張明德

（重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

機(jī)器人技術(shù)一直處于一個(gè)國(guó)家科學(xué)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前沿地位。據(jù)聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（UNECE）和國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）的不完全統(tǒng)計(jì)，世界機(jī)器人市場(chǎng)前景看好，從20世紀(jì)下半葉起，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長(zhǎng)的良好勢(shì)頭。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展速度達(dá)到了驚人的數(shù)字，年增長(zhǎng)率平均在10%左右，其中，亞洲機(jī)器人增長(zhǎng)幅度最為突出，高達(dá)43%。圖1為現(xiàn)代機(jī)器人發(fā)展的幾個(gè)主要階段，國(guó)際上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)器人技術(shù)已日趨成熟，無(wú)論是在機(jī)器人控制方法還是在承載能力方面都總體優(yōu)于國(guó)內(nèi)很多。我國(guó)機(jī)器技術(shù)發(fā)展相對(duì)較晚，加之流入國(guó)內(nèi)的相關(guān)文獻(xiàn)資料甚少，尚處于發(fā)展階段。集自學(xué)習(xí)、自我修復(fù)、自主化作業(yè)多功能于一體的機(jī)器人研究正以極快的速度在機(jī)器人領(lǐng)域大面積鋪開(kāi)。鑒于此，國(guó)外多數(shù)知名高校如麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)、劍橋大學(xué)、耶魯大學(xué)等正以一個(gè)全新的視角將機(jī)器人教學(xué)切入到學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐中。

因此，培養(yǎng)具有機(jī)器人操作、設(shè)計(jì)、編入程序等綜合能力的學(xué)生以服務(wù)社會(huì)迫在眉睫。為加快我國(guó)高校乃至中小學(xué)學(xué)生與發(fā)達(dá)國(guó)家學(xué)生能力培養(yǎng)的同步，結(jié)合我國(guó)高校的機(jī)器人教學(xué)課程的實(shí)際狀況，架構(gòu)成套全新的機(jī)器人課程設(shè)置方案，將理論課時(shí)與實(shí)驗(yàn)課時(shí)的比重進(jìn)行了重新調(diào)整，期望對(duì)提升我國(guó)高校學(xué)生的綜合能力及適應(yīng)快速發(fā)展的社會(huì)提供有益的借鑒。

圖1 機(jī)器人主要發(fā)展階段

一、國(guó)內(nèi)外機(jī)器人教學(xué)課程設(shè)置對(duì)比

（一）國(guó)外機(jī)器人教學(xué)課程設(shè)置

國(guó)外多數(shù)高校對(duì)機(jī)器人教學(xué)課程設(shè)置已有一個(gè)系統(tǒng)的覆蓋，課程體系較為健全。采用模式非常科學(xué):以講解、實(shí)踐、討論為主要方式，讓學(xué)生充分了解機(jī)器人的誕生與發(fā)展，并對(duì)機(jī)器人的操作有了一個(gè)深入的了解，頗有“授之以漁”之意，貫徹了知識(shí)傳授的完整過(guò)程。

（1）美國(guó)麻省理工學(xué)院機(jī)器人教學(xué)課程的講解與實(shí)驗(yàn)占用比例分別為61%和39%?；旧纤械膶W(xué)生都認(rèn)為課程設(shè)置比較合理，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（2）英國(guó)劍橋大學(xué)機(jī)器人教學(xué)課程的講解、實(shí)驗(yàn)和討論占用比例分別為56%、17%和17%。巧妙地分配了講解、實(shí)驗(yàn)和討論的課時(shí)。通過(guò)詳細(xì)的講授，學(xué)生能夠?qū)C(jī)器人這個(gè)抽象的概念更加具像化，而對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人的空間描述與坐標(biāo)變換、機(jī)器人控制方式和機(jī)器人程序設(shè)計(jì)等系列機(jī)器人知識(shí)體系有了更為深入的了解。

（二）國(guó)內(nèi)機(jī)器人教學(xué)課程設(shè)置

國(guó)內(nèi)多數(shù)高校可能受限于教學(xué)條件，普遍采用較為單一的教學(xué)模式。單純依靠教師在前面講，學(xué)生在下面聽(tīng)。而教師采用的教材多半還是20世紀(jì)系列教材，已遠(yuǎn)跟不上現(xiàn)代工廠大規(guī)模采用的最新型號(hào)機(jī)器人。在教師授課的過(guò)程中，普遍采用課堂授課方式，較為單一的PPT授課方式更容易讓學(xué)生在聽(tīng)課的過(guò)程中走神，處于游離狀態(tài)，無(wú)法達(dá)到最終教學(xué)目的。筆者通過(guò)在網(wǎng)上查找資料，查詢(xún)了多所高校機(jī)器人教學(xué)課時(shí)設(shè)置情況。對(duì)清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、重慶大學(xué)5所高校的機(jī)器人課程設(shè)置情況進(jìn)行了解，發(fā)現(xiàn)這幾所學(xué)校的機(jī)器人課程理論課占用比例都高于70%，實(shí)驗(yàn)課占有學(xué)時(shí)相對(duì)于理論課較為匱乏。

筆者隨機(jī)訪問(wèn)了本校大一至大三階段的多名學(xué)生，從學(xué)生的反饋情況來(lái)看，90%以上的學(xué)生希望能夠親自操作一下機(jī)器人以能夠使他們對(duì)機(jī)器人這個(gè)概念有更為詳盡的了解。至于授課方式，多數(shù)學(xué)生希望采用課堂授課與實(shí)驗(yàn)教學(xué)同時(shí)進(jìn)行的方式。這也證實(shí)了單一的課堂授課方式已遠(yuǎn)跟不上時(shí)代的步伐，如何有效提高學(xué)生實(shí)踐能力以適應(yīng)高速發(fā)展的社會(huì)是各個(gè)高校需要深思的問(wèn)題。

