王 晶，姜 睿

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101300）

0 引言

數(shù)字化進(jìn)程推動當(dāng)代工業(yè)制造業(yè)不斷向無人化、智能化發(fā)展，智慧工廠是將工廠自動化與復(fù)雜信息技術(shù)集成的一種先進(jìn)工廠，是現(xiàn)代制造工業(yè)理念的重要體現(xiàn)[1]。機器人技術(shù)是服務(wù)智慧工廠的重要環(huán)節(jié)之一。在“新工科”背景的推動下，一系列面向機器人產(chǎn)業(yè)、智能制造業(yè)等領(lǐng)域的工科專業(yè)應(yīng)運而生。機器人工程專業(yè)作為一個交叉面較廣的新工科專業(yè)，目前在培養(yǎng)方案設(shè)置上更多的還是基于傳統(tǒng)專業(yè)課程的整合，針對人才培養(yǎng)需求層面的創(chuàng)新性實踐環(huán)節(jié)設(shè)置尚顯不足[2]。機器人學(xué)課程作為專業(yè)核心課程，具有理論性強的突出特點，如何面向需求端進(jìn)行課程實踐環(huán)節(jié)設(shè)計、充分的理論結(jié)合實踐是本文研究的關(guān)鍵。

通過總結(jié)當(dāng)前機器人學(xué)課程在教學(xué)實踐環(huán)節(jié)授課經(jīng)驗，綜合理論教學(xué)與實踐應(yīng)用相結(jié)合的課程特點，分析教學(xué)中存在的不足與問題，提出并設(shè)計新的實踐教學(xué)設(shè)計方案，探索面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)模型下的“機人器學(xué)”課程實踐環(huán)節(jié)教學(xué)改革方案，使學(xué)生在充分理解理論知識的同時能夠熟悉并掌握解決實際問題的方式與方法。

1 課程特點與實踐教學(xué)分析

1.1 “機器人學(xué)”課程特點分析

筆者學(xué)校的“機器人學(xué)”課程設(shè)置為48 學(xué)時，其中理論課為44 學(xué)時，實驗課為4 學(xué)時，現(xiàn)已完成兩屆學(xué)生的教學(xué)任務(wù)[3]。理論課程以賈瑞清教授編著的教材：“機器人學(xué)——規(guī)劃、控制及應(yīng)用”為主，輔助擴展其他優(yōu)秀的機器人學(xué)相關(guān)書籍。主要的課程內(nèi)容包括：機器人基本概念及發(fā)展歷程（2 學(xué)時），機器人系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及類型（4 學(xué)時），機器人執(zhí)行機構(gòu)原理（4學(xué)時），機器人傳感器（4 學(xué)時），空間變換（6 學(xué)時），運動學(xué)（4 學(xué)時），動力學(xué)（6 學(xué)時），軌跡規(guī)劃（4 學(xué)時）與控制（4 學(xué)時），新型機器人與智能控制（4 學(xué)時）。從課程總體學(xué)時安排來看，大綱的側(cè)重點在于學(xué)生基礎(chǔ)理論知識的掌握，如，在運動學(xué)中要求學(xué)生掌握標(biāo)準(zhǔn)、改進(jìn)以及SAHA 等三種坐標(biāo)系建立方法，充分理解DH參數(shù)在運動學(xué)建模中發(fā)揮的作用；在動力學(xué)中要求學(xué)生掌握包括牛頓-歐拉遞推法以及拉格朗日公式法兩種動力學(xué)建模方法。

理論教學(xué)中涉及大量的公式遞推計算、坐標(biāo)變換、力學(xué)平衡公式、運動學(xué)公式等，教學(xué)的重點在以往側(cè)重于學(xué)生對于每個公式、坐標(biāo)系等細(xì)節(jié)上的理解，在這幾部分出現(xiàn)教學(xué)進(jìn)度較慢、學(xué)生理解難度大、考核形式較難把握等問題。如，考慮考試時長，基于運動學(xué)建模的試題，只能基于簡單的平面機構(gòu)出題；動力學(xué)建模的試題，機構(gòu)關(guān)節(jié)數(shù)量往往不能多于2 個。對于從應(yīng)用層面鞏固學(xué)生知識并沒有太大宜處，同樣不利于知識的檢驗。因此，考慮將這部分教學(xué)目標(biāo)的側(cè)重點放在實踐環(huán)節(jié)。

