李光宇，葛海浪，李守軍

（宿遷學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇宿遷，223800）

0 引言

工業(yè)機器人專業(yè)的綜合性很強，涉及到多學(xué)科的交叉融合。面對繁雜的知識體系，教師教學(xué)往往會偏向于理論，實踐教學(xué)浮于表面。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中由于難點多、難度大，學(xué)起來枯燥、吃力，接受程度低，長期會導(dǎo)致對課程產(chǎn)生回避心理，嚴重影響學(xué)習(xí)效果。

1 工業(yè)機器人實踐教學(xué)現(xiàn)狀

（1）實驗設(shè)備臺套數(shù)不足，設(shè)備單價較昂貴，學(xué)生單人訓(xùn)練時間少。

目前常見的工業(yè)機器人實驗設(shè)備大多是在成熟的品牌機器人本體基礎(chǔ)上進行的二次開發(fā)，由于本體的價格就很昂貴，加上二次開發(fā)所投入的研發(fā)成本、配套硬件成本，所以整個系統(tǒng)價格較高，購置多套設(shè)備有一定的難度。實踐教學(xué)過程中，教師對學(xué)生設(shè)備使用安全性多有擔(dān)心，如果出現(xiàn)碰撞導(dǎo)致設(shè)備損壞，維修價格不菲，這也制約了學(xué)生對設(shè)備使用的深度與廣度。

（2）實驗學(xué)時不足，實驗多以演示性與驗證性實驗為主。

工業(yè)機器人課程實驗多以演示性與驗證性實驗為主，從學(xué)生反饋來看無法給學(xué)生留下深刻印象，不能起到鍛煉學(xué)生的工程實踐能力目的，而綜合性或設(shè)計性實驗往往持續(xù)較長時間，且所占學(xué)時較多，受到課時數(shù)、設(shè)備場地等因素影響，開展較困難。

（3）教師工程實踐經(jīng)驗不足，教學(xué)脫離工程實際。

工業(yè)機器人應(yīng)用一般都是在高度自動化的生產(chǎn)線上，這些企業(yè)由于技術(shù)保密等原因，高校教師很難有機會到這企業(yè)進行實踐鍛煉，也就無法把實際的工程問題帶到課堂中來，教學(xué)內(nèi)容也就脫離工程實際。

（4）課程難度大，內(nèi)容枯燥，學(xué)生不容易接受。

本課程涉及到大量的數(shù)學(xué)和計算機方面很多基礎(chǔ)知識，學(xué)生學(xué)習(xí)起來難度大，容易產(chǎn)生抵觸心理，教師講授過程中發(fā)現(xiàn)講授內(nèi)容學(xué)生不能掌握也會對教師的情緒產(chǎn)生一定影響。

2 基于MATLAB 仿真的工業(yè)機器人實踐教學(xué)案例

案例教學(xué)法是將案例以討論的方式運用到課堂教學(xué)活動中，通過剖析案例，按照相應(yīng)知識體系認知過程來引導(dǎo)學(xué)生，從而提高學(xué)生對知識體系的認識，同時也培養(yǎng)學(xué)生認識問題、分析問題和解決問題能力的一種教學(xué)方法[1,2]。案例教學(xué)法在機器人教學(xué)上應(yīng)用廣泛，隋欣等采用Robotstudio仿真軟件設(shè)計的工業(yè)機器人離線編程案例教學(xué)增強了學(xué)生工業(yè)機器人應(yīng)用的能力[3]。陳曉江等結(jié)合感器原理、控制工程理論、微機原理等課程開發(fā)了機器人應(yīng)用于設(shè)計案例庫，對培養(yǎng)學(xué)生理論分析、編程以及團隊協(xié)作能力有良好的效果[4]。顧繼俊等采用研討式案例教學(xué)模式運用于機器人技術(shù)課堂教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[5]。安娟等將機器人創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育案例應(yīng)用于機器人教學(xué)，將教學(xué)和雙創(chuàng)教育融合[6]。趙玉俠等通過設(shè)計機器人寫字案例來探討機器人編程，收到了良好的教學(xué)效果[7]。李尚榮等設(shè)計多個足球機器人教學(xué)案例以此來補充理論教學(xué)與實踐教學(xué)以及學(xué)生畢業(yè)設(shè)計[8]。

通過對以上已實施的案例教學(xué)分析不難發(fā)現(xiàn)案例教學(xué)可以發(fā)揮學(xué)生主體作用，同時教師可以與學(xué)生充分互動，顯著提高教學(xué)效果。本文以機器人運動學(xué)章節(jié)學(xué)習(xí)為例設(shè)計了工業(yè)機器人運動學(xué)MATLAB 仿真實踐教學(xué)案例，通過設(shè)計教學(xué)案例引入任務(wù)驅(qū)動的思想，提高學(xué)生的動手能力及分析解決問題的能力，加深了對知識學(xué)習(xí)理解。

（1）案例的教學(xué)目標

本案例圍繞MATLAB 機器人工具箱各項功能展開的，它的核心內(nèi)容主要是通過案例設(shè)計來完成對機器人建模、正運動學(xué)、逆運動學(xué)求解等知識的學(xué)習(xí)與鞏固。案例教學(xué)強調(diào)從實際案例內(nèi)容切入展開教學(xué)過程，圍繞問題設(shè)計教學(xué)內(nèi)容包含了問題提出、問題分析以及問題解決三大部分。希望結(jié)合實踐案例實現(xiàn)對教學(xué)內(nèi)容的融會貫通，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力水平，優(yōu)化教學(xué)方法應(yīng)用。

