《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》提出實施制造強國戰(zhàn)略，深入實施《中國制造2025》，強調(diào)了制造業(yè)朝高端發(fā)展的方向。制造業(yè)的高速發(fā)展對制造裝備提出了更高的要求，促進(jìn)了以傳感、驅(qū)動和控制為核心的機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人已經(jīng)成為人類活動不可或缺的幫手，如裝配機器人、醫(yī)療康復(fù)機器人、五軸聯(lián)動機床、家庭智能服務(wù)機器人以及水下探測機器人等，機器人技術(shù)的發(fā)展和市場將是一片藍(lán)海，未來將會像筆記本電腦一樣普及。作為上海大學(xué)機械工程本科專業(yè)選修課，《機器人學(xué)》是一門綜合了機械、電子、通信及智能控制等多個領(lǐng)域的機電一體化課程，可以使學(xué)生充分學(xué)習(xí)機電一體化系統(tǒng)的理論與實踐知識，對于培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的綜合能力，提升工科學(xué)生的綜合素質(zhì)及就業(yè)競爭力具有關(guān)鍵意義。[1][2]

機器人學(xué)課程內(nèi)容豐富，包含理論教學(xué)和實踐內(nèi)容，涉及的先修課程包括機械設(shè)計、理論力學(xué)、線性代數(shù)、大學(xué)物理、數(shù)字電路、現(xiàn)代控制理論及傳感技術(shù)等，對學(xué)生的基礎(chǔ)知識要求較高，課程學(xué)習(xí)中需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，往往使很多對機器人技術(shù)充滿興趣的學(xué)生望而卻步，近些年來選修課程的工科學(xué)生逐步下降。[3]因此為進(jìn)一步提高教學(xué)效果與教學(xué)質(zhì)量，對機器人學(xué)課程進(jìn)行以培養(yǎng)興趣為導(dǎo)向，以實踐和創(chuàng)新項目為驅(qū)動的教學(xué)改革，迫在眉睫。

一、機器人學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀分析

機器人學(xué)的理論分析涉及以下知識：機械本體設(shè)計需要掌握機械設(shè)計理論；運動學(xué)分析涉及線性代數(shù)及矩陣論；動力學(xué)建模則和理論力學(xué)、大學(xué)物理相關(guān)；最核心的控制部分則要求對自動控制原理、傳感及信號處理技術(shù)具有扎實的知識基礎(chǔ)。正是因為機器人學(xué)對先修課程的要求極高，所以導(dǎo)致了在教學(xué)過程中教師往往對各種理論知識需要再次復(fù)習(xí)或者講解，大部分的課堂時間耗費在了公式推導(dǎo)及講解中，進(jìn)而占用了實踐環(huán)節(jié)的時間；重點強調(diào)知識的傳授，而忽視了學(xué)生的興趣所在以及創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。具體存在的問題可分為以下幾點：[4][5][6]

第一，本科生教學(xué)多以傳統(tǒng)串聯(lián)式機械臂為對象進(jìn)行分析，以運動學(xué)分析—動力學(xué)分析—軌跡規(guī)劃—傳感及控制為主線進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容與我們實際接觸的工程問題結(jié)合不緊密，與智能服務(wù)機器人、精密驅(qū)動機器人、高速并聯(lián)機器人等前沿技術(shù)脫離較遠(yuǎn)，學(xué)生興趣不高。

第二，單純講解運動學(xué)中的D-H法建模，動力學(xué)中的拉格朗日法、牛頓-歐拉法、達(dá)朗貝爾原理，推導(dǎo)公式復(fù)雜，過程復(fù)雜，對數(shù)學(xué)功底要求高，傳統(tǒng)課程沒有引進(jìn)諸如Matlab/Simulink、Mathematica等軟件，給同學(xué)帶來了大量的計算負(fù)擔(dān)，產(chǎn)生逆反情緒，很多同學(xué)反映跟預(yù)想中的機器人課程大相徑庭，教學(xué)效果不好。

