明这样做既调动了学生的积极性，又锻炼了学生分析间题、解决问题的能力，还培养了学生的创新意识。

机器人教育在我国刚刚兴起，作为一项极其有意义教育事业，它的健康发展至关重要，否则，就不能体现智能机器人所具有的教育价值，甚至会影响孩子们的茁壮成长。在未来的信息技术中开展机器人教育是我国机器人教育健康发展的重要保