李光宇，葛海浪，李守軍

（宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇宿遷，223800）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的綜合性很強(qiáng)，涉及到多學(xué)科的交叉融合。面對(duì)繁雜的知識(shí)體系，教師教學(xué)往往會(huì)偏向于理論，實(shí)踐教學(xué)浮于表面。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中由于難點(diǎn)多、難度大，學(xué)起來(lái)枯燥、吃力，接受程度低，長(zhǎng)期會(huì)導(dǎo)致對(duì)課程產(chǎn)生回避心理，嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)效果。

1 工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足，設(shè)備單價(jià)較昂貴，學(xué)生單人訓(xùn)練時(shí)間少。

目前常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多是在成熟的品牌機(jī)器人本體基礎(chǔ)上進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)，由于本體的價(jià)格就很昂貴，加上二次開(kāi)發(fā)所投入的研發(fā)成本、配套硬件成本，所以整個(gè)系統(tǒng)價(jià)格較高，購(gòu)置多套設(shè)備有一定的難度。實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，教師對(duì)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(jià)格不菲，這也制約了學(xué)生對(duì)設(shè)備使用的深度與廣度。

（2）實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足，實(shí)驗(yàn)多以演示性與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。

工業(yè)機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)多以演示性與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，從學(xué)生反饋來(lái)看無(wú)法給學(xué)生留下深刻印象，不能起到鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力目的，而綜合性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)往往持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，且所占學(xué)時(shí)較多，受到課時(shí)數(shù)、設(shè)備場(chǎng)地等因素影響，開(kāi)展較困難。

（3）教師工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，教學(xué)脫離工程實(shí)際。

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用一般都是在高度自動(dòng)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(jī)會(huì)到這企業(yè)進(jìn)行實(shí)踐鍛煉，也就無(wú)法把實(shí)際的工程問(wèn)題帶到課堂中來(lái)，教學(xué)內(nèi)容也就脫離工程實(shí)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(jì)算機(jī)方面很多基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)難度大，容易產(chǎn)生抵觸心理，教師講授過(guò)程中發(fā)現(xiàn)講授內(nèi)容學(xué)生不能掌握也會(huì)對(duì)教師的情緒產(chǎn)生一定影響。

2 基于MATLAB 仿真的工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)案例

案例教學(xué)法是將案例以討論的方式運(yùn)用到課堂教學(xué)活動(dòng)中，通過(guò)剖析案例，按照相應(yīng)知識(shí)體系認(rèn)知過(guò)程來(lái)引導(dǎo)學(xué)生，從而提高學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的一種教學(xué)方法[1,2]。案例教學(xué)法在機(jī)器人教學(xué)上應(yīng)用廣泛，隋欣等采用Robotstudio仿真軟件設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人離線編程案例教學(xué)增強(qiáng)了學(xué)生工業(yè)機(jī)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(jī)原理等課程開(kāi)發(fā)了機(jī)器人應(yīng)用于設(shè)計(jì)案例庫(kù)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生理論分析、編程以及團(tuán)隊(duì)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(yùn)用于機(jī)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(jī)器人創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育案例應(yīng)用于機(jī)器人教學(xué)，將教學(xué)和雙創(chuàng)教育融合[6]。趙玉俠等通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)器人寫字案例來(lái)探討機(jī)器人編程，收到了良好的教學(xué)效果[7]。李尚榮等設(shè)計(jì)多個(gè)足球機(jī)器人教學(xué)案例以此來(lái)補(bǔ)充理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)以及學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)[8]。

通過(guò)對(duì)以上已實(shí)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(shí)教師可以與學(xué)生充分互動(dòng)，顯著提高教學(xué)效果。本文以機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)章節(jié)學(xué)習(xí)為例設(shè)計(jì)了工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)MATLAB 仿真實(shí)踐教學(xué)案例，通過(guò)設(shè)計(jì)教學(xué)案例引入任務(wù)驅(qū)動(dòng)的思想，提高學(xué)生的動(dòng)手能力及分析解決問(wèn)題的能力，加深了對(duì)知識(shí)學(xué)習(xí)理解。

（1）案例的教學(xué)目標(biāo)

本案例圍繞MATLAB 機(jī)器人工具箱各項(xiàng)功能展開(kāi)的，它的核心內(nèi)容主要是通過(guò)案例設(shè)計(jì)來(lái)完成對(duì)機(jī)器人建模、正運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解等知識(shí)的學(xué)習(xí)與鞏固。案例教學(xué)強(qiáng)調(diào)從實(shí)際案例內(nèi)容切入展開(kāi)教學(xué)過(guò)程，圍繞問(wèn)題設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容包含了問(wèn)題提出、問(wèn)題分析以及問(wèn)題解決三大部分。希望結(jié)合實(shí)踐案例實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的融會(huì)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(jì)原則

