地方本科院?！稒C(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》課程中重難點(diǎn)內(nèi)容教學(xué)方法探討

張學(xué)剛

(攀枝花學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

2015年5月，在國務(wù)院部署的《中國制造2025》中提到，從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，需要實(shí)行五大工程(制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)的工程、強(qiáng)化基礎(chǔ)的工程、智能制造工程、綠色制造工程和高端裝備創(chuàng)新工程)[1]，其中，實(shí)現(xiàn)智能制造工程的主要內(nèi)容就是發(fā)展機(jī)器人工程[2]。為了響應(yīng)國家的戰(zhàn)略布局，為社會提供更多掌握機(jī)器人技術(shù)的人才。近年，在很多學(xué)校的本?？撇糠謱I(yè)中都開設(shè)了《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》這門課。對于本科專業(yè)來說，這門課的教學(xué)不能泛泛而談，需要有一定的理論深度，而且該課程屬于交叉學(xué)科，涉及到機(jī)械學(xué)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、矩陣論等方面的知識[3]。因此，學(xué)生學(xué)起來較吃力，學(xué)習(xí)積極性較低，甚至部分學(xué)生存在畏懼心理。為了解決這個(gè)問題，很多高校一線教師分享了自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了優(yōu)良的教學(xué)方法[2，4]。

趙弘等人[5]基于多倫多大學(xué)的教學(xué)模式，提出了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的方法。戰(zhàn)強(qiáng)等人[6-7]通過改善教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考評方式三個(gè)方面提升教學(xué)效果。王劍等人[8-9]著重從實(shí)驗(yàn)和競賽角度分析了機(jī)器人課程的改革方案。程仙國等人[10]將焊接機(jī)器人作為學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)平臺，通過任務(wù)驅(qū)動提高學(xué)習(xí)的積極性，旨在鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。雷靜桃等人[11]通過構(gòu)建機(jī)器人教學(xué)和科研共享實(shí)驗(yàn)平臺，在課程中加入實(shí)踐環(huán)節(jié)來開展教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)驗(yàn)技能。杜邊境等人[12]提出了采用啟發(fā)式教育、項(xiàng)目驅(qū)動式教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)等方法來提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。胡俊立等人[13-14]摒棄傳統(tǒng)單調(diào)的教學(xué)模式，基于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)課程資源，采用慕課、微課和師生互動的方式來提高教學(xué)質(zhì)量。許文燕[15]站在高職院校的角度，以社會需求為導(dǎo)向，弱化理論教學(xué)，著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力。張奔[16]將MATLAB軟件穿插于理論教學(xué)過程中，用于簡化課程中的繁雜數(shù)學(xué)運(yùn)算，使學(xué)生學(xué)習(xí)的重心由基礎(chǔ)運(yùn)算轉(zhuǎn)移到機(jī)器人當(dāng)中來。畢建平等人[17]分析了現(xiàn)階段實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，采用分組教學(xué)和項(xiàng)目分解的方式開展實(shí)踐教學(xué)。劉良斌等人[18]將虛擬仿真軟件Robotstudio運(yùn)用于機(jī)器人的教學(xué)過程中，降低了實(shí)踐教學(xué)的成本。谷明信等人[19]將理論深度較大的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析等部分內(nèi)容簡化，并引入MATLAB虛擬仿真技術(shù)等手段開展教學(xué)，從而達(dá)到提升教學(xué)水平的目的。劉越等人[20]從機(jī)器人大賽的角度探討了機(jī)器人控制系統(tǒng)和仿真軟件在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，進(jìn)而提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)熱情。

從上述文獻(xiàn)中可以看出，目前在機(jī)器人的理論教學(xué)方面還存在很多不足，并沒有詳細(xì)闡述如何解決機(jī)器人課程中的重難點(diǎn)問題。本文從課程的性質(zhì)出發(fā)，根據(jù)我校機(jī)器人課程的教學(xué)現(xiàn)狀，分別詳細(xì)地探討了課程中多個(gè)重難點(diǎn)內(nèi)容的教學(xué)方法。

1 課程性質(zhì)與特點(diǎn)

