機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)課程教學(xué)探索

摘 ?要 針對(duì)我國(guó)高校機(jī)器人專(zhuān)業(yè)剛剛起步的特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)校開(kāi)展機(jī)器人教育的現(xiàn)狀進(jìn)行分析研究，提出機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的初步方案，并針對(duì)課程特點(diǎn)對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行初步探索，對(duì)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)建設(shè)和機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)教學(xué)研究有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 機(jī)器人;機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué);機(jī)器人工程;MATLAB

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）14-0063-03

Abstract In view of the characteristics of just beginning in the robo-tics specialty in Chinas colleges and universities， analyses and stu-dies the current situation of Robotics Education in our university， thispaper puts forward the preliminary plan of the teaching content of robotics mechanism course for robotics engineering specialty， and makes a preliminary exploration of the teaching method according to?the characteristics of the course. This paper has certain guiding sig-nificance for the construction of robotics specialty and the teaching research of robotics mechanism.

Key words robot; robotics mechanism; robotics engineering; MATLAB

1 引言

機(jī)器人學(xué)是與機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用相關(guān)的科學(xué)，又稱為機(jī)器人技術(shù)或機(jī)器人工程學(xué)，主要研究機(jī)器人的控制與被處理物體之間的相互關(guān)系。因此，機(jī)器人教育已經(jīng)成為工程教育尤其是高校工程教育的重要發(fā)展方向。2016年，東南大學(xué)在國(guó)內(nèi)首先開(kāi)設(shè)了機(jī)器人工程本科專(zhuān)業(yè)，之后很多高校陸續(xù)新增機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)，僅2017年就有60所。但是相對(duì)于日益膨脹的對(duì)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)人才的需求，高校對(duì)于機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)體系設(shè)置和專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置還有很大不足[1]。

機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)是一門(mén)研究機(jī)器人系統(tǒng)中構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)各自特點(diǎn)與相互連接的學(xué)科，是機(jī)構(gòu)學(xué)在機(jī)器人這一研究本體上的具化。同時(shí)，由于機(jī)構(gòu)學(xué)研究是機(jī)器人學(xué)研究的基礎(chǔ)和重點(diǎn)，在機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)體系設(shè)置中，機(jī)構(gòu)學(xué)的課程設(shè)置就顯得尤為重要。

本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外高校機(jī)器人學(xué)和機(jī)構(gòu)學(xué)教學(xué)調(diào)研的基礎(chǔ)上，以三江學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)為例，提出一種針對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)這一專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置和建設(shè)的探索思路。

2 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人及機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

雖然機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)的設(shè)置較晚，但對(duì)機(jī)器人學(xué)的教學(xué)研究已經(jīng)持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間，國(guó)內(nèi)外很多高校在本科和研究生階段開(kāi)設(shè)了和機(jī)器人及機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)相關(guān)的課程。

國(guó)內(nèi)的機(jī)器人課程最早開(kāi)設(shè)在研究生階段，近年來(lái)很多高校在機(jī)械、自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)的本科階段也陸續(xù)開(kāi)設(shè)此課程。這類(lèi)課程多以機(jī)器人概論、導(dǎo)論為主，其主要教學(xué)目的是通過(guò)課程學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、控制學(xué)、人工智能等和機(jī)器人相關(guān)的各方面知識(shí)。但由于機(jī)器人學(xué)牽扯到的知識(shí)面較廣，在單一課程內(nèi)講述機(jī)器人學(xué)往往不切實(shí)際，通常的做法是結(jié)合不同的專(zhuān)業(yè)背景和前置課程的設(shè)置，對(duì)機(jī)器人學(xué)進(jìn)行有側(cè)重點(diǎn)的教學(xué)[2]。

相對(duì)于機(jī)器人學(xué)課程，機(jī)構(gòu)學(xué)課程的研究范疇則相對(duì)單一。國(guó)內(nèi)外高校通常在機(jī)械工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)的本科和研究生階段會(huì)開(kāi)設(shè)機(jī)構(gòu)學(xué)相關(guān)課程。其中國(guó)內(nèi)高校的機(jī)構(gòu)學(xué)課程開(kāi)設(shè)相對(duì)傳統(tǒng)，一般情況下在本科階段開(kāi)始機(jī)械原理課程，在研究生階段開(kāi)始高等機(jī)構(gòu)學(xué)課程。國(guó)外高校針對(duì)機(jī)械工程類(lèi)本科教學(xué)與國(guó)內(nèi)類(lèi)似，通常在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等課程內(nèi)講述初等機(jī)構(gòu)學(xué)的相關(guān)知識(shí);而在研究生階段，除了有些高校開(kāi)設(shè)的高等機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、高等動(dòng)力學(xué)和機(jī)構(gòu)學(xué)等課程以外，很多高校則選擇把機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)器人學(xué)相結(jié)合，開(kāi)設(shè)了類(lèi)似于機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的課程，主要講述和機(jī)器人相關(guān)的機(jī)構(gòu)學(xué)知識(shí)[3]。

