以競賽為導(dǎo)向的機器人技術(shù)課程教學(xué)改革研究

高文英

（沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110045）

機械的自動化是當(dāng)今不可避免的一大趨勢。智能機器人代替人類工作能夠解決安全性、效率、可靠性等一系列問題，并能夠在小空間內(nèi)代替人類無法觸及的領(lǐng)域去完成工作。振興東北老工業(yè)基地，要在做強裝備制造業(yè)的同時加快培育機器人等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)由“中國制造”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸袊窃臁?。作為東北老工業(yè)基地的遼寧沈陽，正在大力發(fā)展智能制造、智能服務(wù)和智能生產(chǎn)，加快向智能化轉(zhuǎn)型[1-6]。

一、高職院校機器人技術(shù)課程教學(xué)存在的問題

機器人技術(shù)課程為高職機械設(shè)計與制造專業(yè)的專業(yè)必修課，課程主要講授機器人概述、分類、結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)、運動學(xué)基礎(chǔ)、機械結(jié)構(gòu)、傳感器、控制技術(shù)、編程技術(shù)等[7-10]。本課程在教學(xué)過程中存在的主要問題如下。

（一）課程難度大，需要的前續(xù)知識儲備量大

高職機器人技術(shù)課程要求學(xué)生掌握機械原理、機械設(shè)計、控制工程、電子與電工技術(shù)、傳感器與測試技術(shù)及其它一些機與電的專業(yè)知識，而大部分高職學(xué)生缺乏扎實的機械和控制的理論基礎(chǔ)，或者說機械和控制二者得此失彼，是機器人技術(shù)課程遇到的最大障礙，學(xué)生難以對本門課進行整體的把控。

（二）課程教學(xué)過程與生產(chǎn)實踐相脫離

本課程為高職機械設(shè)計與制造專業(yè)第四學(xué)期的專業(yè)基礎(chǔ)課，共48學(xué)時，其中理論基礎(chǔ)40學(xué)時，實踐環(huán)節(jié)8學(xué)時。實踐環(huán)節(jié)多以參觀為主，理論教學(xué)枯燥，多是一些理論計算、分析，從而使學(xué)生從一開始就對本門課產(chǎn)生厭惡感。講授過程中主要以書本為主，并基本采用理論講述，效果欠佳。

（三）課程考核形式單一

課程多以筆試考核形式來結(jié)束課程學(xué)習(xí)。主要通過考查理論計算、概念等知識，學(xué)生只需通過期末復(fù)習(xí)即可通過考試，導(dǎo)致學(xué)生缺課率提高，而無法考查學(xué)生的實際動手及理解能力，與企業(yè)實際需求脫鉤。

二、課程改革目標(biāo)

高職機器人技術(shù)課程主要基于當(dāng)今應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，使學(xué)生在掌握機器人理論基礎(chǔ)的同時，通過組織競賽、任務(wù)分解、在課堂上對任務(wù)進行學(xué)習(xí)、實踐操作，從而真正地達到對課程的理解、掌握等目的。

三、以競賽為導(dǎo)向的課程改革建設(shè)實例

以遼寧省機器人競賽為原型，題目為“智能撿球機器人”，要求機器人能夠按照給定軌跡行進，能夠自主識別路邊的圓球，并通過車載拾球裝置將球拾起，行進至終點后能夠自主將收集的圓球倒入收球箱內(nèi)。

（一）課程學(xué)時設(shè)置

為了滿足教學(xué)效果，達到課程改革要求，實現(xiàn)應(yīng)用技能型人才培養(yǎng)，提高學(xué)生實踐能力，特將本門課程設(shè)置為總64學(xué)時，其中32為理論教學(xué)，32為實踐訓(xùn)練。

1．理論教學(xué)課時安排

理論教學(xué)以競賽為導(dǎo)向開設(shè)學(xué)習(xí)內(nèi)容，針對機器人制作過程中所需知識，來設(shè)計教學(xué)體系，以此提高教學(xué)效率。開設(shè)的教學(xué)內(nèi)容、目標(biāo)及學(xué)時如表1所示。

2．理論教學(xué)考核方式

考核方式是一門課程如何結(jié)束的重要部分，也是了解學(xué)生掌握程度的一項重要措施。根據(jù)教學(xué)改革目標(biāo)，將本次課程考核方式確定為任務(wù)式分階段教學(xué)得分的方式，以此達到提高學(xué)生實踐能力、掌握主要知識點的目的。

表1 理論教學(xué)課時安排

將班級按照人數(shù)分為4組（每組8人），按照每2～3周一個項目進行任務(wù)分配，達到每人有項目，每人有分?jǐn)?shù)。并進行PPT幻燈片匯報，共6次匯報，每次10～20分不等，滿分100分。以此使整個評分貫穿于整個教學(xué)過程，從而消除逃課、半路放棄或者期末突擊考試等情形，真正達到人人聽課、人人參與、人人實踐和人人達標(biāo)的要求。

3．實踐環(huán)節(jié)考核

實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計條件：實踐環(huán)節(jié)與理論教學(xué)一一對應(yīng)，在完成理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，展開機器人的制作訓(xùn)練，訓(xùn)練目的和題目與理論教學(xué)一致。

實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計任務(wù)：a.設(shè)計一款能夠按給定軌跡行進的移動平臺；b.設(shè)計一款能夠安裝在移動平臺上的機械手臂；c.設(shè)計控制程序流程圖，編寫相關(guān)程序；d.制作實物，調(diào)試程序。

實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計要求：a.完成小車的建模，打印整套圖紙做出實物；b.完成機械手的建模，打印整套圖紙，做出實物；c.完成整機裝配調(diào)試

