基于機器人構(gòu)型設(shè)計的機械創(chuàng)新分析

王曉燕，朱雨潔，趙俊杰，王宇超，張鑫悅

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

伴隨著中國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高等院校在教學(xué)中越發(fā)重視起學(xué)生的創(chuàng)新與實踐能力的培養(yǎng)，以此讓其進入到社會當(dāng)中，可以快速地融入到社會大環(huán)境中。因此，為了實現(xiàn)這樣的教學(xué)目標，可以利用機器人構(gòu)型的機械創(chuàng)新設(shè)計方式，實現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新性與實踐能力的提升。

1 研究背景

機器人學(xué)是一種包含著主動領(lǐng)域知識內(nèi)容的學(xué)科，涉及到計算機科學(xué)與工程、控制論、控制工程學(xué)以及人工智能等諸多的領(lǐng)域。機器人已經(jīng)在當(dāng)下的社會發(fā)展中，成為十分重要的服務(wù)機械設(shè)備，同時也漸漸地成為高等院校進行創(chuàng)新實驗的重要優(yōu)選平臺。

很多高校都已經(jīng)開展了機器人方面的教學(xué)工作，例如在美國高校課程的編制中，就已經(jīng)開設(shè)了“機器人導(dǎo)論”課程，并基于講解—實驗—討論的方式進行教學(xué)。而在研究生階段，則是進行了“高等機器人學(xué)”的教學(xué)工作，實現(xiàn)更高層次的教學(xué)開展，同時這樣的課程實踐性比較強，成為十分重要的教學(xué)方式與方法。中國在當(dāng)下的教學(xué)發(fā)展中，也做出了一定努力。例如，在一般專業(yè)必修課與全校的課程開展中，都設(shè)置了機器人課程，因此從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容以及課程考核環(huán)節(jié)，都進行了一定的教學(xué)方式改革。同時，一些高校也將機器人技術(shù)與多門相關(guān)專業(yè)課程進行了深入的融合，并利用創(chuàng)新實驗的方式，構(gòu)建出良好的教學(xué)平臺。

2 創(chuàng)新實驗設(shè)計

在現(xiàn)階段開設(shè)的一些機器人創(chuàng)新實驗，大都是圍繞著電氣控制以及計算機編程領(lǐng)域所開展的學(xué)科，但是，對于完整的工程機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，在落實的過程中就會存在著一定的難度。例如，機器人的橫向拓撲構(gòu)型教學(xué)，很多都會出現(xiàn)在一些碩士研究生的教學(xué)工作當(dāng)中，就會導(dǎo)致在教學(xué)的過程中有較高的難度，無法應(yīng)用到本科學(xué)生的教學(xué)中。因此，為了提升教學(xué)的整體效率，本文提出基于機器人構(gòu)型設(shè)計的機械創(chuàng)新實驗方式，基于機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計為主要核心內(nèi)容，科學(xué)合理地開展教學(xué)工作，以此對學(xué)生進行創(chuàng)新性與實踐能力的培養(yǎng)。

3 創(chuàng)新實驗開展流程

3.1 引入CDIO理念

在大學(xué)教學(xué)過程中，學(xué)生所接受的教育基本上都是單項課程的形式，因此所獲得的知識點呈現(xiàn)出零散性與孤立性，對于整個工程活動的了解程度不足。因此，在實驗項目的開展中，一些有著工程應(yīng)用背景的學(xué)生，就會較為主動地參與到實踐教學(xué)中，可以取得良好的教學(xué)效果。因此，需要在當(dāng)下的教學(xué)中，基于CDIO教學(xué)理念出發(fā)，保障實驗的全過程，可以對其產(chǎn)品的全生命周期得到全面的掌握，可以體驗產(chǎn)品的設(shè)計、加工的全流程，基于理論到實物論證的全部環(huán)節(jié)，進而充分保障學(xué)生對知識形成全面的掌握。教師需要組織學(xué)生積極地形成構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運作的實踐流程，以此構(gòu)建出機器人的全生命周期。這樣的教學(xué)方式，十分符合當(dāng)下學(xué)生對于基礎(chǔ)知識的掌握需求。