本案例設(shè)計(jì)遵循以下原則：①一致性，實(shí)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(duì)某個(gè)結(jié)論的簡(jiǎn)單驗(yàn)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(dòng)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(guò)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(lái)提高教學(xué)效果。

（3）案例知識(shí)點(diǎn)

本案例主要包括：Link 類指令、SerialLink 類指令、運(yùn)動(dòng)學(xué)指令、雅可比矩陣指令與軌跡規(guī)劃指令。通過(guò)內(nèi)置puma560 機(jī)器人模型演示就緒狀態(tài)、伸展?fàn)顟B(tài)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，以及正運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆運(yùn)動(dòng)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(shí)點(diǎn)的講解、擬定建模參數(shù)、完成各個(gè)知識(shí)環(huán)節(jié)、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告、最后考核評(píng)價(jià)等。教學(xué)過(guò)程中首先要對(duì)機(jī)器人模型姿態(tài)的基本參數(shù)進(jìn)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(zhǎng)度、轉(zhuǎn)角等參數(shù)。其次，重點(diǎn)講解各環(huán)節(jié)指令以及參數(shù)的使用語(yǔ)法及注意點(diǎn)、編寫程序、虛擬仿真與調(diào)試。第三，對(duì)正運(yùn)動(dòng)學(xué)與逆運(yùn)動(dòng)學(xué)作為重點(diǎn)難點(diǎn)講解。學(xué)生按具體教學(xué)任務(wù)進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)鞏固，并自行設(shè)置參數(shù)獨(dú)立完成建模與仿真調(diào)試，找到存在問(wèn)題并分析原因，與學(xué)生一起討論解決方法。最后，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖1 案例實(shí)施流程圖

由于本實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例涉及到知識(shí)點(diǎn)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(duì)知識(shí)點(diǎn)有一定感性認(rèn)識(shí)，預(yù)習(xí)時(shí)如有問(wèn)題可以在班級(jí)群里進(jìn)行討論、解答。講授階段，學(xué)生跟隨用計(jì)算機(jī)訓(xùn)練，教師通過(guò)查看學(xué)生機(jī)了解學(xué)生具體掌握情況，如發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題要及時(shí)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(jī)器人模型。此教學(xué)任務(wù)難度較為簡(jiǎn)單，重點(diǎn)是各個(gè)指令和其參數(shù)用法。通過(guò)第一層教學(xué)任務(wù)學(xué)生可以建立起基本的機(jī)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(jī)器人平移、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此步驟教學(xué)任務(wù)難度一般，重點(diǎn)是理解指令與旋轉(zhuǎn)矩陣來(lái)描述位姿。通過(guò)圖形動(dòng)畫和示教模型把較復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題具體化，可以更好幫助學(xué)生理解三維空間機(jī)器人位姿的變換。

任務(wù)三：利用fkine、ikine 做正運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，此步驟教學(xué)任務(wù)難度較難，重點(diǎn)是幫助學(xué)生理解從給定角度來(lái)確定姿態(tài)和從給定姿態(tài)來(lái)確定角度的具體過(guò)程。

任務(wù)四：應(yīng)用ctraj、jtraj 和trinterp 函數(shù)對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行軌跡規(guī)劃，此步驟教學(xué)任務(wù)難度較難，重點(diǎn)是軌跡規(guī)劃過(guò)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(biāo)是通過(guò)MATLAB 仿真來(lái)驗(yàn)證、鞏固正運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、空間軌跡規(guī)劃等相關(guān)理論知識(shí)。最后學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，每個(gè)學(xué)生機(jī)器人模型參數(shù)基本不會(huì)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(píng)分主要根據(jù)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)答辯與提交書面報(bào)告來(lái)進(jìn)行評(píng)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(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解體系性。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)基于MATLAB 工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)案例設(shè)計(jì)有效解決了硬件設(shè)備條件不足的問(wèn)題，讓理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)更好的融合。

(2)仿真案例幫助學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)有了更深入、更直觀的認(rèn)識(shí)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，

(3)參數(shù)設(shè)置個(gè)性化可以讓學(xué)生不再是被動(dòng)的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，充分發(fā)揮其主觀能動(dòng)性，收到了很好的學(xué)習(xí)效果。