第三，課程實驗設(shè)計仍停留在傳統(tǒng)的機械臂示教演示實驗，同學(xué)們沒有機會自行編程開發(fā)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，而且實驗設(shè)備單一，缺乏諸如移動機器人、并聯(lián)機器人、智能交互機器人等學(xué)生們感興趣的實驗設(shè)備。學(xué)生對于實驗的主動性不高，只是被動的完成任務(wù)。

第四，目前大部分學(xué)校因條件所限，無法向本科生開放更多的實驗室，也一定程度上限制了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力的開發(fā)。若任課教師能提供多一些的項目開發(fā)機會和必要的開發(fā)設(shè)備，以興趣和競賽項目為導(dǎo)向，定能激發(fā)學(xué)生們的熱情和主動性。

機器人技術(shù)日新月異，如果我們還停留在傳統(tǒng)的機械臂知識教學(xué)上，缺乏改革和創(chuàng)新，那么學(xué)生們解決工程問題的綜合能力和核心競爭力將會大大下降，影響畢業(yè)生質(zhì)量。因此需針對以上問題，對機器人學(xué)課程進(jìn)行大刀闊斧的改革，改變重理論、輕實踐的本末倒置現(xiàn)象，進(jìn)行以實踐和項目創(chuàng)新為驅(qū)動的課程改革，使學(xué)生通過機器人學(xué)課程的學(xué)習(xí)，更多的將理論知識與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)獨立解決工程問題的能力。

二、課程改革探索

針對機器人課程教學(xué)中存在的問題，結(jié)合國外先進(jìn)教學(xué)經(jīng)驗，將國際先進(jìn)教學(xué)理念引入到機器人學(xué)課程中。目前，國外機器人技術(shù)發(fā)展領(lǐng)先的國家和地區(qū)主要有美國、日本、韓國、歐洲等地區(qū)：美國的機器人學(xué)主要為專業(yè)必修課，輔以課程實踐、機器人競賽和機器人主題團(tuán)體活動，最終實現(xiàn)機器人技術(shù)作為機電一體化平臺來輔助其他課程的教學(xué)，如俄勒岡大學(xué)將機器人作為實驗平臺，講授計算機原理、數(shù)電模電、電子設(shè)計導(dǎo)論、通訊技術(shù)等課程，麻省理工學(xué)院則注重學(xué)生自由創(chuàng)新和發(fā)揮的空間，為學(xué)生們自由編程和機械本體設(shè)計提供實驗條件，考核方式也多以課堂成績加項目設(shè)計的形式；日本則在機器人教育以及機器人的應(yīng)用普及方面站在了世界前列，這與日本每年在大多數(shù)高校開設(shè)機器人相關(guān)課程及定期舉辦多種機器人競賽是密不可分的，學(xué)生通過機器人競賽鞏固并驗證自己在課堂上學(xué)到的知識，激發(fā)了學(xué)生們的興趣并通過競賽項目提高了解決工程問題的實踐能力。[7]此外，作者曾在加拿大多倫多大學(xué)訪學(xué)期間修過機器人課程，其在培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新方面投入極大，每個學(xué)生或者每個小團(tuán)隊可以根據(jù)自己的興趣來進(jìn)行項目設(shè)計，教師和學(xué)校提供實驗室和必備的開發(fā)條件，充分調(diào)動了學(xué)生們的積極性并潛移默化的培養(yǎng)了學(xué)生對于機器人設(shè)計的熱愛，同學(xué)們的思路多種多樣，但又不脫離實際，創(chuàng)新理念結(jié)合工程技術(shù)最終完成自己的項目設(shè)計。

綜合考慮以上各國在機器人學(xué)課程的先進(jìn)教學(xué)經(jīng)驗以及國內(nèi)課程的諸多不足，在課程內(nèi)容、教學(xué)方法、課程實驗以及項目創(chuàng)新設(shè)計方面進(jìn)行改革探索。

（一）課程內(nèi)容改革

從我校創(chuàng)建雙一流高水平大學(xué)出發(fā)制定了《機器人學(xué)》課程的教學(xué)目標(biāo)：通過課程學(xué)習(xí)，提高學(xué)生們對于機器人技術(shù)的興趣，使同學(xué)了解并熟悉機器人前沿技術(shù)及發(fā)展方向，掌握機器人本體設(shè)計、運動學(xué)分析、軌跡規(guī)劃、控制系統(tǒng)開發(fā)的研發(fā)流程，并通過課程實驗和項目設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新能力，對于出色的想法重點指導(dǎo)并實現(xiàn)參加國內(nèi)外頂級機器人競賽的目標(biāo)。

