機器人技術(shù)與應(yīng)用項目式教學(xué)模式探索

李春玲 楊萍 鄭海霞 張淑珍

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)在實踐教學(xué)中要求實施“基礎(chǔ)-綜合-系統(tǒng)-創(chuàng)新”的培養(yǎng)體系，才能不斷適應(yīng)社會需求。本文分析了當(dāng)前機器人技術(shù)教育教學(xué)中存在的問題，積極探索實踐教學(xué)模式，實施機器人技術(shù)課程項目式教學(xué)，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高機器人技術(shù)與應(yīng)用課程的教育教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 工業(yè)機器人 項目式教學(xué) 機器人大賽

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2020.09.030

Abstract With the continuous development of "system based technology"， robot technology can adapt to the needs of society. This paper analyzes the problems existing in the current robot technology education and teaching， actively explores the practical teaching mode， implements the project-based teaching of robot technology course， in order to stimulate students' interest in learning and improve the teaching quality of robot technology and application course.

Keywords industrial robot; project teaching; robot competition

0 概述

近年來，智能制造在世界各國獲得了迅速發(fā)展， 機器人技術(shù)作為制造領(lǐng)域的優(yōu)勢技術(shù)，其發(fā)展代表了一個國家人工智能的水平，社會對高層次機器人工程師的人才需求也越來越迫切。因此，機器人技術(shù)的教育教學(xué)也成為高等教育的重點關(guān)注之一。[1-3]目前，機器人技術(shù)呈現(xiàn)出“應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、專業(yè)知識多樣、設(shè)計精細化要求高、仿生高科技難”的趨勢。[4]國內(nèi)外許多高校都開設(shè)了機器人專業(yè)，相關(guān)機械專業(yè)開設(shè)了機器人方面的課程，傳統(tǒng)教學(xué)講授模式枯燥無味，已經(jīng)不能完全符合新時期人才培養(yǎng)需求。如何培養(yǎng)符合新時代產(chǎn)業(yè) “知識型、技能型、創(chuàng)新型”要求的機器人技術(shù)應(yīng)用高素質(zhì)技能人才成為最為緊迫目標(biāo)。本文以機器人課程實驗、全國大學(xué)生機器人競賽作為實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練平臺，對機器人技術(shù)課程教學(xué)采用項目式教學(xué)。通過本課程的教學(xué)，使學(xué)生在熟悉機器人理論知識的同時，重點是多學(xué)科知識的綜合應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生機器人技術(shù)應(yīng)用能力，達到機械設(shè)計及制造自動化專業(yè)人才培養(yǎng)要求。

1 機器人技術(shù)教育教學(xué)中存在的問題

（1）機器人技術(shù)基礎(chǔ)知識復(fù)雜，難以全面掌握。機器人技術(shù)課程主要內(nèi)容包括：機械系統(tǒng)、運動學(xué)、動力學(xué)、軌跡規(guī)劃以及控制等，涉及基礎(chǔ)課程：機械原理、機械設(shè)計、機械制造，電子電路技術(shù)、自動控制原理、傳感器技術(shù)等。在教學(xué)時間內(nèi)，如果學(xué)生跨學(xué)科知識結(jié)構(gòu)不全，難以全面掌握。對于機械類的學(xué)生來說，自動控制、機器人編程等基礎(chǔ)知識較為薄弱，當(dāng)學(xué)生主動性不強時，就導(dǎo)致學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)失去積極性。

（2）機器人技術(shù)理論教學(xué)抽象枯燥，難以調(diào)動學(xué)生積極性。機器人運動學(xué)、動力學(xué)模型的建立較為復(fù)雜，以及抽象的微分運動分析等，很容易讓學(xué)生望而卻步，機器人運動學(xué)用來解決位置控制問題，而動力學(xué)研究機器人運動和機器人關(guān)節(jié)電機輸出力之間的關(guān)系。大部分學(xué)生都認為只要學(xué)到基本操作知識就可以，不愿意再深入進行設(shè)計和研究，導(dǎo)致學(xué)生的實踐動手能力弱，致使教育教學(xué)活動氛圍不理想。求解機器人的逆運動學(xué)方程更為復(fù)雜，而這部分知識也是機器人課程中必須理解、掌握的重點。

