張近民 王穎 高斌

[摘 要]“機器人實踐教學(xué)”是哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）控制科學(xué)與工程學(xué)科針對應(yīng)用型碩士研究生開設(shè)的一門獨立的創(chuàng)新實踐課程?；跈C器人實踐教學(xué)現(xiàn)存的主要問題，從指導(dǎo)思想、教學(xué)體系、教學(xué)目的、實驗平臺建設(shè)和教學(xué)方法等方面進(jìn)行課程建設(shè)和教學(xué)改革。通過共享科研實驗平臺和多種有針對性的教學(xué)方法，體現(xiàn)實踐教學(xué)的綜合性、開放性、創(chuàng)新性和研究性，使課程在提高應(yīng)用型研究生的工程能力上發(fā)揮重要作用。

[關(guān)鍵詞]工程教育;機器人;實踐教學(xué);研究生課程

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）08-0008-03

機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)[1]，集成了多學(xué)科的研究成果，代表高技術(shù)的發(fā)展前沿，是當(dāng)前科技研究的熱點方向。隨著AI技術(shù)的不斷發(fā)展、工業(yè)4.0概念的全球化推廣和中國制造2025重大戰(zhàn)略部署的穩(wěn)步實施，機器人的科研、設(shè)計、制造和應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、教育、娛樂、醫(yī)療、軍工、家用及社會服務(wù)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

機器人工程也逐漸形成國內(nèi)高校的一個新專業(yè)方向。2015年，東南大學(xué)成為教育部同意批設(shè)“機器人工程”專業(yè)的首家高校;隨后，又有包含東北大學(xué)、湖南大學(xué)等985大學(xué)的25所大學(xué)及學(xué)院經(jīng)教育部備案設(shè)立了“機器人工程”專業(yè)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)是國內(nèi)最早研究機器人的高校之一，研究生是機器人科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的主要力量，如何提高研究生的工程問題解決能力和創(chuàng)新能力是我校教師面臨的重要課題，現(xiàn)有的驗證型實驗教學(xué)方法已經(jīng)難以適應(yīng)我校培養(yǎng)創(chuàng)新型高層次科研工作者和工程技術(shù)工作者的需求。

一、課程面臨的主要問題

一般高校開設(shè)的“機器人”實驗課都是機器人教學(xué)課程的實驗部分，用于指導(dǎo)學(xué)生理解和印證理論課程的內(nèi)容。其共性問題主要有以下幾方面。

1.實驗課程內(nèi)容落后

多數(shù)都是針對本科階段的實驗課程，以演示型和驗證實驗為主，缺乏創(chuàng)新性、設(shè)計性和開放性。創(chuàng)新型實驗少，學(xué)生缺乏專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力，缺少獨立動手和創(chuàng)新的機會，這就抑制了學(xué)生的想象力和學(xué)習(xí)興趣，限制了學(xué)生的自由發(fā)揮空間[2]。而且其實驗教材少，大都為機器人平臺指導(dǎo)書，不利于學(xué)生深入研究其運動機理及內(nèi)部算法。

2.缺乏學(xué)科間的交叉融合

機械工程、控制工程、電子信息等多個專業(yè)都有機器人類課程，但實踐教學(xué)都是對理論課程內(nèi)容的驗證和輔助，忽視了引導(dǎo)學(xué)生對多學(xué)科知識加以綜合運用[3]，無法體現(xiàn)現(xiàn)代高等教育的“大工程”觀 [4]。

3.實驗設(shè)備少，種類單一

多為六軸串聯(lián)工業(yè)機器人[5]，型號比較陳舊，集成度低，體積大，慣性大，存在一定的安全操作風(fēng)險。

二、課程教學(xué)改革的指導(dǎo)思想

機器人實踐教學(xué)是哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）控制科學(xué)與工程學(xué)科針對應(yīng)用型碩士研究生開設(shè)的一門獨立的創(chuàng)新實踐課程，授課人數(shù)為每年30人左右。其課程教學(xué)以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，圍繞既有的機器人研發(fā)和實驗教學(xué)平臺，通過項目帶動教學(xué)，對教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法進(jìn)行優(yōu)化和改革，注重培養(yǎng)學(xué)生的實際工程問題解決能力，結(jié)合創(chuàng)新平臺開展機器人課程實踐教學(xué)。其主要指導(dǎo)思想有以下幾方面。

1.體現(xiàn)工程教育認(rèn)證核心理念及要求

中國工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，是培養(yǎng)工程技術(shù)人才的重要依據(jù)，碩士研究生是科學(xué)技術(shù)和工程應(yīng)用的研發(fā)主體，因此在實踐課程教學(xué)中也應(yīng)按照工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求，以學(xué)生為中心，持續(xù)改進(jìn)教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，同時面向深圳及珠三角地區(qū)機器人技術(shù)的行業(yè)及企業(yè)需求培養(yǎng)人才，適應(yīng)國家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，實現(xiàn)成果導(dǎo)向。