國(guó)內(nèi)最早把機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)作為單獨(dú)的課程設(shè)置同樣出現(xiàn)在研究生階段，這類(lèi)課程主要建立在機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論甚至高等機(jī)構(gòu)學(xué)之上，主要講述工業(yè)機(jī)器人的空間機(jī)構(gòu)學(xué)模型和空間連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。這類(lèi)課程要求學(xué)生有較為扎實(shí)的數(shù)學(xué)、力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和機(jī)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)。

3 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

機(jī)器人專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置 ?表1所示為三江學(xué)院機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)科專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置，其中在第五學(xué)期開(kāi)設(shè)48課時(shí)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)課程，該課程是除了機(jī)器人導(dǎo)論這一專(zhuān)業(yè)導(dǎo)論課程外第一門(mén)真正意義上的專(zhuān)業(yè)課程。課程的前置課程有工程力學(xué)、MATLAB及應(yīng)用、線性代數(shù)（通識(shí)課未見(jiàn)表1，開(kāi)課學(xué)期為第三學(xué)期），后續(xù)為機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程服務(wù)。另外，專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程中開(kāi)設(shè)了機(jī)械設(shè)計(jì)，未開(kāi)設(shè)機(jī)械原理。

由此可見(jiàn)，對(duì)于機(jī)器人工程本科專(zhuān)業(yè)而言，機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)課程需要承擔(dān)機(jī)構(gòu)學(xué)基本概念、常見(jiàn)機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)、機(jī)器人位姿描述、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等多個(gè)模塊，是機(jī)器人專(zhuān)業(yè)課程中唯一的對(duì)于機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的課程，課程重要性不言而喻。

機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)課程教學(xué)設(shè)置 ?如上文所述，傳統(tǒng)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)課程多設(shè)置在研究生教學(xué)階段，面向的是有一定機(jī)器人學(xué)和機(jī)構(gòu)學(xué)知識(shí)的研究生，且課程內(nèi)容主要包括機(jī)器人連桿機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，課程并沒(méi)有對(duì)機(jī)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)概念和理論以及機(jī)器人本身的位姿描述進(jìn)行研究和闡述。而對(duì)于本科階段機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)課程來(lái)說(shuō)，主要是對(duì)機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人學(xué)、常見(jiàn)機(jī)器人機(jī)構(gòu)這三個(gè)方面的闡述和講解[4]。因此，針對(duì)機(jī)器人工程本科專(zhuān)業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的教學(xué)，應(yīng)包括機(jī)構(gòu)學(xué)基本概念和常見(jiàn)機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)、機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、臂型機(jī)器人（移動(dòng)機(jī)器人）運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析這三大模塊。

機(jī)構(gòu)學(xué)基本概念和常見(jiàn)機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)是機(jī)構(gòu)學(xué)的基本內(nèi)容，在此模塊中要求闡述機(jī)構(gòu)學(xué)中關(guān)于機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)分析和力分析的方法，介紹連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析方法，齒輪及齒輪系機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的方法。其中關(guān)于機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)分析和力分析是機(jī)構(gòu)學(xué)的基礎(chǔ)，也是機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)認(rèn)識(shí)機(jī)器人以至其他一般機(jī)械機(jī)構(gòu)有指導(dǎo)性意義，是本模塊的重點(diǎn)。連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析以平面四桿機(jī)構(gòu)和空間開(kāi)式鏈為例，附以并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由簡(jiǎn)入難，逐步介紹了機(jī)器人學(xué)中常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)連桿類(lèi)型及分析設(shè)計(jì)方法，對(duì)后期對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的認(rèn)識(shí)有很大幫助。最后簡(jiǎn)單介紹齒輪和齒輪系機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的方法，對(duì)理解機(jī)器人減速機(jī)構(gòu)有一定的指導(dǎo)意義。

機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)主要包括機(jī)器人的位置與姿態(tài)描述、運(yùn)動(dòng)與時(shí)間關(guān)系這兩部分內(nèi)容，其中機(jī)器人的位置與姿態(tài)描述是機(jī)器人連桿分析的基礎(chǔ)，牽扯到和機(jī)器人相關(guān)的空間數(shù)學(xué)表示，是傳統(tǒng)機(jī)器人學(xué)的重點(diǎn)，也是本課程第三部分的基礎(chǔ)。而運(yùn)動(dòng)與時(shí)間的關(guān)系則從時(shí)域的角度考慮機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)，討論和運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)的坐標(biāo)系、軌跡等相關(guān)概念。

臂型機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析以工業(yè)臂型機(jī)器人為研究對(duì)象，首先對(duì)臂型機(jī)器人進(jìn)行空間機(jī)構(gòu)描述，并在此基礎(chǔ)上介紹工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡分析方法，介紹機(jī)械手的速度關(guān)系、動(dòng)力學(xué)分析方法并由此引出關(guān)節(jié)控制的方法。在主要介紹臂型機(jī)器人機(jī)構(gòu)的同時(shí)，介紹移動(dòng)機(jī)器人的常見(jiàn)機(jī)構(gòu)類(lèi)型及設(shè)計(jì)方法、移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航與定位[5]。

