以柔性為特色的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計新課程探索與實踐

金莫輝 段潔利

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院 廣東·廣州 510642）

1 背景分析

機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)器系統(tǒng)的骨架、核心運動部件，其分析和設(shè)計對于創(chuàng)造出新機(jī)械、優(yōu)化出性能優(yōu)越的機(jī)械具有重要的理論和應(yīng)用意義，而讓學(xué)生掌握相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和方法是機(jī)械工程類專業(yè)的核心培養(yǎng)環(huán)節(jié)之一。目前，與機(jī)械工程類本科專業(yè)相關(guān)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計課程包括《機(jī)械原理》和《機(jī)械設(shè)計》，前者引導(dǎo)學(xué)生如何從原理上設(shè)計具有特定運動功能的機(jī)構(gòu)，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動分析和力分析，后者則教導(dǎo)學(xué)生如何設(shè)計機(jī)械的具體結(jié)構(gòu)才能滿足實際工作要求，兩者是機(jī)械工程專業(yè)的核心課程。然而，隨著現(xiàn)代機(jī)械朝多元化方向發(fā)展，機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、多尺度化、柔性化、傳感驅(qū)動集成化等特點，而國內(nèi)大部分機(jī)械工程專業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計課程仍以傳統(tǒng)的內(nèi)容為主，已明顯落后于現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，具體存在的問題主要表現(xiàn)為：

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計課程體系的教學(xué)內(nèi)容以傳統(tǒng)的機(jī)械為主，很少涉及柔性機(jī)構(gòu)/結(jié)構(gòu)等新興技術(shù)。《機(jī)械原理》主要講授了連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)以及其他常用的特種機(jī)構(gòu)的設(shè)計原理，而《機(jī)械設(shè)計》主要講授了齒輪傳動、皮帶/鏈傳動、傳動軸、軸承和螺紋連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法。雖然這些內(nèi)容涵蓋了傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)中最常見的機(jī)構(gòu)和零件，但是面對機(jī)器人、人工智能、大數(shù)據(jù)等新興學(xué)科對傳統(tǒng)工科的沖擊，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計課程亟需注入新的教學(xué)內(nèi)容，以煥發(fā)新的活力、提高傳統(tǒng)工科的競爭力。

（2）教學(xué)方式較為傳統(tǒng)，學(xué)生容易對所學(xué)知識失去興趣。目前，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計課程的教學(xué)方式是綜合利用理論課與實踐課，學(xué)生先完成理論知識的學(xué)習(xí)，然后通過綜合的課程設(shè)計來實踐所學(xué)的知識。然而，經(jīng)過多年的教學(xué)實踐，學(xué)生普遍反映理論和實踐存在脫節(jié)，先理論后實踐的方式容易使得學(xué)生對理論教學(xué)環(huán)節(jié)感到枯燥；而大部分的實踐課仍以減速箱為設(shè)計對象，存在對象、內(nèi)容過于單一和老舊等問題，難以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；更嚴(yán)重的是，經(jīng)過幾十年的專業(yè)教學(xué)，網(wǎng)上已存在大量的課程設(shè)計參考資料，極容易出現(xiàn)抄襲、代做等問題，達(dá)不到設(shè)立實踐課的最初目的。

2 解決方法與措施

《機(jī)械原理》和《機(jī)械設(shè)計》作為機(jī)械工程專業(yè)的核心課程，相關(guān)的教學(xué)大綱也已有了一套成熟的體系，目前較難進(jìn)行大范圍的課程變革。然而，作為傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計課程的一種補(bǔ)充，筆者嘗試開設(shè)了一門以柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計為特色的專業(yè)選修課程，并已在近年的教學(xué)實踐中進(jìn)行探索和完善。該課程在教學(xué)模式和方法上具有如下特點：

2.1 結(jié)合新興知識，構(gòu)建基于柔性機(jī)構(gòu)的理論課程

作為一種新興的現(xiàn)代機(jī)構(gòu)，柔性機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)剛性機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點不同，主要依靠機(jī)構(gòu)中的柔性元件來實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運動和能量傳遞，因此可以避免剛性鉸鏈的間隙和潤滑問題，具有運動精度高、免裝配等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用在精密定位、柔性機(jī)器人、柔性穿戴、柔性電子等領(lǐng)域。鑒于柔性機(jī)構(gòu)擁有良好的應(yīng)用前景，本課程的理論教學(xué)以柔性機(jī)構(gòu)的應(yīng)用、分析和設(shè)計等內(nèi)容為主，為學(xué)生補(bǔ)充關(guān)于柔性機(jī)械設(shè)計方面的知識，具體的內(nèi)容包括：（1）柔性機(jī)構(gòu)在生活和生產(chǎn)中的實際應(yīng)用案例；（2）柔性機(jī)構(gòu)的運動特點、類型，其柔性和變形的原理；（3）常用的靜力學(xué)變形分析方法，如有限元分析、偽剛體模型方法等；（4）常用的柔性機(jī)構(gòu)概念設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計方法，如剛體替代法等。

整個理論教學(xué)過程是從生活常見物品、具體的柔性機(jī)構(gòu)應(yīng)用對象入手，然后啟發(fā)學(xué)生對于柔性機(jī)構(gòu)的感性認(rèn)識，由淺入深地介紹相關(guān)的設(shè)計思想，最后采用實例演示和問題啟發(fā)相結(jié)合的方式，講解柔性機(jī)構(gòu)的分析和設(shè)計方法。課程所需的基礎(chǔ)知識與現(xiàn)有的機(jī)械專業(yè)培養(yǎng)方案相符，要求學(xué)生修學(xué)過《材料力學(xué)》、《理論力學(xué)》、《機(jī)械原理》和《機(jī)械設(shè)計》等課程的知識，所以是機(jī)械專業(yè)核心課程知識的一次綜合應(yīng)用。