（2）案例設(shè)計原則

本案例設(shè)計遵循以下原則：①一致性，實踐教學(xué)案例內(nèi)容必須緊扣理論教學(xué)，需要與理論教學(xué)保持一致。②啟發(fā)性，不是對某個結(jié)論的簡單驗證，案例要有一定的廣度與深度，不具有唯一答案，更多體現(xiàn)學(xué)生理解與思考。③互動性，教師只提供理論框架，具體內(nèi)容填充由學(xué)生完成，填充過程中教師與學(xué)生以及學(xué)生之間可以充分討論交流，以此來提高教學(xué)效果。

（3）案例知識點

本案例主要包括：Link 類指令、SerialLink 類指令、運動學(xué)指令、雅可比矩陣指令與軌跡規(guī)劃指令。通過內(nèi)置puma560 機器人模型演示就緒狀態(tài)、伸展?fàn)顟B(tài)與標準狀態(tài)，以及正運動學(xué)、逆運動學(xué)求解。

（4）案例流程與環(huán)節(jié)

本案例流程如圖1 所示，主要包括課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)知識點的講解、擬定建模參數(shù)、完成各個知識環(huán)節(jié)、撰寫實驗報告、最后考核評價等。教學(xué)過程中首先要對機器人模型姿態(tài)的基本參數(shù)進行講解，主要包括自由度、各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角、連桿偏距、長度、轉(zhuǎn)角等參數(shù)。其次，重點講解各環(huán)節(jié)指令以及參數(shù)的使用語法及注意點、編寫程序、虛擬仿真與調(diào)試。第三，對正運動學(xué)與逆運動學(xué)作為重點難點講解。學(xué)生按具體教學(xué)任務(wù)進行知識點學(xué)習(xí)鞏固，并自行設(shè)置參數(shù)獨立完成建模與仿真調(diào)試，找到存在問題并分析原因，與學(xué)生一起討論解決方法。最后，撰寫實驗報告。

圖1 案例實施流程圖

由于本實驗教學(xué)案例涉及到知識點較多且難度大，所以必須首先要安排學(xué)生預(yù)習(xí)，讓學(xué)生對知識點有一定感性認識，預(yù)習(xí)時如有問題可以在班級群里進行討論、解答。講授階段，學(xué)生跟隨用計算機訓(xùn)練，教師通過查看學(xué)生機了解學(xué)生具體掌握情況，如發(fā)現(xiàn)有問題要及時反饋解決。

課堂講授主要環(huán)節(jié)包括以下4 層任務(wù)，指令如表1 所示。

表1 主要指令表

任務(wù)一：應(yīng)用link、robot 指令構(gòu)建機器人模型。此教學(xué)任務(wù)難度較為簡單，重點是各個指令和其參數(shù)用法。通過第一層教學(xué)任務(wù)學(xué)生可以建立起基本的機器人仿真示教模型，這樣可以提高學(xué)生的興趣與成就感，讓學(xué)生能更自信繼續(xù)下一環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)。

任務(wù)二：應(yīng)用tranl、rotx、roty、rotz 等指令觀察機器人平移、旋轉(zhuǎn)運動。此步驟教學(xué)任務(wù)難度一般，重點是理解指令與旋轉(zhuǎn)矩陣來描述位姿。通過圖形動畫和示教模型把較復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題具體化，可以更好幫助學(xué)生理解三維空間機器人位姿的變換。

任務(wù)三：利用fkine、ikine 做正運動學(xué)、逆運動學(xué)求解，此步驟教學(xué)任務(wù)難度較難，重點是幫助學(xué)生理解從給定角度來確定姿態(tài)和從給定姿態(tài)來確定角度的具體過程。

任務(wù)四：應(yīng)用ctraj、jtraj 和trinterp 函數(shù)對機器人模型進行軌跡規(guī)劃，此步驟教學(xué)任務(wù)難度較難，重點是軌跡規(guī)劃過程和指令參數(shù)的理解。

按照教學(xué)任務(wù)分層完成，中間穿插討論與答疑，最終目標是通過MATLAB 仿真來驗證、鞏固正運動學(xué)、逆運動學(xué)、空間軌跡規(guī)劃等相關(guān)理論知識。最后學(xué)生完成實驗報告，每個學(xué)生機器人模型參數(shù)基本不會相同，所以這樣也基本上避免了抄襲的可能。

（5）考核方法

考核評分主要根據(jù)學(xué)生現(xiàn)場答辯與提交書面報告來進行評分，內(nèi)容上主要注重程序與仿真截圖。主要考核模型建立的合理性、各環(huán)節(jié)任務(wù)完成的完整性與正確性，以及對各個知識點的理解體系性。

3 結(jié)語

(1)基于MATLAB 工業(yè)機器人虛擬仿真實踐教學(xué)案例設(shè)計有效解決了硬件設(shè)備條件不足的問題，讓理論教學(xué)與實踐教學(xué)更好的融合。

(2)仿真案例幫助學(xué)生對所學(xué)理論知識有了更深入、更直觀的認識，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題解決問題的能力，

(3)參數(shù)設(shè)置個性化可以讓學(xué)生不再是被動的進行實驗驗證，充分發(fā)揮其主觀能動性，收到了很好的學(xué)習(xí)效果。