（3）機器人技術(shù)傳統(tǒng)教學(xué)模式，已不能完全適應(yīng)人才培養(yǎng)模式。目前，機器人技術(shù)與應(yīng)用采用傳統(tǒng)理論教學(xué)模式，教學(xué)形式單一、枯燥乏味，知識苦澀難懂，沒有與之對應(yīng)的實踐課程教學(xué)，學(xué)生缺少學(xué)習(xí)興趣和熱情。如果老師本身從學(xué)校畢業(yè)就開始任教，沒有專業(yè)的實踐工程經(jīng)驗，課程教學(xué)脫離實際工程背景，缺乏對學(xué)生相關(guān)動手操作方面的訓(xùn)練，學(xué)生對機器人核心內(nèi)容的理解停留在概念方面。因此，采用傳統(tǒng)的課程教育模式已經(jīng)不能完全適應(yīng)培養(yǎng)高素質(zhì)專門人才。

（4）實踐教學(xué)平臺和實習(xí)實訓(xùn)基地不足，難以提升學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力。機器人技術(shù)教學(xué)在高校迅速發(fā)展，機器人技術(shù)實驗室、實訓(xùn)基地等實踐教學(xué)平臺嚴重不足，教學(xué)儀器較少，學(xué)科知識交叉，學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)不夠全面，致使機器人技術(shù)尚未形成系統(tǒng)的教學(xué)體系，學(xué)生對很多概念無法理解，缺少對與本課程相關(guān)的其他課程的串聯(lián)和銜接，且課程方案中對實踐教學(xué)環(huán)節(jié)突出不足。與一些理論概念課程不同，機器人技術(shù)是多學(xué)科專業(yè)知識的綜合，如果學(xué)生缺乏實踐實驗活動的鍛煉，就喪失了真正的教學(xué)意義，無法通過實踐教學(xué)進一步理解理論教學(xué)的重難點。在選擇具體的工業(yè)機器人平臺實驗時，應(yīng)該尋求開放程度較高的品牌，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2 機器人技術(shù)項目式教學(xué)設(shè)計方案

目前，機器人技術(shù)呈現(xiàn)出“應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、專業(yè)知識多樣、設(shè)計精細化要求高、仿生高科技難”的趨勢。傳統(tǒng)教學(xué)講授教學(xué)模式枯燥無味，已經(jīng)不能完全符合新時期人才培養(yǎng)需求。對機器人技術(shù)課程教學(xué)采用項目式教學(xué)，具體做法如下：

2.1 明確機器人技術(shù)課程教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)新時代產(chǎn)業(yè)對人才培養(yǎng)的需求，本文結(jié)合本校的實驗以及實訓(xùn)平臺，設(shè)計項目式教學(xué)任務(wù)，以提高學(xué)生的實踐能力為核心，制定的主要教學(xué)內(nèi)容如下。

（1）工業(yè)機器人的認知，如工業(yè)機器人基本參數(shù)組成及技術(shù)參數(shù)，工業(yè)機器人各組成部分，了解機器人技術(shù)發(fā)展過程和前沿技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生積極發(fā)現(xiàn)問題、并初步具有分析問題的能力，通過課堂理論學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解機器人的基本概念，本部分的實驗內(nèi)容在機器人實驗室進行，學(xué)生主要觀察機器人的組成部分，查看技術(shù)參數(shù)。

（2）掌握工業(yè)機器人機械系統(tǒng)組成，尤其是典型六自由度關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)特征，以及并聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)，能根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計簡單構(gòu)型機器人結(jié)構(gòu);掌握機器人常用的驅(qū)動裝置，減速裝置，如諧波減速器，RV減速器的結(jié)構(gòu)和工作原理，具備綜合運用理論和技術(shù)手段設(shè)計機器人機械系統(tǒng)的能力。本部分的實驗內(nèi)容主要有并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)特點分析，并熟知六自由度機器人的機械結(jié)構(gòu)。