對于本科生的教學(xué)，以興趣為導(dǎo)向進(jìn)行啟發(fā)式的引導(dǎo)會產(chǎn)生事半功倍的效果，尤其對于第一章的講解，需要對前沿技術(shù)以及身邊的機器人講起，充分調(diào)動起學(xué)生們的積極性，比如可以采用互動式的啟發(fā)提問“你們眼中的機器人是怎么樣的”“你認(rèn)為未來智能機器人會取代人類嗎”“如何看待谷歌機器人Alpha Go 以絕對優(yōu)勢碾壓圍棋冠軍李世石”等等，還可通過學(xué)生們熟悉的卡通及電影形象來引起他們的關(guān)注，如圖2-1所示。

圖2-1 學(xué)生們眼中的機器人

在機器人運動學(xué)分析和動力學(xué)分析中，現(xiàn)有課程只是對傳統(tǒng)機械臂的運動學(xué)和動力學(xué)建模進(jìn)行講解，D-H法、拉格朗日法、牛頓-歐拉法、達(dá)朗貝爾原理、漢密爾頓法占據(jù)了大部分的課堂時間，學(xué)生興趣不高。可以注重機器人種類的多樣化講解，比如引入移動機器人，其中兩足的人形機器人、四足的大狗機器人是學(xué)生們比較感興趣的領(lǐng)域；無人機也是現(xiàn)在的研究熱點，大疆公司的航拍無人機，用于軍事的微型飛行器；工業(yè)設(shè)備中采用的高速高加速度的并聯(lián)機器人等。通過增加豐富多彩的機器人種類來引導(dǎo)學(xué)生們的思路，比如講到人形機器人時，如何建立電機到驅(qū)動足的運動學(xué)關(guān)系才能實現(xiàn)人形機器人的平穩(wěn)前進(jìn)，自然而然引入逆運動學(xué)分析和軌跡規(guī)劃問題；到并聯(lián)機器人時，其高速高加速的運動必然引起傳動桿的振動，詢問學(xué)生有何解決辦法？進(jìn)而引入動力學(xué)建模的概念，可以分析由振動引起的精度損失、零件耗損以及振動控制問題。最后通過無人機可以引入控制系統(tǒng)的概念，通過飛行控制系統(tǒng)講解傳感-決策-控制的閉環(huán)概念，其中穿插傳感器的類型及控制方法的講解。

在整個教學(xué)內(nèi)容的講解中，注意結(jié)合最前沿的技術(shù)，比如Alpha Go中的基于大數(shù)據(jù)分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)成就了最新一代具有人工智能的機器人；人機共融機器人可以和人類和諧共處，協(xié)同合作完成各種任務(wù)，不會對人類產(chǎn)生危害；嫦娥三號玉兔月球車采用了精密、輕質(zhì)、小型化的壓電超聲電機，是新型精密驅(qū)動電機的前沿方向等等。

（二）教學(xué)方法

針對目前機器人多以偏重知識傳授的現(xiàn)狀，改革教學(xué)方式，提高學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。采取多樣化的教學(xué)形式，課堂教學(xué)中不再嚴(yán)格區(qū)分學(xué)生與教師的身份，采用開放課堂形式，學(xué)生隨時都可以不經(jīng)舉手直接表達(dá)自己的見解或困惑，形成一種雙向交流的教學(xué)模式。在教學(xué)課程中不時穿插開放性的問題，引起同學(xué)們原創(chuàng)性的思考進(jìn)而激發(fā)學(xué)習(xí)和研究興趣，比如“你認(rèn)為未來某一天電影《終結(jié)者》中的機器人會實現(xiàn)嗎？”，“如何看待機器人的倫理問題”等，針對這些問題和學(xué)生們提出的見解，可采用辯論或者分組討論的形式，學(xué)生需提前進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)的檢索和背景調(diào)查，在課堂上進(jìn)行交流，老師作為引導(dǎo)者適時點出影響機器人發(fā)展的核心技術(shù)所在。