2.2 以實物實驗和柔性機(jī)構(gòu)仿真改善學(xué)生的知識體驗感

為了避免學(xué)生感到理論和實踐脫節(jié)，本課程采用了以下三種教學(xué)環(huán)節(jié)來改善學(xué)生在理論學(xué)習(xí)過程中的知識體驗感：（1）在整個教學(xué)過程中，每位同學(xué)需要自行尋找生活和生產(chǎn)中實際應(yīng)用的柔性機(jī)構(gòu)，并輪流在每次課的前十分鐘進(jìn)行實物、圖片或視頻分享，嘗試講述自己對所展示機(jī)構(gòu)的應(yīng)用場合和運動特點等方面的理解，以加深對柔性機(jī)構(gòu)和所學(xué)知識點的理解和認(rèn)識；（2）在講授理論知識的同時，安排學(xué)生對現(xiàn)有的柔性機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析學(xué)習(xí)，并與理論結(jié)果進(jìn)行對比，提高學(xué)生對相關(guān)有限元分析軟件的掌握程度，增強(qiáng)學(xué)生對變形、柔性及其力學(xué)指標(biāo)的理解；（3）將現(xiàn)有的典型柔性機(jī)構(gòu)及其柔性組件制作成實驗基礎(chǔ)材料，教學(xué)期間安排一次實物體驗課，讓學(xué)生親身感受柔性機(jī)構(gòu)的變形特點，并自己動手組裝一種自己構(gòu)想或參考的柔性機(jī)構(gòu)，以增強(qiáng)學(xué)生對這類機(jī)構(gòu)的實際體驗。

上述的三個環(huán)節(jié)綜合起來可以加深學(xué)生對理論學(xué)習(xí)的理解和認(rèn)識，而實物實驗和仿真的訓(xùn)練則可以促使學(xué)生開始模仿現(xiàn)有柔性機(jī)構(gòu)的設(shè)計原理，學(xué)習(xí)如何分析和設(shè)計柔性機(jī)構(gòu)，鍛煉學(xué)生的動手能力，為后續(xù)的課程設(shè)計中的機(jī)構(gòu)創(chuàng)造奠定基礎(chǔ)。

2.3 以課程設(shè)計鍛煉學(xué)生的知識運用與創(chuàng)造能力

除了前面的學(xué)習(xí)和模仿階段，本課程還安排了課程設(shè)計來鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造和團(tuán)隊合作能力。在理論課程的后半段，我們開始安排學(xué)生同時進(jìn)行課程設(shè)計的內(nèi)容，以作為課程考核的主要組成部分，具體包含以下幾個部分：（1）在前期理論學(xué)習(xí)、仿真和實物實驗的基礎(chǔ)上，安排學(xué)生自行組成3人以內(nèi)的課題團(tuán)隊，以鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊合作能力；（2）學(xué)生自主擬定感興趣的機(jī)構(gòu)設(shè)計問題，并與指導(dǎo)老師商定最終課題，鼓勵學(xué)生以解決生活或生產(chǎn)中的實際問題為課題目標(biāo)；（3）團(tuán)隊利用所學(xué)的知識和技能，設(shè)計出可解決擬定問題的柔性機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案，并通過有限元仿真分析來驗證解決方案的有效性，圖1展示了部分學(xué)生的設(shè)計結(jié)果；（4）撰寫課程設(shè)計的說明書，并完成課程設(shè)計的答辯；（5）最后選出優(yōu)秀的設(shè)計作品，并利用3D打印技術(shù)制造出所設(shè)計柔性機(jī)構(gòu)的實物樣機(jī)，進(jìn)一步驗證所設(shè)計柔性機(jī)構(gòu)的有效性，增強(qiáng)學(xué)生對課程的實物體驗感。

圖1：部分課程設(shè)計和分析作品展示

從圖1展示的部分學(xué)生設(shè)計作品可以看出，學(xué)生對于生活中習(xí)以為常的柔性結(jié)構(gòu)有了更為深刻的認(rèn)識，了解了其中的設(shè)計思想和原理，并通過體驗、觀察發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的不足之處，然后利用所學(xué)的知識對相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了再設(shè)計和創(chuàng)造，是一次發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的教學(xué)體驗。整個課程設(shè)計與理論教學(xué)內(nèi)容同時進(jìn)行，是理論教學(xué)的補(bǔ)充，兩者相輔相成，可幫助學(xué)生更好地體會到理論知識的實用性。通過課程設(shè)計可達(dá)到以用促學(xué)的效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，鞏固其所學(xué)知識，提升教學(xué)效果和學(xué)生的獲得感；同時鍛煉學(xué)生分析、解決問題的能力、團(tuán)隊合作能力、實踐能力以及創(chuàng)新意識。

3 結(jié)語

本文介紹了一門與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)的新型課程的探索與實踐，該課程以柔性機(jī)構(gòu)的分析和設(shè)計為特色，構(gòu)建了基于柔性機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計的理論教學(xué)內(nèi)容，以實物實驗和柔性機(jī)構(gòu)仿真等綜合環(huán)節(jié)改善學(xué)生的知識體驗感，以課程設(shè)計的方式鍛煉學(xué)生的知識運用與創(chuàng)造能力。整個課程教學(xué)內(nèi)容緊跟機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的前沿發(fā)展，并按照理論學(xué)習(xí)—模仿—創(chuàng)造的培養(yǎng)邏輯來提高學(xué)生對柔性結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計能力，可在傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計課程的基礎(chǔ)上，為學(xué)生補(bǔ)充關(guān)于柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容。