（3）掌握典型機器人運動學(xué)分析方法，獨立建立多自由度串聯(lián)機器人位姿方程、運動學(xué)、動力學(xué)方程，并進行求解。掌握機器人位置控制方法，會設(shè)計與選擇適用的機器人控制器。掌握機器人常用的控制方法及控制特點，能簡單編寫部分電路，具備設(shè)計機器人基本控制系統(tǒng)的能力。本部分的實驗內(nèi)容主要有六自由度機器人正、逆運動學(xué)分析及求解，串聯(lián)機器人的手動控制實驗，在機器人實驗室進行。

（4）掌握工業(yè)機器人的運動仿真，掌握機器人三維模型建立方法、數(shù)據(jù)管理、三維模型的裝配，進行關(guān)節(jié)運動仿真分析。本部分主要在CAD/CAM實訓(xùn)室完成，要求學(xué)生建立六自由度機器人模型，并能進行裝配，運動仿真，并觀察機器人的運動范圍和運動特點。

（5）掌握工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的拆裝，機械部分裝配工藝、熟知安全規(guī)范，機器人整體結(jié)構(gòu)調(diào)整等。主要對六自由度機器人進行拆裝，觀察減速器結(jié)構(gòu)，分析主要部件的裝配工藝，在機器人實驗室完成。

（6）掌握工業(yè)機器人的編程技術(shù)，會應(yīng)用Matlab進行機器人運動學(xué)仿真，按照指定任務(wù)，完成機器人程序編寫。以六自由度機器人為例，在運動學(xué)分析的基礎(chǔ)上，據(jù)不同的軌跡規(guī)劃任務(wù)，進行運動學(xué)仿真。

2.2 以機器人大賽培育過程作為項目式教學(xué)平臺

依托機器人大賽及教師拓展的科研項目，利用現(xiàn)代化教育技術(shù)，主張先練后講，先學(xué)后教，強調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，主動參與，從嘗試入手，從練習(xí)開始，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

（1）以機器人大賽為依托和導(dǎo)向。根據(jù)全國機器人大賽要求，注意挖掘并豐富項目的內(nèi)容，拓展項目的形式。近年來，組織并指導(dǎo)校內(nèi)比賽，“機器人創(chuàng)意設(shè)計與實踐大賽”，指導(dǎo)教師對報名參賽學(xué)生進行組隊，分工，引導(dǎo)學(xué)生自己思考，創(chuàng)新，設(shè)計，管理，整個機器人從設(shè)計，編程，測試到實施等都由學(xué)生自主完成。對于基礎(chǔ)較好，動手能力較強的同學(xué)，推薦參加“高校智能機器人創(chuàng)意大賽”“RoboMaster全國大學(xué)生機器人大賽”，“全國大學(xué)生恩智浦杯智能汽車競賽”。

（2）從參賽機器人設(shè)計和開發(fā)過程出發(fā)，充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，參考中國大學(xué)MOOC，學(xué)銀在線，學(xué)堂在線等線上平臺的優(yōu)質(zhì)資源，建設(shè)本校機器人課程的MOOC，課程分為線上和線下教學(xué)兩部分，可以及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，學(xué)習(xí)興趣。根據(jù)舉辦的機器人大賽，進行制定計劃、活動探究、作品制作、成果交流，活動評價等。

（3）對課程考核方式進行改革，動員學(xué)生先參加校內(nèi)比賽，比賽成績可作為課程實踐成績的一部分，實踐成績占50%，理論考試成績占30%，其余20%，包括一個項目設(shè)計中，個人表現(xiàn)、設(shè)計方案和實訓(xùn)報告等，使學(xué)生感到任務(wù)的實施與評判是有尺度的，以充分調(diào)動學(xué)生的積極性。

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)的機器人技術(shù)課程教學(xué)中，不可避免存在一定的缺陷，結(jié)合本校機器人實驗和實訓(xùn)平臺，對本校機器人技術(shù)項目式教學(xué)模式進行了探索和實踐，以期望通過這種教學(xué)方式，學(xué)生將所學(xué)理論知識付諸實踐，并結(jié)合新工科建設(shè)理念，進一步明確教育教學(xué)目標(biāo)，完善實踐平臺支撐，補齊短板，強化特色，全方位提升教育教學(xué)水平，激發(fā)學(xué)習(xí)主動性和探索科技技術(shù)的積極性，提高了機器人技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

參考文獻

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