機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

劉相權(quán)　李啟光

摘要：本文對(duì)我校機(jī)器人學(xué)課程的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，指出目前存在的主要問(wèn)題。提出通過(guò)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法和手段，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性；通過(guò)創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在課程教學(xué)中增加實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)理論和實(shí)踐結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而提高教學(xué)質(zhì)量。為探索培養(yǎng)創(chuàng)新型人才教學(xué)模式提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人學(xué)；教學(xué)改革；教學(xué)方法；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）10-0126-03

一、引言

當(dāng)前，隨著機(jī)器人技術(shù)的高速發(fā)展，我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)進(jìn)入高速增長(zhǎng)期，其中工業(yè)機(jī)器人連續(xù)5年成為全球第一大應(yīng)用市場(chǎng)，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)機(jī)器人人才產(chǎn)生巨大需求，迫切需要相關(guān)高等院校對(duì)機(jī)器人課程的教育進(jìn)行深化改革，培養(yǎng)適合社會(huì)需求的高層次機(jī)器人人才[1]。

機(jī)器人學(xué)是我校機(jī)械工程學(xué)科的一門(mén)重要研究生課程，該課程涉及機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等諸多領(lǐng)域，是一門(mén)理論性、實(shí)踐性和綜合性很強(qiáng)的課程。本文結(jié)合作者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以社會(huì)需求為導(dǎo)向，以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)分析機(jī)器人學(xué)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，指出教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，將傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重組與優(yōu)化，增開(kāi)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生不僅具備一定的理論分析能力，同時(shí)具備較高的解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

二、教學(xué)現(xiàn)狀分析

機(jī)器人是一種自動(dòng)化的、能夠通過(guò)預(yù)先編排的程序自主完成某類任務(wù)的機(jī)器裝置。機(jī)器人學(xué)課程以機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、線性代數(shù)、理論力學(xué)、控制工程等為先修課程，要求學(xué)生具備較多的知識(shí)儲(chǔ)備以及一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)普遍感到涉及知識(shí)面寬、理論性強(qiáng)，嚴(yán)重影響了學(xué)習(xí)的積極性。目前存在的主要問(wèn)題有：

1.傳統(tǒng)的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容繁雜。傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容以PUMA560六自由度機(jī)器人為教學(xué)對(duì)象，講述機(jī)器人的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、雅克比矩陣、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、傳感和控制等機(jī)器人知識(shí)，缺少對(duì)該學(xué)科的前沿進(jìn)展和最新成果的介紹；同時(shí)，各章節(jié)內(nèi)容之間相對(duì)獨(dú)立，在32個(gè)學(xué)時(shí)之內(nèi)學(xué)成上述教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生普遍感覺(jué)晦澀難懂[2]。

2.教學(xué)方式單一，側(cè)重理論推導(dǎo)。該課程主要采用老師講、學(xué)生聽(tīng)的“填鴨式”教學(xué)方式，學(xué)生與老師之間沒(méi)有交流討論的機(jī)會(huì)。同時(shí)，教學(xué)內(nèi)容上過(guò)多注重理論知識(shí)的講解，且動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、軌跡控制摻雜過(guò)多的公式推導(dǎo)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)難度大，興趣不高，嚴(yán)重影響了教學(xué)質(zhì)量。

3.實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱，與課堂教學(xué)脫節(jié)。由于工業(yè)機(jī)器人造價(jià)比較高，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量制約，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)很難展開(kāi)，實(shí)驗(yàn)只占4學(xué)時(shí)，且為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，使得實(shí)踐性教學(xué)的力度不夠大，學(xué)生只滿足于概念理論與計(jì)算，沒(méi)有真正提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力。

綜上所述，機(jī)器人學(xué)原有的教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和實(shí)踐內(nèi)容已經(jīng)難以適應(yīng)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要。教學(xué)改革的關(guān)鍵是對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，引入新的教學(xué)方法和技巧，為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和方法[3]。

