黎萍　劉保軍　于楚泓

摘要：《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》是一門多學(xué)科交叉的、理論與實(shí)踐結(jié)合緊密的課程。本文結(jié)合《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程特點(diǎn)和教學(xué)中存在的若干問題，提出建立貫穿教學(xué)內(nèi)容的主線，改善實(shí)踐條件和鼓勵自我探索的改革措施。實(shí)踐表明這些改革措施是合理的，并在教學(xué)中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；教學(xué)改革；應(yīng)用型本科

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）25-0074-02

當(dāng)前，世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速進(jìn)行，國家實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，機(jī)器人技術(shù)專業(yè)領(lǐng)域的人才需求愈趨旺盛，因此培養(yǎng)具有創(chuàng)新性，符合社會實(shí)踐崗位的人才是當(dāng)前應(yīng)用型本科院校進(jìn)行《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程教學(xué)改革的核心。

一、《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程教學(xué)現(xiàn)狀

《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》是機(jī)電一體化、自動化等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)方向課之一，涵蓋機(jī)器人結(jié)構(gòu)、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、軌跡規(guī)劃、機(jī)器人控制等內(nèi)容[1][2]，涉及機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、電子電路技術(shù)、自動控制原理、傳感器技術(shù)等知識，是一門多學(xué)科交叉、理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，對培養(yǎng)學(xué)生機(jī)電一體化、自動控制技術(shù)的綜合實(shí)踐能力具有重要意義。

目前我院的機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動化專業(yè)和自動化專業(yè)均嘗試開設(shè)《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程，課程被安排在第七學(xué)期開課，理論32課時，實(shí)踐8課時，在教學(xué)過程中主要存在問題如下：

1.課程需要的先學(xué)知識欠缺。學(xué)生在學(xué)習(xí)《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》這門課程之前，需要具備一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制理論方面的基礎(chǔ)知識，而大部分應(yīng)用型本科院校中，機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動化專業(yè)和機(jī)電一體化專業(yè)的同學(xué)具有力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電工、電子方面的知識卻缺乏控制理論的基礎(chǔ)知識，自動化專業(yè)的同學(xué)具有控制理論、電機(jī)拖動、信號與系統(tǒng)等方面的知識卻缺乏力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的知識，導(dǎo)致在這些專業(yè)開設(shè)《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》都有不少的障礙，學(xué)生難以對課程產(chǎn)生整體認(rèn)識。

2.缺乏適合的教材。應(yīng)用型本科院校以本科教育為主，面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會，以學(xué)科為依托，以應(yīng)用型專業(yè)教育為基礎(chǔ)，以社會人才需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才，要求學(xué)生具有一定的理論素養(yǎng)，以滿足應(yīng)用所學(xué)理論知識進(jìn)行科技創(chuàng)新的需要，同時要求學(xué)生掌握本專業(yè)相關(guān)技術(shù)，具有較強(qiáng)的實(shí)踐動手能力。工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)教材有的偏重理論講解，而有的教材卻流于產(chǎn)品說明或用戶指南[3]，難以適應(yīng)應(yīng)用型本科學(xué)生的特點(diǎn)與教學(xué)需求。

3.涉及的概念抽象。工業(yè)機(jī)器人的控制以運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)為基礎(chǔ)，這就離不開D-H坐標(biāo)系的建立和空間坐標(biāo)的變換，即使能讓學(xué)生看到機(jī)器人實(shí)體也難以直觀展現(xiàn)抽象的坐標(biāo)系、工作空間、關(guān)節(jié)空間等概念。此外運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)方程的推導(dǎo)、微分運(yùn)動分析等抽象、復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)很容易讓學(xué)生望而卻步，喪失學(xué)好該課程的信心，不利于課堂教學(xué)的開展[4]。

4.實(shí)踐條件缺乏。目前的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品缺乏規(guī)范性，品牌繁雜且互不兼容，開放程度較低，因此如何選擇具體的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)也是面臨的一個難題，而且機(jī)器人造價不菲，受資金和場地等條件的制約，構(gòu)建專門的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的成本太高，這就造成了目前這門課程的實(shí)踐條件缺乏，實(shí)踐環(huán)節(jié)難以開展，無法充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

二、改革措施的探索

《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》的教學(xué)目的包括：使學(xué)生了解有關(guān)機(jī)器人技術(shù)方面的基本知識和機(jī)器人學(xué)的基本原理和方法，掌握機(jī)器人所涉及的基本理論和關(guān)鍵技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識解決專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)實(shí)際問題的能力，為此對課程進(jìn)行如下三個方面的改革。

1.建立貫穿教學(xué)內(nèi)容的主線。坐標(biāo)變換、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)、機(jī)器人控制是《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》的關(guān)鍵部分，為了讓學(xué)生將零散的知識有個整體的認(rèn)識，先從機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)入手，講解機(jī)器人三大組成部分（機(jī)械部分、傳感部分、控制部分）的關(guān)系[5]。由于機(jī)器人控制的本質(zhì)是對下列方程式的雙向控制[2]：