2.能夠有效支撐碩士研究生的培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求

培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求是確定課程教學(xué)內(nèi)容與方式的依據(jù)，課程教學(xué)是達(dá)成畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標(biāo)的重要支撐。畢業(yè)生應(yīng)具備的知識、能力、素質(zhì)結(jié)構(gòu)必須通過與之相對應(yīng)的課程體系才能在教學(xué)中實現(xiàn)，這種對應(yīng)也為確定課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)時數(shù)提供了依據(jù)[6]。

3.充分利用學(xué)科資源優(yōu)勢

依托既有的市級及以上重點實驗室、工程實驗室等教學(xué)和科研平臺開展實踐教學(xué)活動，聯(lián)系既有科研項目，瞄準(zhǔn)國民經(jīng)濟(jì)和深圳市發(fā)展的主要方向，進(jìn)行課程建設(shè)和教學(xué)改革，培養(yǎng)高素質(zhì)、國際化的創(chuàng)新型優(yōu)秀人才。

三、具體的課程教學(xué)改革

1.教學(xué)體系改革

作為獨立的實踐課程，不需要圍繞某一門課程的理論內(nèi)容來設(shè)置實驗，在教學(xué)體系的設(shè)計上，可以弱化所有機器人相關(guān)課程本身的系統(tǒng)性、完整性和連續(xù)性，強化課程知識點之間的聯(lián)系性，同時突出控制科學(xué)控制性、信息性、系統(tǒng)性的特點，以培養(yǎng)應(yīng)用型碩士研究生從事科研、工程技術(shù)工作和解決工程實際問題的畢業(yè)要求為主線，建立實踐課程結(jié)構(gòu)，將課程建設(shè)成為跨課程、跨專業(yè)、跨學(xué)科的綜合應(yīng)用性實驗。

以學(xué)生為中心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容時，將知識體系“碎片化”，只引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注實驗項目需要的部分，使總體知識結(jié)構(gòu)更加合理、完整。給學(xué)生建立一個間斷的、階躍式的知識結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生自己去將其連接;不是采用循序漸進(jìn)的“填鴨式”教學(xué)，而是培養(yǎng)學(xué)生的主動“覓食”能力[6-7]。同時在實踐課程的整個周期中貫徹持續(xù)改進(jìn)的思想，搜集和整理課程中的問題，并不斷完善整個體系結(jié)構(gòu)，形成閉環(huán)反饋。

2.目標(biāo)導(dǎo)向教學(xué)

課程需要讓學(xué)生獲得機器人控制領(lǐng)域的工程問題解決能力和工程技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)能力，以此為目標(biāo)對實踐課程進(jìn)行建設(shè)。控制學(xué)科對應(yīng)用型碩士研究生的培養(yǎng)目標(biāo)是行業(yè)相關(guān)的高層次技術(shù)工作者和領(lǐng)導(dǎo)型工程技術(shù)人才，通過以機器人為實驗平臺的實踐課程，讓學(xué)生熟悉項目和問題解決的整個流程，掌握實用技能，并通過項目教學(xué)的過程和實踐成果評價來確認(rèn)學(xué)生是否取得了“真實學(xué)習(xí)經(jīng)驗”[8]，然后將成果反饋用于改進(jìn)原有的教學(xué)體系和教學(xué)方法。

3.實驗與科研平臺共享

一直以來，教學(xué)實驗平臺在實驗設(shè)計上都以配合理論授課或驗證推導(dǎo)結(jié)果為主，這種再現(xiàn)型實驗比較基礎(chǔ)，并不適用于已經(jīng)具有一定理論基礎(chǔ)和實踐能力的研究生。研究生的實驗教學(xué)應(yīng)著眼于提高和創(chuàng)新，在實驗設(shè)置上應(yīng)體現(xiàn)綜合性、開放性、創(chuàng)新性和研究性，不應(yīng)再拘泥于實驗指導(dǎo)書或設(shè)備操作書，而應(yīng)對設(shè)備本身及其技術(shù)體系的系統(tǒng)性有著更深層次的挖掘和滲透，實驗內(nèi)容與工程實際應(yīng)用聯(lián)系應(yīng)該更緊密[9]。

利用現(xiàn)有科研平臺教學(xué)，將多種工業(yè)機器人教學(xué)平臺及其他移動機器人平臺引入實踐課程是研究生實踐教學(xué)的有效方法[10]，這樣有利于學(xué)生提高學(xué)習(xí)機器人相關(guān)知識的主動性，挖掘?qū)W習(xí)潛能，培養(yǎng)綜合素質(zhì)和創(chuàng)新思維，全面掌握機器人控制系統(tǒng)分析、設(shè)計、建模、優(yōu)化和實現(xiàn)的技術(shù)方法。