三、教學(xué)改革探索與實(shí)踐

1.優(yōu)化理論教學(xué)內(nèi)容，注重因材施教。在傳統(tǒng)機(jī)器人學(xué)教學(xué)中，注重理論知識(shí)講解，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)難度較大。針對(duì)我校實(shí)際情況，兼顧知識(shí)的深度與廣度，對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行適當(dāng)取舍，合理安排教學(xué)內(nèi)容，并將其融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。具體而言，可將工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知、機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、示教編程、傳感器和控制等知識(shí)結(jié)合到實(shí)驗(yàn)教學(xué)和案例教學(xué)中，而對(duì)具有過(guò)多公式推導(dǎo)的動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃等只做簡(jiǎn)單介紹。優(yōu)化后的教學(xué)內(nèi)容分為理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、案例教學(xué)共3大模塊，各模塊包含若干任務(wù)，任務(wù)內(nèi)容由淺到深，調(diào)整后的學(xué)習(xí)模塊及任務(wù)如表1所示[4]。

2.注意課堂互動(dòng)，改進(jìn)教學(xué)方式。在講授課程內(nèi)容時(shí)，運(yùn)用案例、視頻、動(dòng)畫(huà)、仿真軟件、現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)知等多種教學(xué)方式取代傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。例如，在講授任務(wù)1機(jī)器人認(rèn)知時(shí)，可參觀我校卓越聯(lián)盟實(shí)驗(yàn)室智慧工廠實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，并通過(guò)視頻、圖像等方式為學(xué)生介紹機(jī)器人的各種結(jié)構(gòu)形式機(jī)器應(yīng)用場(chǎng)合，如串聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人、SCARA機(jī)器人和直角坐標(biāo)機(jī)器人等。在講授任務(wù)2數(shù)學(xué)基礎(chǔ)時(shí)，可借助多媒體課件加深學(xué)生對(duì)各種變換的掌握，在此基礎(chǔ)上通過(guò)Matlab軟件完成相關(guān)計(jì)算以代替手工運(yùn)算。

3.增加現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)環(huán)節(jié)。機(jī)器人學(xué)課程中有些內(nèi)容比較抽象，學(xué)生理解起來(lái)會(huì)有難度。采用現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)法，可以使學(xué)生克服畏懼心理，提高學(xué)習(xí)效率。例如，在講授任務(wù)3中的坐標(biāo)系時(shí)，可以在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作機(jī)器人，讓學(xué)生觀察機(jī)器人在不同的坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)，指出不同坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)的區(qū)別。在講授任務(wù)9傳感器和控制時(shí)，可以在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)對(duì)照6自由度機(jī)器人、直角坐標(biāo)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人、SCARA機(jī)器人，講授傳感器的功能與分類、控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、電氣原理、關(guān)鍵組成部件?，F(xiàn)場(chǎng)教學(xué)法可使學(xué)生深刻理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，效果顯著。

4.建設(shè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，拓展實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。課堂教學(xué)主要是對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論知識(shí)的傳授，而實(shí)踐教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，訓(xùn)練學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，是機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)的重要組成部分[5]。依托我校卓越聯(lián)盟實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，結(jié)合已有的實(shí)驗(yàn)儀器，構(gòu)建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，在機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)中增加實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。

（1）多類型機(jī)器人變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包含了模塊化積木式可拆裝串聯(lián)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人、高級(jí)智能語(yǔ)音人形機(jī)器人、爬樓梯機(jī)器人、履帶機(jī)器人、高級(jí)多類型仿生機(jī)器人綜合訓(xùn)練套裝、彈跳機(jī)器人、智能掃地機(jī)器人、擦玻璃機(jī)器人等設(shè)備，平臺(tái)貼近于工業(yè)應(yīng)用，又立足于教學(xué)，使學(xué)生能夠了解各類型機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)，了解和掌握各類型機(jī)器人的基本知識(shí)，使學(xué)生對(duì)機(jī)器人及其控制系統(tǒng)有一個(gè)完整的理解。

在講授任務(wù)5機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)合可拆裝串聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行拆裝實(shí)驗(yàn)。該機(jī)器人6個(gè)自由度的每個(gè)關(guān)節(jié)模塊可以獨(dú)立運(yùn)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。6個(gè)關(guān)節(jié)模塊的結(jié)構(gòu)形式涉及齒輪傳動(dòng)、行星減速、諧波減速、蝸桿傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)等工業(yè)機(jī)器人常用的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)拆裝實(shí)驗(yàn)，便于學(xué)生了解掌握工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)原理。

