應(yīng)用型本科工業(yè)機(jī)器人控制課程教學(xué)改革

劉娣　劉坤　溫秀蘭

摘 要 針對應(yīng)用型本科院校自動化（機(jī)器人）專業(yè)方向工業(yè)機(jī)器人控制課程的教學(xué)目標(biāo)和需求，對工業(yè)機(jī)器人控制課程理論及實踐教學(xué)方法和考核方式進(jìn)行改革探索，對課程設(shè)置和實踐安排提出具體的改革措施，課程改革成果在教學(xué)應(yīng)用中取得較好的效果，培養(yǎng)了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

關(guān)鍵詞 工業(yè)機(jī)器人控制；教學(xué)改革；課程建設(shè)

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）04-0097-03

Abstract According to the industrial robot control course teaching goals and needs of automation-robot major for application-oriented

institute， the reform and exploration methods of theory teaching and

practical teaching for industrial robot control course is discussed. The optimization measures of curriculum and practical arrangements are given. The result of curriculum reform has been applied in tea-

ching and good effect is obtained. It is useful to cultivate the student

practice and innovation ability， and to stimulate the students learning

initiative.

Key words industrial robot control； teaching revolution； course con-

struction

1 前言

近年來，隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，勞動力成本不斷提高，工業(yè)機(jī)器人在全球范圍內(nèi)的需求急速增長，企業(yè)對高層次機(jī)器人專業(yè)技術(shù)人才的引進(jìn)也將不斷增加，如何培養(yǎng)高質(zhì)量的機(jī)器人專業(yè)技術(shù)人才成為相關(guān)高校所面臨的共同問題[1-3]。南京工程學(xué)院在2013年招收了第一屆自動化（機(jī)器人）專業(yè)方向的本科生，目的在于培養(yǎng)高層次機(jī)器人專業(yè)技術(shù)應(yīng)用型人才，能從事機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)、技術(shù)集成，系統(tǒng)安裝、運行、維護(hù)和技術(shù)管理等方面工作。在開設(shè)的相關(guān)課程中，工業(yè)機(jī)器人控制是自動化（機(jī)器人）專業(yè)方向的一門重要的專業(yè)課程，為進(jìn)一步提升教學(xué)品質(zhì)、完善教學(xué)策略。本文在對工業(yè)機(jī)器人控制課程教學(xué)大綱及教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對其理論教學(xué)、實踐教學(xué)以及課程考核方式進(jìn)行改革探索。

2 課程特點及教學(xué)目標(biāo)

課程特點 機(jī)器人控制系統(tǒng)在很大程度上決定了機(jī)器人的功能和性能。機(jī)器人控制涉及自動控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能、電子技術(shù)和機(jī)械工程等多學(xué)科的內(nèi)容。工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)的主要任務(wù)是控制機(jī)器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)、軌跡、操作順序及動作時間等。課程主要目的和任務(wù)是通過對工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)基本理論和最新進(jìn)展的介紹，使學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人常用的控制方法以及智能控制方法。

相比于研究生階段開設(shè)的相關(guān)課程，本科階段開設(shè)的工業(yè)機(jī)器人控制課程更注重應(yīng)用實踐能力的提高，在一定程度上弱化理論研究；同時，與高職院校開設(shè)的機(jī)器人控制實訓(xùn)課程也不同，應(yīng)用型本科階段開設(shè)的工業(yè)機(jī)器人控制課程應(yīng)使學(xué)生在掌握控制理論知識的基礎(chǔ)上，具備較高的提出問題、分析問題、解決問題的能力[4]。因此，在課程內(nèi)容設(shè)置上，要兼顧理論學(xué)習(xí)與實踐操作的有效融合與滲透。

教學(xué)目標(biāo) 工業(yè)機(jī)器人控制課程的教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生掌握機(jī)器人運動學(xué)和動力學(xué)基礎(chǔ)、機(jī)器人控制基礎(chǔ)、機(jī)器人的位置控制和力控制、機(jī)器人智能控制技術(shù)、機(jī)器人軌跡規(guī)劃等，要求學(xué)生不僅具備一定的理論分析能力，也要具備較高的解決實際問題的能力，使學(xué)生既不浮于理論之上而導(dǎo)致難以學(xué)以致用，也不會因為理論知識儲備不足而導(dǎo)致難以具備以后繼續(xù)學(xué)習(xí)的能力。