目前，實驗課安排的主要任務(wù)內(nèi)容包括兩項：一是機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動與控制實驗，二是機械臂軌跡規(guī)劃與控制。主要目標(biāo)為對理論環(huán)節(jié)中機器人運動學(xué)建模、軌跡規(guī)劃設(shè)計及控制律設(shè)計進(jìn)行演示驗證，使學(xué)生加深對這部分理論知識的印象?？偟膩碚f，實踐環(huán)節(jié)在設(shè)計過程中，圍繞基礎(chǔ)課程為出發(fā)點進(jìn)行設(shè)置，能夠充分調(diào)動學(xué)生對于理論知識的理解力，但在結(jié)合實際應(yīng)用的過程中有所欠缺。具體表現(xiàn)為，一是學(xué)生對于生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用問題缺乏概念、實驗的目標(biāo)性不強，二是理論內(nèi)容的覆蓋面不足。

1.2 “智慧工廠”概念與課程融合

智慧工廠（Smart Factory）是指利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，幫助工廠生產(chǎn)設(shè)備、工藝流程、生產(chǎn)計劃、質(zhì)量控制、供應(yīng)鏈等系統(tǒng)具備數(shù)字化、自動化、智能化等特點，并實現(xiàn)高效、柔性化、可定制化的生產(chǎn)方式。智慧工廠也稱為數(shù)字工廠、工業(yè)4.0等[1]。“機器人學(xué)”課程培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生了解掌握機器人的基本原理、基本結(jié)構(gòu)、基本控制方式和基本建模及設(shè)計方法，建立完整的基礎(chǔ)理論體系，為深入學(xué)習(xí)機器人系統(tǒng)設(shè)計等打下理論基礎(chǔ)[4]。因此，將所學(xué)的控制邏輯、運動學(xué)、動力學(xué)、軌跡規(guī)劃等知識運用到智慧工廠的特定環(huán)節(jié)中，結(jié)合智慧工廠的特定任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行實踐環(huán)節(jié)設(shè)計，不僅能夠運用理論解決實際問題，更能夠鍛煉學(xué)生解決系統(tǒng)化工程問題的能力。

結(jié)合筆者學(xué)校煤炭能源背景，面向?qū)I(yè)實踐基地之一天瑪智控科技公司智能制造車間，以工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用為需求背景，融合機器人學(xué)課程實踐設(shè)計，讓學(xué)生以實際需求為出發(fā)點，運用所學(xué)知識解決工業(yè)現(xiàn)場問題，充分增強實踐教學(xué)理論與實踐的貼合教學(xué)目標(biāo)。

2 “機器人學(xué)”課程實踐環(huán)節(jié)設(shè)計

2.1 課題式“機器人學(xué)”實驗設(shè)計思路

根據(jù)前面對于課程特點及實踐教學(xué)的分析總結(jié)，面向“智慧工廠”的“機器人學(xué)”課程實踐環(huán)節(jié)設(shè)計，要涵蓋重點理論知識，同時在有限的課時下設(shè)置更多解決工業(yè)現(xiàn)場問題的任務(wù)內(nèi)容。因此，課程總學(xué)時計劃調(diào)整為40 學(xué)時理論授課以及8 學(xué)時實驗環(huán)節(jié)，針對8 學(xué)時的實驗環(huán)節(jié)，設(shè)計實踐教學(xué)目標(biāo)如下。

目標(biāo)一，重要知識點的強化。掌握機器人機構(gòu)的基本原理和建模方法，重點掌握空間變換、機器人運動學(xué)及動力學(xué)建模，通過實驗演示幫助學(xué)生建立系統(tǒng)完整的基礎(chǔ)理論體系。

目標(biāo)二，理論知識的靈活運用。能夠綜合專業(yè)基礎(chǔ)知識、建模方法等對實際中的移動機器人、機械手臂等進(jìn)行控制學(xué)建模。能夠運用相關(guān)理論知識針對實際使用需求設(shè)計出解決方案，對機器人控制問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合分析和設(shè)計。

目標(biāo)三，發(fā)散性工廠任務(wù)解決方案設(shè)計。了解機器人行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，學(xué)習(xí)了解機器人行業(yè)內(nèi)的新技術(shù)新方法，能夠系統(tǒng)靈活的運用所學(xué)知識提出創(chuàng)新性分析和見解，設(shè)計完成演示實驗。