3.1.1 方案設(shè)計

方案設(shè)計的過程，就是一種基于實驗的實際要求，對其方案圖以及相關(guān)技術(shù)的參數(shù)分析，充分保障了創(chuàng)新能力以及綜合設(shè)計能力方面的提升。在教師的教學(xué)工作開展中，要求小組中的每個學(xué)生都要設(shè)計出至少一套方案，并將自己的方案參與到小組討論當(dāng)中，以此針對方案當(dāng)中他人提出的質(zhì)疑，實現(xiàn)方案的完善處理，并進入到下一次的討論當(dāng)中，這樣最后就可以形成較為成熟的方案體系。在這樣的教學(xué)模式中，學(xué)生有著較強互動性與自主性，實現(xiàn)了良好的教學(xué)。

3.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，需要嚴格確定設(shè)計方案中的圖紙內(nèi)容，主要培養(yǎng)學(xué)生當(dāng)下對于結(jié)構(gòu)設(shè)計的綜合能力。在這個環(huán)節(jié)中，需要對小組成員進行重新分工，讓其小組成員明確自身的工作，以此實現(xiàn)三維裝配、二維零件圖以及電氣圖的設(shè)計工作。其后，基于自身的行為，進行全面的優(yōu)化設(shè)計，充分保障設(shè)計過程中可以有針對性地進行零部件的選擇，最大程度上保障設(shè)計的合理性。

3.1.3 加工試制

在這個階段的建設(shè)中，主要是進行現(xiàn)場技術(shù)方面的指導(dǎo)，對一些必要環(huán)節(jié)進行輔助加工。學(xué)生在這個環(huán)節(jié)，可以將理論內(nèi)容與實踐內(nèi)容有效地聯(lián)系起來，幫助自己解決實踐過程中出現(xiàn)的諸多問題。其次，還需要基于設(shè)計的責(zé)任機制，讓小組對于零件的全生命周期負責(zé)，保障機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

3.1.4 裝配調(diào)試與修改

這個階段的操作，就是一種對于當(dāng)下裝配調(diào)試實驗的產(chǎn)品進行全面的實驗報告撰寫，以此可以鍛煉學(xué)生當(dāng)下的實際裝配調(diào)試能力，同時也解決各種實踐過程中遇到的問題，保障工程項目的順利進展。在教師對學(xué)生的引導(dǎo)下，要對所有設(shè)計的機械零部件以及涉及到的電氣部件進行裝配和調(diào)試。這樣就可以及時發(fā)現(xiàn)一些問題，并加以修改與調(diào)整。

3.2 積極開展基礎(chǔ)知識培訓(xùn)工作

在創(chuàng)新試驗的開展中，由于具備綜合性的特征，需要定期開展一些基礎(chǔ)性的知識活動以及開展工程技能方面的培訓(xùn)活動，實現(xiàn)學(xué)生集中培訓(xùn)。在培訓(xùn)的內(nèi)容上，主要包含機器人基礎(chǔ)知識并涉及一些工程應(yīng)用基礎(chǔ)知識。例如，在教學(xué)機器人的建模方法學(xué)習(xí)中，并不需要對動力學(xué)建模以及對逆向運動學(xué)進行計算分析，而是需要重點對正向運動學(xué)進行計算分析。同時，還要在教學(xué)中，可以利用情景教學(xué)的方式展開教學(xué)，比如積極地在實驗室當(dāng)中開展授課，這樣會讓學(xué)生有更加直觀的感受，可以帶著問題進行學(xué)習(xí)，實現(xiàn)理論與實踐的全面融合。另外，在機械加工的安全操作教學(xué)中，還需要積極地利用裝配的方式，實現(xiàn)清晰的講解，避免操作出現(xiàn)一定的問題。