4 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)教學(xué)方法探討

機(jī)器人工程是一門(mén)新興的專(zhuān)業(yè)學(xué)科，由于國(guó)內(nèi)在2016年才開(kāi)設(shè)此專(zhuān)業(yè)，因此，針對(duì)本科教學(xué)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)課程從課程內(nèi)容安排和要求上，都沒(méi)有太多成熟的經(jīng)驗(yàn)借鑒。同時(shí)，機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)也是一門(mén)多學(xué)科交叉、內(nèi)容龐雜、難度較高的課程。所以，對(duì)于本科教學(xué)尤其是應(yīng)用型本科教學(xué)而言，機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)課程教學(xué)一定是在覆蓋知識(shí)面的同時(shí)降低課程難度，才能獲得更好的教學(xué)效果。

強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)與實(shí)踐并行 ?機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)是一門(mén)理論性較強(qiáng)的課程，而同時(shí)兼具實(shí)踐指導(dǎo)意義。機(jī)器人學(xué)中的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、機(jī)構(gòu)學(xué)中的力學(xué)基礎(chǔ)等都是理論性較強(qiáng)的內(nèi)容，也是本課程乃至整個(gè)專(zhuān)業(yè)的重點(diǎn)，所以在課程教學(xué)過(guò)程中一定要抓住重點(diǎn)，夯實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，在講述課程時(shí)還要注意和實(shí)踐相結(jié)合，多舉實(shí)例，讓學(xué)生明白理論基礎(chǔ)在機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析中的作用。

以專(zhuān)業(yè)為背景，強(qiáng)調(diào)課程間的交叉結(jié)合 ?機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)是機(jī)器人學(xué)中的重要專(zhuān)業(yè)課程，是專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課的邁進(jìn)和銜接。在課程教學(xué)過(guò)程中一定要注重此課程對(duì)后續(xù)課程的影響和對(duì)整個(gè)專(zhuān)業(yè)的作用，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不但理解學(xué)了什么，而且理解為什么學(xué)和學(xué)了以后干什么。同時(shí)，在教學(xué)過(guò)程中還要穿插數(shù)學(xué)、力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的復(fù)習(xí)和補(bǔ)缺，使學(xué)生在專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)的整個(gè)體系中理解相互關(guān)系。

強(qiáng)調(diào)MATLAB等計(jì)算機(jī)工具在教學(xué)中的作用 ?機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)中牽扯大量的矩陣及其他數(shù)學(xué)運(yùn)算，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)本末倒置，把精力放在運(yùn)算上。但實(shí)際的機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)研究中早就利用了各種工具來(lái)代替基礎(chǔ)運(yùn)算，尤其是MATLAB軟件除了基礎(chǔ)數(shù)學(xué)運(yùn)算以外，還有針對(duì)機(jī)器人學(xué)開(kāi)服的模塊，在機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)乃至整個(gè)專(zhuān)業(yè)教學(xué)過(guò)程中，都應(yīng)主動(dòng)使用此類(lèi)工具來(lái)簡(jiǎn)化運(yùn)算難點(diǎn)，突出教學(xué)重點(diǎn)。

突出以項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)方式 ?傳統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)教學(xué)往往是先講述基礎(chǔ)概念，再講述計(jì)算和分析方法，最后進(jìn)行實(shí)例分析。而以項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)方法則與此相反，往往是先拋出和課程密切貼合的實(shí)例項(xiàng)目，分析項(xiàng)目的需求，再針對(duì)需求尋找解決方法。對(duì)于機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)課程來(lái)說(shuō)，首先對(duì)經(jīng)典的臂型機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行分析，拋出機(jī)構(gòu)學(xué)在此問(wèn)題中所能起到的作用，緊接著在介紹每一章節(jié)的內(nèi)容時(shí)闡述對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的作用。這種以項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)能夠很好地讓學(xué)生理解課程內(nèi)容開(kāi)始的意義和彼此之間的相關(guān)性。

5 總結(jié)與展望

本文對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了分析和探索，提出針對(duì)機(jī)器人工程這一本科專(zhuān)業(yè)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)教學(xué)應(yīng)包括的主要內(nèi)容和重點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)，指出在機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)教學(xué)過(guò)程中應(yīng)注意的教學(xué)方法。

機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)是一門(mén)新興的學(xué)科，對(duì)課程內(nèi)容的把握還應(yīng)隨著教學(xué)實(shí)踐加以修正。如何在后期的課程教學(xué)中通過(guò)教師、學(xué)生以及用人單位的反饋，修改教學(xué)內(nèi)容和改進(jìn)教學(xué)方法，是該課程教學(xué)改革探索的方向。

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