3 課程改革措施

南京工程學(xué)院自動化學(xué)院的工業(yè)機(jī)器人控制課程共48學(xué)時，其中理論教學(xué)40學(xué)時，實踐教學(xué)8學(xué)時，是自動化（機(jī)器人）專業(yè)方向本科生的必修課程。工業(yè)機(jī)器人控制課程兼具理論學(xué)習(xí)與實踐操作的教學(xué)要求，針對這一特點，在教學(xué)過程中，理論上應(yīng)以引導(dǎo)為主，突出重點，做到深入淺出；而不是要求學(xué)生全盤推導(dǎo)復(fù)雜公式，否則可能導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)之初便難以理解而失去學(xué)習(xí)興趣。在實踐操作環(huán)節(jié)，應(yīng)結(jié)合已講授過的理論知識幫助學(xué)生理解機(jī)器人動作的原理與含義，將相關(guān)的運動學(xué)、動力學(xué)、控制方法、軌跡規(guī)劃、傳感器等知識有效滲透在實踐操作過程中，而不是僅僅要求學(xué)生按照實驗步驟完成機(jī)器人動作。理論學(xué)習(xí)與實踐操作的相互滲透、相互結(jié)合，可幫助學(xué)生更深入理解機(jī)器人理論知識，同時加強(qiáng)學(xué)生的動手實踐能力[5]。

理論教學(xué)方法改革 在40課時的時間里要完成工業(yè)機(jī)器人運動學(xué)、動力學(xué)、軌跡規(guī)劃、位置控制、力控制、智能控制等方面的教學(xué)內(nèi)容，知識點繁多，且其中不乏煩瑣的公式推導(dǎo)。因此，要能夠在有限的時間內(nèi)讓學(xué)生掌握關(guān)鍵知識點，教學(xué)內(nèi)容的合理安排尤為重要，可從以下幾個方面來進(jìn)行理論教學(xué)的改革探索。

1）架構(gòu)課程知識體系。可以在緒論部分通過給學(xué)生簡單介紹工業(yè)機(jī)器人的工作過程，將后續(xù)要學(xué)習(xí)的相關(guān)知識點都容納進(jìn)來，給學(xué)生提供一條學(xué)習(xí)的主線，首先架構(gòu)出完整的知識體系。如對于工業(yè)機(jī)器人的工作過程，簡言之，就是通過規(guī)劃，將要求的工作任務(wù)變?yōu)槠谕牧瓦\動，由控制環(huán)節(jié)根據(jù)期望的力和運動信號，產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，以使機(jī)器人輸出實際的力和運動，進(jìn)而完成期望的工作任務(wù)；工業(yè)機(jī)器人實際運動的情況通常還要反饋給規(guī)劃級和控制級，以便對規(guī)劃和控制的結(jié)果做出適當(dāng)?shù)男拚齼?yōu)化。工業(yè)機(jī)器人的這一工作過程如圖1所示。

在上述概念中，自然地涵蓋了課程的關(guān)鍵知識點，如何才能在工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)機(jī)器人的上述動作過程？這一問題的提出，可大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，若能配合相關(guān)的視頻、動畫、框圖進(jìn)行講解，可進(jìn)一步幫助學(xué)生了解課程內(nèi)容與工業(yè)現(xiàn)場之間的關(guān)系，進(jìn)而架構(gòu)更完整的知識體系。

2）打牢數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)涉及多種坐標(biāo)系以及復(fù)雜的姿態(tài)變換、坐標(biāo)變換等，這部分內(nèi)容是課程重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。一些重要概念一定要講解透徹，如旋轉(zhuǎn)矩陣的多種表示方法、齊次變換矩陣的含義等，可借助多媒體課件加深學(xué)生對各種變換的掌握。具體的公式不要求學(xué)生記住，但是一定要理解其含義，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步講解通過MATLAB仿真軟件完成相關(guān)計算的方法。也就是說，這部分內(nèi)容要側(cè)重講解變換方法與MATLAB實現(xiàn)方法，弱化具體的運算。

3）控制方法要具體可行。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成包括中心控制器、驅(qū)動電路、電動機(jī)、減速器、傳感器、相關(guān)硬件和軟件等組成部分，對于多變量、非線性、耦合的復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)，其控制方式也與一般伺服系統(tǒng)不同，控制方法的好壞是系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。盡管很多研究者對機(jī)器人的高級控制方法進(jìn)行了很多研究，如變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制、智能控制等，但這些更多地偏重于理論與仿真研究，對于應(yīng)用型本科院校的學(xué)生來說，在工業(yè)機(jī)器人控制這門課程的教學(xué)過程中，切不可讓學(xué)生脫離機(jī)器人本體而僅浮于理論研究之上進(jìn)行學(xué)習(xí)，應(yīng)緊密結(jié)合機(jī)器人本體進(jìn)行教學(xué)，從模型建立、模型簡化、電動機(jī)伺服控制原理、電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整、單關(guān)節(jié)控制、多關(guān)節(jié)控制的耦合與補(bǔ)償?shù)雀鱾€方面講解工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理?？梢灾v解經(jīng)典機(jī)器人案例的控制方法，如PUMA機(jī)器人，其伺服控制組成結(jié)構(gòu)、位置控制系統(tǒng)實現(xiàn)原理、單關(guān)節(jié)控制、多關(guān)節(jié)控制等各個方面的內(nèi)容都與機(jī)器人本體緊密相關(guān)，這種具體性、可實現(xiàn)性也可在一定程度上增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的信心。在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)一些機(jī)器人高級控制算法，并通過MATLAB對算法性能進(jìn)行仿真對比，進(jìn)一步掌握機(jī)器人各種控制方式的特點與控制算法的優(yōu)劣。

