《工業(yè)機(jī)器人》課程教學(xué)培養(yǎng)環(huán)節(jié)的改革與探索

趙雪峰

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著智能制造的發(fā)展需求，機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，掌握機(jī)器人技術(shù)是從事機(jī)械工程領(lǐng)域人員的必備技能[1]。為了保證大學(xué)本科生具備基本的機(jī)器人基礎(chǔ)知識，《工業(yè)機(jī)器人》課程是高等院校開設(shè)的一門專業(yè)延伸課程，主要包括機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、運(yùn)動學(xué)建模方法、動力學(xué)基本理論、非線性控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、軌跡規(guī)劃和編程等內(nèi)容[2]。這門課程是符合智能制造的發(fā)展要求，涉及面廣，綜合性強(qiáng)，對于從事機(jī)電工程專業(yè)的學(xué)生，實(shí)現(xiàn)將理論分析和工程實(shí)踐相結(jié)合，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

《工業(yè)機(jī)器人》是機(jī)械專業(yè)的重要組成部分，是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)的一門重要課程，這門課程綜合了機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造工藝、機(jī)械制圖、非線性控制理論以及編程技術(shù)等多學(xué)科知識[3]。由于機(jī)器人技術(shù)本身就包含機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的知識，因此，《工業(yè)機(jī)器人》課程需要學(xué)生在進(jìn)入機(jī)器人課程學(xué)習(xí)之前，就需要具有一定的機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)編程、智能控制以及傳感技術(shù)等相關(guān)知識。另一方面，學(xué)生通過具有學(xué)科交叉特點(diǎn)的《工業(yè)機(jī)器人》課程的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)所學(xué)理論專業(yè)知識的實(shí)際應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，并為以后機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造奠定基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)教學(xué)的問題

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方法存在以下問題：(1)教學(xué)內(nèi)容未能及時(shí)結(jié)合目前先進(jìn)的機(jī)器人；(2)教學(xué)內(nèi)容理論性部分居多；(3)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性未能充分調(diào)動；(4)工程實(shí)踐能力培養(yǎng)嚴(yán)重不足。如何將這門知識量需求巨大、運(yùn)動變化復(fù)雜、概念繁多的課程變得直觀生動，并且激發(fā)出學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生自己動手科研以及創(chuàng)新能力，是作為本科生教學(xué)培養(yǎng)需要探索的問題。[4]

2 《工業(yè)機(jī)器人》課程教學(xué)探索與實(shí)踐

為了更好地讓學(xué)生具有關(guān)于機(jī)器人的相關(guān)理論知識儲備，并且提高學(xué)生理論分析與工程實(shí)踐相結(jié)合的能力，真正實(shí)現(xiàn)機(jī)器人知識的普及。需要對《工業(yè)機(jī)器人》課程的培養(yǎng)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究與改革實(shí)踐。針對《工業(yè)機(jī)器人》這門課程的特點(diǎn)，并且對傳統(tǒng)的課程培養(yǎng)環(huán)節(jié)中所存在的問題進(jìn)行了分析和總結(jié)，本文提出了對課程培養(yǎng)環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容及教學(xué)方法進(jìn)行改革。[5]

2.1 《工業(yè)機(jī)器人》課程教學(xué)內(nèi)容探索

基于傳統(tǒng)課程內(nèi)容的教學(xué)特點(diǎn)，提出將理論分析和綜合實(shí)踐相結(jié)合的方法。該課程教學(xué)內(nèi)容主要包括相關(guān)基礎(chǔ)知識、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、非線性控制系統(tǒng)以及多種軌跡規(guī)劃方法與機(jī)器人編程語言。[6]