《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》是攀枝花學(xué)院機(jī)器人工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化、機(jī)械電子工程等專業(yè)的專業(yè)課，總共2.5個(gè)學(xué)分，40學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)。課程的主要任務(wù)是介紹串聯(lián)機(jī)器人的位姿描述、雅可比矩陣、運(yùn)動學(xué)建模、動力學(xué)建模、軌跡規(guī)劃方法等。培養(yǎng)掌握機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)知識、初步具備機(jī)器人開發(fā)設(shè)計(jì)、應(yīng)用和研究能力的善于理論聯(lián)系實(shí)際的專業(yè)技術(shù)人才，并為現(xiàn)代化、自動化、智能化的企業(yè)培養(yǎng)優(yōu)秀的技術(shù)和管理類骨干。

對于地方本科應(yīng)用型院校來說，本課程的理論部分難度較大、知識較抽象、學(xué)時(shí)分配較少，而且課程中涉及到的知識面較廣、較雜、計(jì)算量大，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)比較吃力。

2 教學(xué)現(xiàn)狀分析

自從高考招生將二本和三本統(tǒng)一劃線之后，對偏遠(yuǎn)地區(qū)的地方應(yīng)用型本科高校招生質(zhì)量有一定的影響。相對于高水平的本科院校來說，學(xué)生的基礎(chǔ)差一些，而且?guī)熧Y力量和硬件設(shè)施在整體上存在一定的差距，不能很好地展開與理論匹配的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。而且《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》這門課的理論深度較大，知識結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，學(xué)生學(xué)起來更加的困難。攀枝花學(xué)院從2015年才開始開設(shè)機(jī)器人這門課程，主要針對大學(xué)三年級或者四年級的學(xué)生，高年級的學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和積極性有所下滑，而且教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)還不夠豐富，因此，這門課的教學(xué)存在諸多不足，比如：教學(xué)形式單一、內(nèi)容抽象乏味、實(shí)驗(yàn)設(shè)施不配套、學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識薄弱等。

3 重難點(diǎn)內(nèi)容教學(xué)方法探討

對于上一節(jié)中所分析的問題，最主要的原因還是課程理論深度太大造成的，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果差。目前，很多地方本科高校為了解決這個(gè)問題，主要是通過刪減課程理論深度較大的內(nèi)容，并結(jié)合新穎的教學(xué)方法(慕課、任務(wù)驅(qū)動型教學(xué)等)，來達(dá)到提升教學(xué)效果的目的。這樣的改革，不能達(dá)到標(biāo)本兼治的目的，達(dá)不到國家對本科教育的要求，使學(xué)生對機(jī)器人的了解停留在膚淺的表層，不能完全滿足社會對機(jī)器人人才的需求。要從根上解決這門課的教學(xué)質(zhì)量問題，必須要想辦法解決課程中的重難點(diǎn)知識，并各個(gè)擊破。

3.1 位姿描述與齊次變換

齊次變換的主要目的在于描述機(jī)器人中某個(gè)特定點(diǎn)(一般在指機(jī)械手上)的位置和姿態(tài)。位姿的基本概念、特殊矩陣旋轉(zhuǎn)變換等可參照麻省理工John J.Craig教授的教材《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》展開教學(xué)，該書對機(jī)器人位姿部分講解非常詳細(xì)，學(xué)習(xí)理解非常容易?；靖拍钪v完之后可以引入二連桿平面機(jī)構(gòu)來講解位姿描述和矩陣變換，讓學(xué)生熟練位姿描述的實(shí)際應(yīng)用和分析計(jì)算。

引入算例：分別用中學(xué)幾何知識和齊次變換來求解圖1所示平面二連桿機(jī)構(gòu)末端點(diǎn)P的位置。

圖1 二連桿平面機(jī)構(gòu) 圖2 KUKA 6自由度機(jī)器人仿真模型

(1)采用中學(xué)幾何知識，很容易求得點(diǎn)P的位置，表達(dá)如下：

(1)

(2)采用齊次變換求解。假設(shè)，坐標(biāo)系S2(x2，y2)固定于連桿2左端，坐標(biāo)系S1(x1，y1)固定于連桿1右端，全局坐標(biāo)系S0(x0，y0)固定于連桿1左端。

P點(diǎn)表達(dá)在坐標(biāo)系S2中為

(2)

坐標(biāo)系S2到坐標(biāo)系S1的變換矩陣為

(3)

坐標(biāo)系S1到坐標(biāo)系S0的變換矩陣為

(4)

因此，P點(diǎn)表達(dá)在全局坐標(biāo)系中為

(5)