實踐教學(xué)方法改革 在實踐教學(xué)部分，南京工程學(xué)院自動化學(xué)院采用的實驗設(shè)備是匯博六自由度模塊化可拆裝串聯(lián)機(jī)器人，該設(shè)備6個自由度的每個模塊可以獨立運行操作，并能按照統(tǒng)一接口任意組合成2～6自由度機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人控制課程的實踐側(cè)重于機(jī)器人運動學(xué)、動力學(xué)研究、驅(qū)動源電氣參數(shù)的設(shè)置、機(jī)器人程序的編寫、基于控制卡鏈接庫和機(jī)器人鏈接庫的VC編程等方面。

1）拓展實踐教學(xué)內(nèi)容。

首先，常規(guī)的示教、搬運裝配等實驗是大綱中要求的實驗內(nèi)容，為進(jìn)一步提升學(xué)生對機(jī)器人工作原理、工作方式的認(rèn)知程度，應(yīng)結(jié)合實驗設(shè)備進(jìn)一步拓展實踐教學(xué)內(nèi)容。6個模塊多樣化的結(jié)構(gòu)均體現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人的特點，涉及諧波減速、行星減速、同步帶傳動、蝸輪蝸桿傳動以及齒輪傳動等工業(yè)機(jī)器人常用的結(jié)構(gòu)形式，因各模塊均為透明封裝，便于了解其具體結(jié)構(gòu)原理，故可將其與實驗室已有的搬運、焊接等工業(yè)機(jī)器人結(jié)合起來進(jìn)行講解，幫助學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳動原理。

其次，產(chǎn)品設(shè)備提供了控制卡鏈接庫函數(shù)和機(jī)器人動態(tài)鏈接庫，因此，要求學(xué)生在掌握控制卡鏈接庫函數(shù)和機(jī)器人鏈接庫函數(shù)的功能及調(diào)用方法基礎(chǔ)上，能實現(xiàn)對機(jī)器人的二次開發(fā)，實現(xiàn)機(jī)器人復(fù)位、單軸運動、狀態(tài)檢測等多種控制，而不僅限于能操作設(shè)備自帶的軟件界面。

最后，實踐環(huán)節(jié)還應(yīng)設(shè)置相關(guān)的MATLAB仿真實驗，將一些控制算法與工業(yè)機(jī)器人對象相結(jié)合，借助MATLAB軟件對機(jī)器人的動力學(xué)特性進(jìn)行分析，實現(xiàn)對機(jī)器人的仿真控制，通過直觀的圖文可以加深學(xué)生對控制算法的理解，動畫仿真結(jié)果也可大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2）實踐考核方式多樣化。在實踐環(huán)節(jié)，教師應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化實踐考核評價體系，各環(huán)節(jié)的考核方式均應(yīng)靈活多變，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。雖然大綱上已安排了具體的實驗，但在實驗過程中，仍然應(yīng)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力對其進(jìn)行引導(dǎo)，鼓勵學(xué)生積極思考，利用實驗室現(xiàn)有設(shè)備提高自己對知識的綜合應(yīng)用能力，而不受限于僅完成已有實驗項目。同時，應(yīng)鼓勵學(xué)生參加各種機(jī)器人大賽，在實踐中綜合運用各學(xué)科知識，提升知識應(yīng)用的能力。將這些納入實踐環(huán)節(jié)的評價體系中來，可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

4 結(jié)束語

通過對工業(yè)機(jī)器人控制課程理論環(huán)節(jié)和實踐環(huán)節(jié)教學(xué)方法及考核方式的不斷改革創(chuàng)新，在教學(xué)過程中取得一定的效果，改革成果在實際教學(xué)中的應(yīng)用為培養(yǎng)自動化（機(jī)器人）專業(yè)方向的優(yōu)秀人才打下堅實的基礎(chǔ)。隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展及企業(yè)對高層次機(jī)器人專業(yè)技術(shù)人才的大量需求，南京工程學(xué)院自動化學(xué)院將進(jìn)一步完善工業(yè)機(jī)器人課程創(chuàng)新教學(xué)平臺，進(jìn)一步突出素質(zhì)教育和工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，注重學(xué)生學(xué)科知識、工程能力和專業(yè)素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，讓學(xué)生能以工程項目為背景，在工程應(yīng)用中更深刻理解機(jī)器人控制理論知識，提升解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力。

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