(1)基礎(chǔ)知識。工業(yè)機(jī)器人學(xué)機(jī)器人基礎(chǔ)知識包括齊次坐標(biāo)變換以及機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析通用的D-H建模方法、動力學(xué)分析通用的拉格朗日方程或者牛頓-歐拉方法。機(jī)器人與其他機(jī)電一體化產(chǎn)品不同的地方在與機(jī)器人具有兩個(gè)空間，包括關(guān)節(jié)空間和作業(yè)空間(末端空間)，因此，就存在兩個(gè)空間的相互轉(zhuǎn)換。而機(jī)器人主要解決的三大問題是機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)、靜力學(xué)和動力學(xué)，因此，這三大問題均存在正解和反解的情況，也就是機(jī)器人轉(zhuǎn)動或移動關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器的位移、速度、加速度和力之間的相互轉(zhuǎn)換。針對這三大問題的求解，實(shí)際上對應(yīng)的是三個(gè)矩陣即齊次變換矩陣T、速度雅可比矩陣J和力雅可比力矩陣JT。齊次變換矩陣T描述的是關(guān)節(jié)和末端之間的位移轉(zhuǎn)換，速度雅可比矩陣J描述的是關(guān)節(jié)和末端之間的速度變換，力雅可比矩陣JT描述的是關(guān)節(jié)和末端之間的力變換。在講解過程中，重心放在將兩大空間和三大矩陣之間的講解上，讓學(xué)生理解機(jī)器人基礎(chǔ)知識的知識體系，并且強(qiáng)調(diào)在推導(dǎo)過程注意變量相關(guān)性，而不是機(jī)械地推到公式，保證學(xué)科知識的完整性。

(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前關(guān)節(jié)型機(jī)器人傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要講述伺服電機(jī)和減速器配合的傳動方案，減速器可以是諧波齒輪減速器或者RV減速器。實(shí)際上，除了上述傳動方案，采用液壓缸驅(qū)動的形式用于臂部設(shè)計(jì)以及采用氣壓驅(qū)動形式用于末端執(zhí)行器的應(yīng)用依然非常廣泛，需要結(jié)合經(jīng)典的和最先進(jìn)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行講解，并且要重點(diǎn)關(guān)注機(jī)器人的配置方案，尤其是傳動鏈部分，讓學(xué)生更好地掌握工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)配置，為學(xué)生對以后設(shè)計(jì)和使用機(jī)器人提供一定的基礎(chǔ)。

(3)控制系統(tǒng)方面及其軌跡規(guī)劃與編程部分?？刂葡到y(tǒng)目前主要講述“IPC+多軸運(yùn)動控制卡”的開環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)方案。實(shí)際上，機(jī)器人運(yùn)動控制主要包括位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力和位置混合控制等多個(gè)控制策略，需要對這些控制策略進(jìn)行詳細(xì)講述。尤其對于位置控制里面的PID控制，如何獲得KP、KI和KD三個(gè)參數(shù)，以及看到電機(jī)階躍響應(yīng)曲線如何調(diào)節(jié)這三個(gè)參數(shù)，需要進(jìn)行詳細(xì)講述，由于PID控制在機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛。另外關(guān)于力和位置混合控制，仍需要講述力和位置的各自混合策略，并且求解出相應(yīng)參數(shù)，才能使學(xué)生能夠真正明白如何進(jìn)行控制，而不是僅僅概念上講述控制策略，需要從具體實(shí)例出發(fā)。

2.2 《工業(yè)機(jī)器人》課程教學(xué)方法研究與實(shí)踐

(1)案例式。由于這門課程既有經(jīng)典基礎(chǔ)理論，又有技術(shù)前沿性的特點(diǎn)。在本課程的教學(xué)過程中需要采用典型案例教學(xué)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法[7]。工業(yè)機(jī)器人相對于其他類型的機(jī)器人來講自由度較少，通常為3～6個(gè)。首先，在講述機(jī)器人前言部分，需要引入目前世界最新機(jī)器人的研究成果，不僅僅局限于工業(yè)機(jī)器人。比如目前比較先進(jìn)的大狗(Bigdog)機(jī)器人，通過觀看該機(jī)器人視頻，對其機(jī)械設(shè)計(jì)、驅(qū)動方式、運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)分析、軌跡規(guī)劃和編程等方面進(jìn)行講解。不僅提高學(xué)生對機(jī)器人的興趣，而且讓學(xué)生對機(jī)器人的相關(guān)專業(yè)知識進(jìn)行一定的了解，進(jìn)而在學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人的過程中能夠舉一反三。其次，對于《工業(yè)機(jī)器人》中的核心內(nèi)容齊次坐標(biāo)變換、D-H建模法、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)等，采用典型的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行講解，比如PUMA機(jī)器人或者莫托曼機(jī)器人等，對工業(yè)機(jī)器人的基本知識和基礎(chǔ)理論進(jìn)行相應(yīng)的深入講解。在理論知識講解的過程中，采用PPT、板書和視頻等相結(jié)合的教學(xué)方式。最后，采用實(shí)驗(yàn)平臺的形式，讓同學(xué)對實(shí)際的機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃和編程，并根據(jù)其相應(yīng)運(yùn)動，進(jìn)行修改軌跡和程序，使學(xué)生清楚運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方程或數(shù)學(xué)模型、力或位置的控制策略是如何融入到軌跡規(guī)劃和程序當(dāng)中的，而不是實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的相互脫節(jié)。