在以上實(shí)例中，可將兩種解法求得結(jié)果進(jìn)行對比，讓學(xué)生知道解決復(fù)雜空間機(jī)構(gòu)問題還需用矩陣變換法求解更簡單。此外，還可以給學(xué)生解釋3階矩陣必須轉(zhuǎn)化為4階矩陣計(jì)算的理由，這樣的講解方式更形象具體。

3.2 D-H參數(shù)法與機(jī)器人運(yùn)動學(xué)

D-H參數(shù)法部分需要給學(xué)生反復(fù)強(qiáng)調(diào)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的構(gòu)建方法，以及四個(gè)關(guān)節(jié)量(桿長、扭角、偏距、關(guān)節(jié)角、)的定義。若這些基本的定義不能理解，后面的運(yùn)動學(xué)部分就沒辦法理解，而且容易思維混亂。此外，相鄰連桿間的坐標(biāo)變換，需要強(qiáng)調(diào)推導(dǎo)過程，一旦理解了推導(dǎo)過程，機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程的構(gòu)建便迎刃而解。

關(guān)于機(jī)器人運(yùn)動學(xué)計(jì)算部分的內(nèi)容，可以借助KUKA6自由度機(jī)器人模型(圖2所示)，進(jìn)行計(jì)算，主要讓學(xué)生了解D-H參數(shù)是如何影響機(jī)器人運(yùn)動的，使學(xué)生更直觀的理解機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和雅克比。

為了使學(xué)生的學(xué)習(xí)更輕松，專門為學(xué)生提供了正運(yùn)動學(xué)、逆運(yùn)動學(xué)和雅克比的MATLAB程序包，便于驗(yàn)證自己的計(jì)算是否正確，同時(shí)，也可使學(xué)生從源代碼中理解運(yùn)動學(xué)和雅克比的計(jì)算過程。

3.3 機(jī)器人動力學(xué)

由于開設(shè)機(jī)器人課程的幾個(gè)專業(yè)均沒有開設(shè)機(jī)械動力學(xué)這門基礎(chǔ)課，因此，機(jī)器人動力學(xué)中難度較大的微分運(yùn)動和牛頓-歐拉動力學(xué)方程可適當(dāng)刪減，僅保留拉格朗日動力學(xué)部分。拉格朗日動力學(xué)基本理論較簡單，只是計(jì)算較復(fù)雜，希望學(xué)生借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解，重點(diǎn)使學(xué)生掌握求解機(jī)器人動力學(xué)問題的方法。此外，在課堂上可以借助ADAMS仿真軟件向?qū)W生展示關(guān)節(jié)力(矩)與機(jī)械手負(fù)荷之間的聯(lián)系，讓學(xué)生知道動力學(xué)對機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性。

3.4 機(jī)器人軌跡規(guī)劃

這部分內(nèi)容對于絕大部分學(xué)生來說不算難點(diǎn)內(nèi)容，絕大部分學(xué)生在學(xué)完軌跡規(guī)劃之后都能夠很好的完成練習(xí)題。但是，學(xué)生很難理解規(guī)劃規(guī)劃在機(jī)器人工作中的作用。因此，借助ADAMS仿真軟件和國家仿真實(shí)驗(yàn)室(http：//www.ilab-x.com)模擬機(jī)器人手部和關(guān)節(jié)的軌跡規(guī)劃問題，讓學(xué)生直觀的看到軌跡規(guī)劃的作用。

4 教學(xué)效果

本課程從2016年開始，對課程大綱作了微調(diào)，刪減了微分運(yùn)動、四元數(shù)以及牛頓-歐拉動力學(xué)方程這部分的內(nèi)容，增加了機(jī)器人運(yùn)動學(xué)這一章的教學(xué)學(xué)時(shí)，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源、自主編寫的MATLAB程序、ADAMS機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型等，使課堂教學(xué)形式更豐富，成績也得到了明顯的提高。表1為本課程近年考試成績情況。

表1 近幾年課程教學(xué)效果情況

5 結(jié)語

文章僅對《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》這門課的理論部分進(jìn)行了探討，未涉及到實(shí)踐教學(xué)。通過改進(jìn)課程中重難點(diǎn)內(nèi)容的教學(xué)方法，來達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量的目的。經(jīng)近年的教學(xué)實(shí)踐表明，大綱、教學(xué)方法的調(diào)整、虛擬機(jī)器人模型的引入，使枯燥乏味的機(jī)器人理論變得更直觀易懂，對機(jī)器人的理解更深入，成績也有明顯的提升。