其一，焊接工業(yè)機器人系統(tǒng)平臺。焊接工業(yè)機器人是工業(yè)生產(chǎn)中極為重要的機器人之一，也是原機器人實踐課程的主要實驗平臺。該系統(tǒng)以MOTOMAN MA1400機器人為核心搭建實驗系統(tǒng)平臺，基于6自由度非正交偏置串聯(lián)機器人和2軸俯仰變位機進(jìn)行二次開發(fā)，對焊接工藝中可控的工藝參數(shù)進(jìn)行分析，以良好的焊縫成型質(zhì)量為目標(biāo)，采用離線編程的方式對整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運動路徑進(jìn)行規(guī)劃。

該實驗的重點為學(xué)生對第二代工業(yè)機器人的離線編程方法的熟悉和運用，系統(tǒng)的八軸聯(lián)動功能能夠很好地解決船型焊約束條件下理想焊接姿態(tài)的調(diào)整，同時也給實驗帶來了一定的難度。學(xué)生可以在該平臺上求解非正交偏置機器人的運動學(xué)算法問題、焊點姿態(tài)和焊槍姿態(tài)之間相對關(guān)系的運動學(xué)問題、編寫MATLAB環(huán)境下的路徑規(guī)劃算法等。設(shè)備同時具有碰撞掉電功能，且設(shè)置了保護(hù)柵及開門報警功能，學(xué)生可在柵門外驗證和操作設(shè)備，大大提高了其安全性。

其二，輕量型機器人平臺。輕量型機器人具有空間利用率高、集成度高、靈活安全可靠等優(yōu)點，主要應(yīng)用于電子裝配、電子加工、醫(yī)療、家庭服務(wù)等領(lǐng)域。在結(jié)構(gòu)上，將電機、驅(qū)動器、減速器、控制器、編碼器及各種傳感器高度集成在關(guān)節(jié)中，實現(xiàn)機器人的智能化，能夠適應(yīng)人機協(xié)同作業(yè)的新需求。學(xué)科現(xiàn)擁有多臺UR機器人及Kinova輕量型仿生機械臂，可用于人機協(xié)作情況下的實驗需求。

其三，Delta機器人平臺。PDR 100機器人是我系自制的高精度取放第二代三角式并聯(lián)（DELTA）機器人研發(fā)平臺，具有速度快、定位精度良好、工作可靠穩(wěn)定、易用性強、可柔性適應(yīng)多種流水線作業(yè)的應(yīng)用等優(yōu)點。該平臺機器人集成了視覺識別模塊，可實時自動識別需拾取物體。另有吸盤模塊，控制吸盤類也可輕易實現(xiàn)。學(xué)生可以利用該平臺進(jìn)行機器人運動學(xué)、動力學(xué)建模及其實驗驗證、工作空間分析、運動規(guī)劃研究及其實驗驗證、控制器控制算法研究等。

其四，小型無人機系統(tǒng)。小型無人飛行器（UAV）具有安裝工藝簡單、體積小、制造成本低等特點，近年來在各個領(lǐng)域的應(yīng)用增長十分迅速，以此作為載體的研究也備受關(guān)注。除X650 value V-4無人機套裝外，實驗室還配備了3DR solo、3DR Aero-M、XAircraft 650 DJI NAZA、DJI-XP、DJI S1000-FPV等多種無人機實驗平臺。

其五，TurtleBot多機器人移動平臺。學(xué)生可以利用平臺進(jìn)行移動機器人的同步定位與制圖（SLAM，Simultaneous Localization and Mapping）實驗，多種SLAM算法優(yōu)劣比較，單目、雙目、激光等多種測距方式驗證，視覺測量數(shù)據(jù)地圖的分割與融合驗證等。

4.教學(xué)方式改革

其一，改進(jìn)教學(xué)組織方式。在原有實驗教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上增加網(wǎng)上課程資源庫，電腦是學(xué)生自主學(xué)習(xí)時的重要工具，學(xué)生可以在課后利用網(wǎng)絡(luò)資源庫對自己的實驗設(shè)計思路進(jìn)行有效的完善和補充[11]。

在課程教學(xué)上，通過多種教研平臺的實例深入分析機器人技術(shù)課程教學(xué)的實驗特點，對已有的實驗課程和課程設(shè)計進(jìn)行改革。在課堂教學(xué)方面，以講解實驗設(shè)計思路為主，運用啟發(fā)式教學(xué)方法，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。同時介紹機器人測量常用設(shè)備的使用方法，如激光跟蹤儀（FARO ION型）、機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)（C-track780）、機器人動態(tài)捕捉系統(tǒng)（Phase Space）等。