4．實踐環(huán)節(jié)的評分設(shè)置

實踐環(huán)節(jié)的分值設(shè)置如表2所示。

（二）課改教學(xué)成果

1．創(chuàng)新點

一是根據(jù)機器人技術(shù)的課程特點，制定了由“32（理論）+32（實踐）”的學(xué)時分布特色，實現(xiàn)了理實一體化教學(xué)安排。

二是通過過程考核，控制了學(xué)生出勤率，實現(xiàn)了人人參與、步步得分的課堂環(huán)境，打破了常規(guī)的試卷模式。

三是確保了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，增加了實踐動手能力。

表2 實踐環(huán)節(jié)的分值設(shè)置

2．教學(xué)成果展示

（1）小車造型

學(xué)生自己動手，通過實際的加工，遇到困難自己尋求解決問題所需知識，打破了傳統(tǒng)的教學(xué)模式。加工完成的小車如圖1所示。

圖1 機器人小車三維總體設(shè)計

小車采用2輪履帶式進行避障行進，采用3自由度機械手臂結(jié)構(gòu)，并用自制1自由度機械爪夾持機構(gòu)以及絲杠倒球機構(gòu)等共同組成機器人的整體結(jié)構(gòu)。學(xué)生在設(shè)計過程中，結(jié)合了機械原理、機械設(shè)計及機械制造等專業(yè)知識理論，效果良好。

（2）行走裝置

本機器人采用12V傳動比為1:100的直流減速電機作為驅(qū)動，采用履帶式行進方式，來提供動力，從而穩(wěn)定前進（如圖2所示）。

圖2 機器人行走裝置設(shè)計

（3）抓取裝置

抓取機構(gòu)采用機械爪抓球?qū)崿F(xiàn)撿球。設(shè)計采用舵機提供動力，齒輪嚙合，從而能更精確的抓取，從美觀的角度來講，也做到了機械爪之美（如圖3所示）。

圖3 機器人抓取裝置設(shè)計圖

（4）運球裝置

運球裝置采用以12V直流電機作為驅(qū)動絲杠，使絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使運球裝置翻轉(zhuǎn)，達到運球的目的（如圖4所示）。

圖4 機器人運球存球裝置設(shè)計

（三）電控部分設(shè)計

1．電機選擇

根據(jù)模型預(yù)先布置好了軌跡以及工作時間要求，要求規(guī)定機器人需要行走的直線距離有兩段，一段為1 800 mm，另一段為600 mm。機器人需要行走的曲線距離也有兩段，一段是半徑為600 mm的1/4圓弧，另一段是半徑為600 mm的1/2圓弧。經(jīng)過整合與分析之后，計算出整個賽道機器人需要行進的中心距離大約為5 235 mm，結(jié)合預(yù)留給機械手抓取圓球的時間總成估算為1分鐘，這樣留給行走的時間應(yīng)控制在兩分鐘以內(nèi)。

由于履帶底盤的驅(qū)動輪直徑為4.8 mm，即履帶輪的周長大約在151mm左右，用路程比上輪子周長做出電機最終輸出的轉(zhuǎn)速為17轉(zhuǎn)/分鐘?？紤]到彎道會損耗速度按比例計算實際電機需要達到的轉(zhuǎn)速應(yīng)該是22轉(zhuǎn)/分鐘，車體部分采用了鋼板角鐵等金屬結(jié)構(gòu)，這樣可能導(dǎo)致車體本身偏重，所以電機需要一定的扭矩。在負(fù)載的影響下電機是不可能達到額定轉(zhuǎn)數(shù)的，為了控制速度，電機的額定轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)控制在26轉(zhuǎn)/分鐘至30轉(zhuǎn)/分鐘之內(nèi)。經(jīng)過查閱相關(guān)電機參數(shù)最終選擇了一款額定轉(zhuǎn)數(shù)為27轉(zhuǎn)/分鐘、額定電壓為12 V、傳動比為1:290的直流減速電機作為主驅(qū)動電機。

2．舵機選擇

由于所撿圓球質(zhì)量為60 g，外加機械臂的長度，故選用的舵機為MG996的舵機作為機械臂以及機械爪的關(guān)節(jié)部分，從而能夠支持機械爪以及球的重量?？紤]到整個機械臂及機械爪的重量選用MG996遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠支持其總質(zhì)量，故選LD-1501數(shù)字舵機1個，作為機械臂最底部的支撐，從而達到理想的狀態(tài)。

3．傳感器選擇

本機器人采用的傳感器是用3個紅外避障傳感器、2個紅外檢測球的傳感器組成。

4．電源選擇

因為本機器人整體質(zhì)量較大，選用電機扭矩較大，故采用12V鋰電池作為電機驅(qū)動。另外，因為機械臂連接各驅(qū)動板，所以采用7.4V鋰電池來驅(qū)動機械臂以保證它動作穩(wěn)定。為了更易于識別待檢測物體需電壓穩(wěn)定，故采用7.4V電源單獨給各傳感器供電。

5．產(chǎn)品造價

（1）機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品報價

機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品報價如表3所示。

表3 機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品報價

（2）機械電控產(chǎn)品報價

機械電控產(chǎn)品報價如表4所示。

表4 機械電控產(chǎn)品報價

通過此次教學(xué)改革，達到了理實一體化的目的，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了出勤率，更加深了前期知識機械原理、機械設(shè)計等知識掌握，對學(xué)生的專業(yè)提高起到了一定的促進作用，改革效果良好。在今后會繼續(xù)加大教改力度，真正實現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，提高學(xué)生的實踐能力。