增加軟件輔助教學(xué)環(huán)節(jié)，關(guān)于機器人的運動學(xué)可以采用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行運動分析，并同時結(jié)合教材進(jìn)行D-H法的講解。圖2-2所示為Simulink中PUMA560型機器人模型，通過改變輸入的電機轉(zhuǎn)角，可以直觀的得出機器人末端執(zhí)行器的位置姿態(tài)變化，相比教材中的通過機構(gòu)簡圖示意更加直觀明了，使同學(xué)對運動學(xué)的本質(zhì)理解更為深刻，提高教學(xué)效果。對于PUMA560型的機器人模型，可采用Simulink自帶的Demo或者通過命令進(jìn)行自定義參數(shù)的機器人建模。對于機器人動力學(xué)建模，則可采用ADAMS軟件進(jìn)行動力學(xué)分析，學(xué)生可通過在CAD軟件如Solid Works或Proe中進(jìn)行簡單機器人的建模，并將其導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行，通過直接定義末端執(zhí)行器的軌跡，即可得到各關(guān)節(jié)和連桿的速度、加速度及受力情況，結(jié)合ADAMS軟件得到的結(jié)果和建模原理像學(xué)生講解動力學(xué)建模的根本思想，對于本科生來講，熟練掌握拉格朗日建模，了解牛頓-歐拉法即可。通過自己建立的動力學(xué)模型和ADAMS軟件的分析結(jié)果相比較，更能加深學(xué)生們的理解并驗證模型的正確性。

圖2-2 運用Simulink軟件講解運動學(xué)

帶領(lǐng)學(xué)生參觀上海每年一次的工業(yè)博覽會，進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)和講解，擴展學(xué)生們的眼界，使學(xué)生們認(rèn)識到機器人學(xué)的最前沿技術(shù)。實物考察和現(xiàn)場認(rèn)知遠(yuǎn)比書本和視頻更能激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生們的興趣和主動學(xué)習(xí)能力，參觀完畢后可讓學(xué)生就每人最感興趣的一個方向進(jìn)行背景調(diào)研，并找到合適的相關(guān)方向進(jìn)行課程項目設(shè)計。

（三）構(gòu)建課程和科研的一體化實驗平臺

課程實驗?zāi)壳爸痪窒抻趥鹘y(tǒng)機械臂的示教演示實驗，學(xué)生們的自主編程軌跡規(guī)劃和創(chuàng)新設(shè)計能力得不到鍛煉，針對此問題，在原有課程實驗設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加了科研用基于壓電驅(qū)動的并聯(lián)機器人（圖2-3）和KheperaⅢ（圖2-4）移動機器人，構(gòu)建課程和科研的一體化實驗平臺。3-PRR并聯(lián)機器人采用視覺伺服來實現(xiàn)動平臺的閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)可分為視覺檢測系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)，視覺檢測系統(tǒng)主要由CCD、光學(xué)鏡頭、光源等組成，運動控制系統(tǒng)主要包括工控機、超聲電機驅(qū)動器、運動控制卡、線性光柵尺等，學(xué)生通過3-PRR并聯(lián)機器人的學(xué)習(xí)可以了解機器人硬件系統(tǒng)的搭建和并聯(lián)機器人的特點，為后續(xù)課程項目設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

圖2-3 壓電驅(qū)動3-PRR并聯(lián)機器人

圖2-4 KheperaⅢ移動機器人

移動機器人Khepera III是k-team10年精心研究的結(jié)晶。其性能可以和很多體型較大的機器人相媲美。內(nèi)置該公司主打產(chǎn)品KoreBot板，機器人上安裝的多傳感器陣列，可以有效的檢測出不同距離范圍的物體，可實現(xiàn)高度自主，并能接在任意一臺PC上，通過Matlab、LabView，或者其它任何支持串口操作的開發(fā)工具完成編程控制。Khepera III上裝有9個用于障礙檢測的紅外傳感器，5個遠(yuǎn)距離障礙物檢測的超聲傳感器。前面裝有一組尋線傳感器以及邊緣檢測，電機模塊使用的是瑞士生產(chǎn)的高質(zhì)量傳動模塊。高精度伺服電機保證了它移動的準(zhǔn)確性和高效性。學(xué)生通過此實驗機器人可以進(jìn)行軌跡規(guī)劃的編程，也可基于此移動平臺進(jìn)行智能避障，地圖構(gòu)建等方向的項目設(shè)計。