V（t）？圮T（t）？圮C（t）？圮θ（t）？圮X（t）

（其中：X（t）為末端執(zhí)行裝置的狀態(tài)，包括位置、姿態(tài)和開閉狀態(tài)等，θ（t）為關(guān)節(jié)變量，C（t）為作用在各關(guān)節(jié)上的力矩矢量，T（t）為各傳動電動機(jī)的力矩矢量，經(jīng)過變送器送到各個關(guān)節(jié)，V（t）為施加在電動機(jī)上的電流或電壓矢量。）

以機(jī)器人雙向控制方程式為主線，以典型機(jī)器人（如PUMA560）為例，對坐標(biāo)變換、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、軌跡規(guī)劃、機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行由淺及深的講解，明確各個部分內(nèi)容在上述控制方程式中的作用，先對機(jī)器人控制有個全局的了解，再細(xì)化到實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制的每一個層級，帶著問題一層一層剖析，整個課程的學(xué)習(xí)就連貫起來了，而且學(xué)生也能明白地知道每次課在整個機(jī)器人控制中的位置，目標(biāo)明確了，更能調(diào)動學(xué)習(xí)的主動性和積極性。最后，結(jié)合授課老師的科研項(xiàng)目或?qū)唧w對象控制過程的相關(guān)視頻資料，展開典型工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用分析，如噴涂、焊接、碼垛機(jī)器人，使學(xué)生對所學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容的工程應(yīng)用有深入的了解和直觀的認(rèn)識。此外，在課程授課過程中穿插與課程內(nèi)容有關(guān)的機(jī)器人最新研究成果，比如本田公司的雙足機(jī)器人、用于軍隊(duì)和康復(fù)治療的穿戴式機(jī)器人等，不僅對于提高同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣有一定的幫助，而且能拓寬同學(xué)們的視野，提高其領(lǐng)悟力。

2.改善實(shí)踐條件。工業(yè)機(jī)器人的實(shí)踐環(huán)節(jié)作為《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》教學(xué)體系中的重要組成部分，將學(xué)生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)作為核心，在加強(qiáng)學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識理解的同時，更培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識的實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力。工業(yè)機(jī)器人的認(rèn)識實(shí)驗(yàn)共2學(xué)時，主要以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的6軸工業(yè)機(jī)械手為對象，了解工業(yè)機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)與工作原理，熟悉機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、電氣線路硬件情況及手動運(yùn)行機(jī)械臂，觀察關(guān)節(jié)運(yùn)動情況。機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、軌跡規(guī)劃和運(yùn)動仿真共4學(xué)時，利用MATLAB的robotics toolbox實(shí)現(xiàn)[6]，利用ADAMS軟件強(qiáng)大的仿真模塊，在Simulink中實(shí)現(xiàn)對虛擬樣機(jī)的控制操作，最后安排2學(xué)時到校外企業(yè)觀摩工業(yè)機(jī)器人的工程應(yīng)用，增強(qiáng)對所學(xué)知識應(yīng)用場景的切身體驗(yàn)。后繼的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐環(huán)節(jié)擬引入ABB公司的Robot Studio建立工業(yè)機(jī)器人離線編程示教工作站[7]，以數(shù)字化工廠為實(shí)踐平臺，增加學(xué)生的動手實(shí)踐、創(chuàng)新的機(jī)會。

3.鼓勵自我探索。哈佛前校長認(rèn)為，教學(xué)內(nèi)容固然重要，但對于學(xué)生影響更為深遠(yuǎn)的是教學(xué)方法[8]?！豆I(yè)機(jī)器人技術(shù)》是一門較難的課程，通過前述機(jī)器人雙向控制方程式將分散的知識點(diǎn)貫穿成一整體，幫助同學(xué)明確每一部分在整個機(jī)器人控制中的作用，每開始新的知識點(diǎn)前，必用啟發(fā)式的問題，引導(dǎo)學(xué)生思考在已有知識的基礎(chǔ)上，如何往下一步展開，從而引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鼓勵學(xué)生在課后搜集相關(guān)資料，主動尋找答案。以參與期末綜合評分作為激勵，分組在課堂上展開討論，最后由老師對研討情況進(jìn)行點(diǎn)評、總結(jié)和補(bǔ)充講解，讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，通過這個過程，學(xué)生的自我學(xué)習(xí)、探索和創(chuàng)新能力可以得到有效培養(yǎng)。

三、結(jié)語

《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》對學(xué)生難，對授課老師也是很大的挑戰(zhàn)，由于沒有完全適應(yīng)的教材，授課老師需要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)選定的授課內(nèi)容，引入緊跟時代潮流的知識豐富教學(xué)內(nèi)容，整理講義，選擇能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的教學(xué)方法，有效培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力和工程實(shí)踐能力，這個過程永無止境。課程教學(xué)改革是一個長期、不斷深化的過程，相信在后續(xù)的教學(xué)過程中會有不斷的改進(jìn)和完善。

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