在實驗組織上，讓學(xué)生自主成立2至3人的實驗組，在實驗平臺上開展教學(xué)活動。先為機器人設(shè)定不同的操作任務(wù)，讓學(xué)生熟悉所選用的教學(xué)平臺，但不作為考評內(nèi)容。隨后邀請3名以上教師成立考核組，通過開題報告的形式了解學(xué)生的設(shè)計思路和預(yù)期成果，并在3個月的時間內(nèi)安排2次進(jìn)度匯報，用于督促學(xué)生的實驗進(jìn)度。最后采用比賽的形式對學(xué)生的課程設(shè)計作品進(jìn)行答辯及現(xiàn)場展示，細(xì)化評分規(guī)則，注重設(shè)計過程，不以演示結(jié)果判定最終成績，以激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)潛能，使所有參與的學(xué)生從中獲得成就感。

其二，以項目帶動實驗教學(xué)。機器人實踐教學(xué)綜合性極強，是多學(xué)科技術(shù)知識的綜合強化和驗證，非常符合項目教學(xué)的理念。采用項目教學(xué)法，以學(xué)生為中心，也符合工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的核心理念[12]。在實驗結(jié)果上不要求其完成指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，但需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性。其具體方式有兩種：第一種是鼓勵學(xué)生在生活中發(fā)現(xiàn)問題，并通過項目的方式尋求解決途徑，在評價中重點關(guān)注學(xué)習(xí)和設(shè)計過程，使學(xué)生了解并掌握各個環(huán)節(jié)中的基本要求和實現(xiàn)方法。第二種是參與到所屬導(dǎo)師的科研項目中，根據(jù)項目內(nèi)容，結(jié)合實驗室現(xiàn)有科研設(shè)備，截取其中的一部分作為實驗項目，并設(shè)計實施過程，確立最終評價指標(biāo)。這種方法在實行過程中需要注意與導(dǎo)師配合，既要確立統(tǒng)一的、明確的考核辦法，又要區(qū)別于導(dǎo)師的項目進(jìn)度匯報，減少學(xué)生在項目評價過程中的冗余考核，讓學(xué)生將主要精力放在完成項目本身。

其三，增加解決實際工程問題的項目。解決實際工程問題對于學(xué)生了解和掌握機器人技術(shù)有著非常重要的意義，讓學(xué)生不但能鍛煉發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，還可以鞏固相關(guān)的理論知識并由此延展，掌握更多的實用信息。

實驗課程設(shè)置的主要機器人技術(shù)相關(guān)問題點集中在運動路徑規(guī)劃、控制精度、視覺識別精度、運動目標(biāo)跟蹤、誤差辨識及補償?shù)葞讉€方面。

其四，結(jié)合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺開展教學(xué)。學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動一直以來都得到我校的大力支持。2016年5月，我校的“青年創(chuàng)客空間”獲得“中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部眾創(chuàng)空間”稱號，被納入國家級科技企業(yè)孵化器管理服務(wù)體系，我校也成為深圳目前唯一一家獲此資質(zhì)認(rèn)證的高校。目前空間擁有200余名全日制研究生創(chuàng)客，每年都會評選出50余個創(chuàng)客項目進(jìn)行資助。

本學(xué)科擁有大量科研教學(xué)實驗平臺，能夠為學(xué)生提供創(chuàng)造條件。實踐教學(xué)課程鼓勵學(xué)生關(guān)注學(xué)科學(xué)術(shù)前沿及實際生產(chǎn)中急需解決的問題，利用學(xué)科資源，創(chuàng)造性地開展實驗活動，并對創(chuàng)客項目的階段性成果給予學(xué)分認(rèn)定。如果學(xué)生獲得深圳市創(chuàng)客項目資助（最高不超多50萬元）或其他資金支持，可以繼續(xù)深入研究創(chuàng)客項目，實驗室將繼續(xù)為學(xué)生提供設(shè)備和場地支持。

四、結(jié)語

高校的實踐教學(xué)改革是一個持續(xù)改進(jìn)、不斷深化的系統(tǒng)工程，學(xué)生培養(yǎng)工作應(yīng)該充分結(jié)合高校的辦學(xué)定位及國家、社會和行業(yè)的需求。授課教師需要充分激發(fā)研究生作為被培養(yǎng)主體的主觀能動性，提高其解決實際問題的能力，激發(fā)其研發(fā)興趣，鼓勵其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)行為，在教學(xué)過程中不斷地改進(jìn)、探索和完善，真正達(dá)到實踐課程的教學(xué)目標(biāo)。

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]