3.3 提升學(xué)生的創(chuàng)新實驗主體地位

進行創(chuàng)新教學(xué)的過程，就是為了全面提升學(xué)生的創(chuàng)新能力與實踐能力。學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的提升，可以有效推動學(xué)生綜合素質(zhì)的提升。自主學(xué)習(xí)作為一種較為重要的學(xué)習(xí)能力，是一種伴隨著學(xué)生自我意識的成熟而出現(xiàn)的一種學(xué)習(xí)能力，因此成為了學(xué)生個體終生發(fā)展的重要技能。良好的自主學(xué)習(xí)品質(zhì)，可以讓學(xué)生實現(xiàn)自我分析、自我體驗以及自我調(diào)控，充分將自我理想與自我實踐形成一個有機的整體。當(dāng)下，學(xué)生學(xué)習(xí)始終都處于中等水平，因此就需要有意識地進行培養(yǎng)。在實驗的工作開展中，不僅僅需要在動員會中進行有效的培訓(xùn)，還需要對其實踐流程進行合理規(guī)劃，有針對性地對人員進行調(diào)配，這樣才可以保障創(chuàng)新實驗的順利開展。

4 創(chuàng)新實驗的成效

4.1 推動實驗課程質(zhì)量工程建設(shè)

高等教育的開展，往往是為了培養(yǎng)出更高質(zhì)量與能力的學(xué)生，因此教師就需要在當(dāng)下的教學(xué)工作開展中，提升自身創(chuàng)新能力與實踐能力，目前，這也是高等教育的重要任務(wù)。這樣的創(chuàng)新實驗教學(xué)工作，往往需要基于CDIO的教學(xué)理念出發(fā)而實現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)保證教學(xué)具有針對性，從而保障本科生可以獨立地進行學(xué)習(xí)安排、管理以及實踐。在教師的合理指導(dǎo)下，教學(xué)工作往往可以實現(xiàn)潛移默化的建設(shè)發(fā)展。同時，教師還需將理論與實踐相結(jié)合，保障學(xué)生可以自主地進行問題的解決。在這樣的教學(xué)模式下，便全面地實現(xiàn)了素質(zhì)教育的目標。

4.2 利于大學(xué)生專業(yè)知識體系的構(gòu)建

當(dāng)下單課程試驗的設(shè)置方式，往往僅會涉及到單一類型的知識，因此這樣的教學(xué)方式就會導(dǎo)致與實際應(yīng)用相脫離，同時也無法實現(xiàn)對學(xué)生綜合能力的全面提升。另外，在這樣的教學(xué)模式下，無法讓學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰Φ玫胶芎玫腻憻?，而所開展的創(chuàng)新實驗課程，可以引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的過程中，逐漸構(gòu)建出一套合理的教學(xué)體系。在這樣的教學(xué)模式下，幫助學(xué)生梳理知識點，完善自身的知識體系。例如，在進行“機械設(shè)計”的課程教學(xué)中，對于軸與軸承部分的教學(xué)工作，就可以有效地利用這樣的教學(xué)方式，實現(xiàn)靈活的零部件設(shè)計思維分析。教師首先需要拋出問題，讓學(xué)生進行思考，之后再對其內(nèi)容進行針對性的分析；其次，學(xué)生還需要自行分析與掌握教材中對機械結(jié)構(gòu)的介紹，這樣才可以保障在未來的發(fā)展中，全面提升機械設(shè)備的設(shè)計能力。

5 總結(jié)

綜上所述，進行機器人構(gòu)型設(shè)計的機械創(chuàng)新教學(xué)，需要基于實驗的教學(xué)方式，全面地提升教學(xué)質(zhì)量，以此保障未來教學(xué)工作的開展。滿足學(xué)生的實際需求，開展良好的教學(xué)工作，提升學(xué)生自身對機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計能力。從長遠的角度看，這對全面性人才的培養(yǎng)具有重要價值。