二、課程設(shè)置方式

國(guó)內(nèi)多數(shù)高校采納的機(jī)器人方面相關(guān)教材主要為蔡自興所編的《機(jī)器人學(xué)》、霍偉編著的《機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與控制》、國(guó)外Saeed B.Niku所編的《機(jī)器人學(xué)》翻譯過(guò)來(lái)的版本。而關(guān)于機(jī)器人教學(xué)課程設(shè)置方面，多數(shù)高校只在本科階段選修課程有機(jī)器人相關(guān)課程，可見(jiàn)現(xiàn)階段機(jī)器人相關(guān)課程并未得到國(guó)內(nèi)高校的普遍重視。根據(jù)國(guó)內(nèi)高校的實(shí)際情況，調(diào)整涉及“機(jī)器人”相關(guān)課程的設(shè)置，主要面向機(jī)械制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)及其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)的研究生開(kāi)設(shè)相關(guān)課程，針對(duì)機(jī)器人在機(jī)械工程與物流工程領(lǐng)域的特點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生在工程領(lǐng)域?qū)C(jī)器人的實(shí)踐訓(xùn)練與應(yīng)用能力。以《機(jī)器人學(xué)》為例，首先在理論教學(xué)過(guò)程中講解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、運(yùn)動(dòng)正反解、空間坐標(biāo)變換等相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)生對(duì)機(jī)器人控制及運(yùn)動(dòng)方式有一個(gè)初步的了解。其次，在UG軟件里面按實(shí)驗(yàn)機(jī)器人1∶1比例建好機(jī)器人相關(guān)模型導(dǎo)入VERICUT里面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真如圖2所示，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)加工。再次，組織學(xué)生對(duì)其進(jìn)行討論，交流怎樣利用機(jī)器人相關(guān)知識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制并進(jìn)行系列軌跡規(guī)劃。最后對(duì)應(yīng)學(xué)生所遇到的相應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行講解，從而讓學(xué)生對(duì)機(jī)器人相關(guān)知識(shí)有一個(gè)深刻的了解，具體課程體系框架如圖3所示，機(jī)器人教學(xué)課程設(shè)置如表1所示。

圖2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真及實(shí)驗(yàn)

圖3 課程設(shè)置具體框架

表1 機(jī)器人教學(xué)課程設(shè)置及考核方式

在高校里面舉辦類(lèi)似創(chuàng)新大賽或機(jī)器人應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的講座，對(duì)于學(xué)生的成長(zhǎng)與發(fā)展有著極大的幫助。這樣，可以更容易激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的意識(shí)，對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域的認(rèn)知有一個(gè)更為系統(tǒng)的掌握，為實(shí)現(xiàn)“中國(guó)夢(mèng)”奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)舉辦的許多類(lèi)似的創(chuàng)新大賽如“挑戰(zhàn)杯”“數(shù)學(xué)建?！钡?，都是學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人知識(shí)的很好的平臺(tái)。學(xué)校應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生多去參加、多去歷練。如果能夠有機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用方面相關(guān)靈感，都可以應(yīng)用在這些平臺(tái)之上。這對(duì)于一個(gè)學(xué)校將一個(gè)嶄新的課程作為新的必修課做了一個(gè)較好的鋪墊。

三、機(jī)器人教學(xué)模塊設(shè)置

根據(jù)市場(chǎng)的詳細(xì)調(diào)查，機(jī)器人課程可對(duì)教學(xué)重點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以符合當(dāng)前工業(yè)技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)的實(shí)際需求。目前工廠應(yīng)用較熱門(mén)的機(jī)器人類(lèi)型涵蓋搬運(yùn)機(jī)器人、打磨機(jī)器人、裝配機(jī)器人、激光切割機(jī)器人、焊接機(jī)器人、自動(dòng)供料機(jī)器人等。機(jī)器人研究的熱點(diǎn)集中于三大模塊，因而，可以將機(jī)器人課程的教學(xué)重點(diǎn)傾向于以下3個(gè)子模塊，如圖4。

圖4 機(jī)器人教學(xué)模塊劃分

（1）“獨(dú)立制造”機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)包括:六自由度工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人打磨單元、機(jī)器人拋光單元、MES系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、三維掃描快速成像系統(tǒng)。

（2）“生產(chǎn)裝配”機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)包括:工業(yè)機(jī)器人裝配單元、自動(dòng)供料單元、PLC控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)。

（3）工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)包括:機(jī)器人打磨單元、自動(dòng)供料單元、數(shù)控加工中心單元。

按此模式培養(yǎng)，高校培養(yǎng)出的學(xué)生可以和工廠所需要的人才更加匹配。

四、結(jié)論

機(jī)器人技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的前沿技術(shù)，是集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備技術(shù)。如何將此前沿技術(shù)滲透到高校教學(xué)工作中，是各高校所要關(guān)心的核心問(wèn)題。通過(guò)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)教學(xué)與實(shí)際操作的開(kāi)展，可培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)器人的操作能力。并可提高高校培養(yǎng)適應(yīng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)與制造業(yè)發(fā)展的高技術(shù)人才的能力。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)高校的現(xiàn)實(shí)情況對(duì)機(jī)器人課程教學(xué)提出了系統(tǒng)課時(shí)調(diào)整措施，有利于提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

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