2.2 “機器人學(xué)”課程實踐環(huán)節(jié)設(shè)計

結(jié)合教學(xué)目標(biāo)以及機器人工程實驗室配套設(shè)備，設(shè)計實踐環(huán)節(jié)包括如下內(nèi)容：

（1）基礎(chǔ)理論演示環(huán)節(jié)。機器人工程實驗室現(xiàn)有六足機器人（如圖1a）和移動平臺機器人，用于完成基于移動平臺運動學(xué)及控制學(xué)演示實驗，以及智能機械手臂（如圖1b）用于空間變換、軌跡規(guī)劃動力學(xué)建模等教學(xué)內(nèi)容演示實驗。設(shè)備配有基于Linux 系統(tǒng)的上位機實驗平臺，通過演示環(huán)節(jié)加深對于理論中關(guān)節(jié)參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)以及算法邏輯的理解。

圖1 演示實驗平臺

（2）課題形式的實驗任務(wù)設(shè)計。工業(yè)現(xiàn)場制造中機械臂發(fā)揮著舉足輕重的作用，常出現(xiàn)單機械臂的精加工作業(yè)或多機械臂的協(xié)作任務(wù)。針對本課程在機器人實驗室布置了多臺開放式機械臂，用于學(xué)生進(jìn)行基于工業(yè)現(xiàn)場的任務(wù)模擬及設(shè)計。學(xué)生可選工業(yè)現(xiàn)場任務(wù)如汽車零件裝配（圖2）、象棋智造生產(chǎn)線（圖3）等。

圖2 汽車裝配實驗平臺

圖3 象棋智造生產(chǎn)線

課程實踐環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容有多項，見表1。通過現(xiàn)場任務(wù)的設(shè)計，如智能分撿設(shè)計、汽車組裝流水作業(yè)、精加工路徑規(guī)劃等，學(xué)生可根據(jù)興趣分組選擇完成實驗任務(wù)。進(jìn)而實現(xiàn)面向智慧工廠的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)設(shè)計，融合課程核心理論，運動學(xué)、動力學(xué)、控制及軌跡規(guī)劃，更能夠加強學(xué)生對于理論知識的掌握和理解。在未來，還需要擴展更多的配套課題，如數(shù)字孿生、機器視覺等，為學(xué)生提供更多的實踐機會。

表1 實驗項目表

3 教學(xué)效果分析

在新一輪教學(xué)任務(wù)開始之前，分別選出若干名已修過“機器人學(xué)”課程的2020 級學(xué)生以及未開始課程學(xué)習(xí)的2021 級以及2022 級學(xué)生進(jìn)行實驗環(huán)節(jié)設(shè)計合理性考核。主要檢驗自主設(shè)計環(huán)節(jié)的可操作性，在實驗過程中學(xué)生結(jié)合具體工廠任務(wù)自行設(shè)計生產(chǎn)線。如圖4 所示，學(xué)生搭建的物流分撿工作臺。

圖4 學(xué)生自建分撿工作臺

在演示實驗環(huán)節(jié)，學(xué)生基本在4 個學(xué)時內(nèi)可以完成軟件基礎(chǔ)操作學(xué)習(xí)以及2 項機器人平臺的操作演示；在驗證性實驗環(huán)節(jié)，學(xué)生利用1 個學(xué)時學(xué)習(xí)軟件操作，另用3 個學(xué)時可完成1 項工廠任務(wù)設(shè)計實驗。因此，本實踐環(huán)節(jié)設(shè)計具備操作性，并且能夠涵蓋重點理論知識的應(yīng)用。

4 結(jié)語

通過分析當(dāng)前“機器人學(xué)”課程及實驗環(huán)節(jié)特點，總結(jié)出實踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在的突出問題，提出了以“智慧工廠”為需求任務(wù)背景的創(chuàng)新性實驗環(huán)節(jié)設(shè)計改革方案，完善了當(dāng)前“機器人學(xué)”課程教學(xué)體系建設(shè)，使教學(xué)任務(wù)更加貼合以為智能制造行業(yè)提供創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，為學(xué)生牢固掌握并應(yīng)用理論知識提供創(chuàng)新平臺。