（2）智慧工廠微型實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。通過(guò)運(yùn)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)服務(wù)網(wǎng)和智能控制等相關(guān)技術(shù)，該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了制造的智能化和無(wú)人化。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是以印章為加工對(duì)象，實(shí)現(xiàn)工件的智能倉(cāng)儲(chǔ)、智能加工、智能檢測(cè)和智能裝配的全過(guò)程仿真。平臺(tái)內(nèi)部包含1臺(tái)YASKAWA機(jī)器人、1臺(tái)直角坐標(biāo)機(jī)器人和1臺(tái)YAMAHA機(jī)器人，分別實(shí)現(xiàn)分選、搬運(yùn)和裝配功能。

在講述任務(wù)7的機(jī)器人手動(dòng)操作、示教編程與調(diào)試時(shí)，可利用YASKAWA機(jī)器人或YAMAHA機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解機(jī)器人系統(tǒng)的操作過(guò)程，了解工業(yè)機(jī)器人示教再現(xiàn)的概念、原理和實(shí)現(xiàn)方法，學(xué)會(huì)用示教器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教編程，用示教再現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)某一指定軌跡。

（3）虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。采用虛擬仿真教學(xué)，可使學(xué)生在實(shí)際操作之前，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的手動(dòng)操作、示教編程、軌跡規(guī)劃等建立直觀印象，同時(shí)可以避免誤操作對(duì)人員和設(shè)備造成的損傷[6]。在講述任務(wù)8虛擬仿真時(shí)，可使用ABB公司的機(jī)器人仿真軟件RobotStudio進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的基本操作、功能設(shè)置、示教編程、軌跡規(guī)劃等。采用虛擬仿真軟件，能保證每個(gè)學(xué)生都能夠擺脫實(shí)訓(xùn)設(shè)備和場(chǎng)地的限制，提高學(xué)習(xí)效率。

在Matlab環(huán)境下，運(yùn)用Robotics Toolbox工具箱，可以建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型，進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)求解、空間軌跡規(guī)劃。在講述任務(wù)6運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真時(shí)，通過(guò)編寫(xiě)程序語(yǔ)句，快速完成對(duì)機(jī)器人的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、軌跡規(guī)劃仿真。通過(guò)仿真，可以直接觀察到機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，并且所需數(shù)據(jù)能夠以圖形表示出來(lái)。

5.改進(jìn)考核方式，強(qiáng)化過(guò)程管理。課程考核方式采用了期末考試和平時(shí)作業(yè)、實(shí)踐活動(dòng)相結(jié)合的方式，期末考試以考查基本概念、理論知識(shí)為主，約占總成績(jī)的50%；平時(shí)作業(yè)除課后作業(yè)外，每位學(xué)生寫(xiě)一篇專題論文，通過(guò)查閱文獻(xiàn)、收集資料，介紹某類型機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域、研究進(jìn)展等情況，約占總成績(jī)的20%；實(shí)踐活動(dòng)以考查實(shí)踐能力為重點(diǎn)，包括實(shí)驗(yàn)步驟、小組協(xié)作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、答辯等環(huán)節(jié)，約占總成績(jī)的30%。通過(guò)改進(jìn)考核方式，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，其實(shí)踐能力得到很大提高。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文結(jié)合學(xué)校的實(shí)際情況，分析機(jī)器人學(xué)課程在教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的改革措施。通過(guò)對(duì)課程理論內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)置，對(duì)教學(xué)方式、實(shí)踐內(nèi)容及考核方式的不斷改革創(chuàng)新，大大提升了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]戰(zhàn)強(qiáng)，閆彩霞，蔡堯.機(jī)器人教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2010，20（3）：144-146.

[2]閻世梁，張華，肖曉萍.高等工程教育中的機(jī)器人教育探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（8）：149-152.

[3]程仙國(guó)，孫慧平，李占濤.《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].寧波工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，（4）：104-108.

[4]李霞，周強(qiáng)，等.《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)探究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2015，（1）：132-135.

[5]雷靜桃，劉亮，張海洪.“機(jī)器人學(xué)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（5）：179-182.

[6]楊薇，葉暉，胡威.仿真教學(xué)應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)中的必要性[J].科技視界，2014，（32）：18-19.