（四）項目創(chuàng)新設(shè)計

課程項目創(chuàng)新設(shè)計是綜合鍛煉和考察學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的環(huán)節(jié)，通過課程項目設(shè)計為各種大學(xué)生機器人競賽輸送好的作品和想法，如Robotcup國際機器人足球賽、機器人滅火競賽、亞太大學(xué)生機器人大賽、飛思卡爾杯全國大學(xué)生智能汽車競賽、以及“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作業(yè)競賽等。為了在實踐中鍛煉學(xué)生們的創(chuàng)新設(shè)計能力，課程為學(xué)生提供Nvidia公司的基于Tegra K1芯片的Jetson TK1 Developers’ Board開發(fā)板，如圖2-5。NVIDIA Jetson TK1針對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用釋放 GPU 的潛能。它以革命性的NVIDIA TegraK1 SoC為基礎(chǔ)構(gòu)建，并且使用相同的 NVIDIA Kepler?計算核心，該核心專為全世界的超級計算機而設(shè)計。為學(xué)生提供了一款全功能 NVIDIA CUDA? 平臺，用于快速開發(fā)和部署面向計算機視覺、機器人技術(shù)、醫(yī)療和更多領(lǐng)域的計算密集型系統(tǒng)。學(xué)生們可運用Jetson TK1開發(fā)自己感興趣的機器人，包括足式、輪式、履帶式移動機器人，多軸并聯(lián)高速機器人，機器魚，以及微型飛行器等。

圖2-5 Jetson TK1開發(fā)模塊

三、結(jié)束語

根據(jù)目前機器人學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀和上海大學(xué)創(chuàng)建雙一流高水平大學(xué)的思路，對機器人學(xué)課程進(jìn)行基于實踐和創(chuàng)新驅(qū)動的課程改革探索。在活躍課堂，采用多種軟件、視頻等多媒體手段對學(xué)生進(jìn)行理論講解的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建實驗和科研一體化平臺來鍛煉學(xué)生們的實踐能力，為后續(xù)項目創(chuàng)新設(shè)計打下基礎(chǔ)并提供思路，最終使學(xué)生們能夠基于NVIDIA Jetson TK1開發(fā)板進(jìn)行獨立的機器人系統(tǒng)設(shè)計，理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)創(chuàng)新能力和工程問題的解決能力，為全國性的機器人大賽輸送創(chuàng)新的想法、作品及人才，進(jìn)而全面提升機器人學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

注釋：

[1]黃用華，李雪梅，莊未. 理工科高?！豆I(yè)機器人》課程教學(xué)改革淺析[J]. 科技信息，2012, (21): 20-20.

[2]王才東， 王良文， 李一浩. 機器人學(xué)課程教學(xué)改革的探索與實踐[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備，2015, (21):52-54.

[3]戰(zhàn)強，王東月. 《機器人學(xué)》課程教學(xué)改革探討[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2010 ,(2):117-120.

[4]賈翠玲，李宗學(xué)，郭長青. 機器人創(chuàng)新實踐課程改革研究與實踐——基于 CDIO 項目式教學(xué)法[J]. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2015, 36,(19): 156-157.

[5]雷靜桃，劉亮， 張海洪. “機器人學(xué)”課程教學(xué)改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索，2013, 32,(5): 179-182.

[6]畢津滔，張婉鸝. 高校機器人教學(xué)改革新思路之探索[J]. 信息通信，2013,(3): 266-267.

[7]陳妍冰， 劉琳靖. 基于機器人競賽的教學(xué)改革研究[J]. 教育教學(xué)論壇，2015,(21): 123-124.