該門課程搭建了相應(yīng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐平臺，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人相關(guān)基礎(chǔ)知識的融合，并提高學(xué)生的實(shí)際動手能力和創(chuàng)新能力，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)平臺由廣州數(shù)控六自由度RB08機(jī)器人、機(jī)械人末端、控制系統(tǒng)等組成，該平臺能夠進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)本體、電氣控制硬件和軟件、機(jī)器人軌跡規(guī)劃和編程等綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，也可組織學(xué)生參加工業(yè)機(jī)器人大賽等。

(2)比擬式。由于工業(yè)機(jī)器人具有直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)型以及SCARA型等多種結(jié)構(gòu)形式以及工作空間均各有不同，學(xué)生在理解的過程中存在一定困難，可以將工業(yè)機(jī)器人比擬成人或者人的手臂進(jìn)行講解。人類具有行走機(jī)構(gòu)、腰轉(zhuǎn)部分、大臂、小臂、手腕和手部，實(shí)際上對應(yīng)于6自由度工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上具有腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、大臂、小臂和手腕三個(gè)自由度，而手部實(shí)際上對應(yīng)于工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器。人類手部的任務(wù)實(shí)際上對應(yīng)對于末端執(zhí)行器的工作任務(wù)。人類的大腦就對應(yīng)于工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，手部的觸覺和滑覺等感知系統(tǒng)，對應(yīng)對工業(yè)機(jī)器人的傳感器部分。因此，在該門課程的講述過程中，需要將工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制和傳感部分比擬成人類或者手臂進(jìn)行講述，便于學(xué)生接受以及理解掌握，而不是生澀地照搬。

(3)研討式。在課程進(jìn)展到一定程度，可以布置一些相關(guān)課題，進(jìn)行研討教學(xué)活動。例如，布置內(nèi)容以機(jī)器人為主的自動化裝備(整機(jī))為例，深入總結(jié)分析控制技術(shù)相關(guān)要點(diǎn)，包括裝備應(yīng)用背景、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析、動力學(xué)分析和控制策略制定等。學(xué)生能夠通過查閱相關(guān)資料了解碼垛機(jī)器人、焊接機(jī)器人或者噴漆機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)知識，并且在查閱資料的過程中，提出對該機(jī)械結(jié)構(gòu)有哪些改進(jìn)的地方提出自己的方案，并可以通過MATLAB進(jìn)行工作空間分析。也可以對目前存在的控制策略進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，采用MATLAB中的Simulink進(jìn)行控制仿真模擬，驗(yàn)證控制策略是否滿足要求?；蛘邔δ撤N類型的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行ADAMS進(jìn)行仿真，對各個(gè)關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度和力等進(jìn)行分析。這樣學(xué)生在準(zhǔn)備PPT的過程中，既掌握了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，也掌握了機(jī)器人所需要的基本分析軟件，結(jié)合所學(xué)知識進(jìn)行一定的應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生勤于思考，并提出自己的想法，培養(yǎng)學(xué)生的主動性和創(chuàng)造力。當(dāng)然，教師需要針對學(xué)生的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)評價(jià)，對于存在的問題提供相應(yīng)的解決方案，使學(xué)生更加牢固地掌握相關(guān)知識。

3 結(jié)語

未來機(jī)器人必將代替人類完成許多工作，尤其是工業(yè)機(jī)器人完成重復(fù)和繁冗的工廠任務(wù)。我國的機(jī)器人教育仍然存在需要改革的地方，作為機(jī)器人的教育者應(yīng)該在教學(xué)的過程中不斷地根據(jù)技術(shù)前沿、學(xué)生存在的問題、教師課題項(xiàng)目等提出新的教學(xué)方法和教學(xué)理念，提高學(xué)生的主動能力和創(chuàng)新能力，使學(xué)生真正掌握工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)技能，為推動我國機(jī)器人的發(fā)展培養(yǎng)可用人才。