我校“機(jī)器人控制”課程建設(shè)的一些舉措

王建文，何曉峰，沈 輝，馬宏緒

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

在高校開(kāi)設(shè)“機(jī)器人控制”課程對(duì)學(xué)生的教育具有非常重要的意義。該課程是形象思維培養(yǎng)的媒介，也是動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的平臺(tái)，通過(guò)實(shí)踐，能夠讓學(xué)生學(xué)到很多書本上沒(méi)有的知識(shí)[1，2]。

1 機(jī)器人課程現(xiàn)狀

為了解國(guó)內(nèi)外高校開(kāi)設(shè)機(jī)器人課程的現(xiàn)狀，有必要介紹美國(guó)著名高校的機(jī)器人課程:①M(fèi)IT的機(jī)器人課程是本科生必修課程，課堂講解34個(gè)學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)22個(gè)學(xué)時(shí);②Stanford大學(xué)的機(jī)器人課程也是本科生必修課程，教學(xué)形式是課堂講解和閱讀，總學(xué)時(shí)數(shù)為43個(gè)學(xué)時(shí);③CMU的機(jī)器人課程也是本科生的必修課程，課堂講解每周1.5個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)每周1個(gè)學(xué)時(shí);④UC-Berkeley的機(jī)器人課程是研究生的必修課程，課堂講解每周3個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)每周1個(gè)學(xué)時(shí)，課堂討論每周1個(gè)學(xué)時(shí);⑤CIT的機(jī)器人課程是本科生的必修課程，教學(xué)形式是課堂講解、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課堂討論相結(jié)合，總學(xué)時(shí)數(shù)為42個(gè)學(xué)時(shí)。此外，MIT的機(jī)器人課程教學(xué)還非常注重實(shí)踐，學(xué)生在學(xué)習(xí)每門課程的過(guò)程中均要展示自己設(shè)計(jì)的機(jī)器人[3]。

在國(guó)內(nèi)，哈爾濱理工大學(xué)對(duì)“機(jī)器人控制技術(shù)”課程的建設(shè)做了大量工作:①制作了豐富多樣的多媒體教學(xué)課件;②設(shè)計(jì)了貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程的教學(xué)案例;③利用交互式提問(wèn)和類比等方式加強(qiáng)分析討論，培養(yǎng)了學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的理念;④開(kāi)發(fā)了設(shè)計(jì)型、研究型實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)了研究式教學(xué)，為學(xué)生提供了理論聯(lián)系實(shí)際的平臺(tái);⑤制定了合理的考核指標(biāo)和監(jiān)督體系，保證了課程建設(shè)的質(zhì)量;⑥采用了現(xiàn)代信息技術(shù)支撐課程建設(shè)。

我校于1987年開(kāi)始從事機(jī)器人研究工作，在仿人機(jī)器人、四足仿生機(jī)器人、履帶地面移動(dòng)機(jī)器人、足球機(jī)器人和無(wú)人飛行器等方面都取得了卓越成績(jī)。其中，仿人機(jī)器人研究一直處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，履帶地面移動(dòng)機(jī)器人和足球機(jī)器人多次參加國(guó)內(nèi)、國(guó)際機(jī)器人大賽，獲得了多項(xiàng)大獎(jiǎng)。在機(jī)器人課程教學(xué)方面，我校也開(kāi)設(shè)了一系列機(jī)器人課程，如“機(jī)器人控制”課程是控制科學(xué)與工程學(xué)科研究生的選修課程，共計(jì)36學(xué)時(shí)。課程教學(xué)30學(xué)時(shí)，實(shí)踐教學(xué)6學(xué)時(shí)。選用了文獻(xiàn)[4]作為本課程教材。實(shí)踐教學(xué)中，要求學(xué)生參觀機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，安排與機(jī)器人專業(yè)高年級(jí)研究生及教師討論機(jī)器人相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。

我校的“機(jī)器人控制”課程存在以下一些不足:①缺少適用于課程教學(xué)的多媒體教學(xué)課件;②缺乏適用于實(shí)踐教學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真模擬設(shè)備。針對(duì)這一現(xiàn)狀，我校從整體上提出了如下的課程建設(shè)方案。

2 “機(jī)器人控制”課程建設(shè)方案

2.1 課程教學(xué)方案

(1)系統(tǒng)組織課程教學(xué)內(nèi)容—課程教學(xué)內(nèi)容首先沿兩條線進(jìn)行組織。其中一條線講解如何利用齊次坐標(biāo)和齊次矩陣來(lái)描述剛體上一點(diǎn)的位置和速度，另一條線講解如何利用旋量和矩陣指數(shù)來(lái)描述剛體上一點(diǎn)的位置和速度。通過(guò)上述類比，學(xué)生很容易接受旋量和矩陣指數(shù)這種描述形式。然后，課程教學(xué)內(nèi)容以旋量和矩陣指數(shù)為數(shù)學(xué)工具逐步展開(kāi)，從單剛體逐漸延拓到多剛體，分別描述了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型。最后，課程教學(xué)內(nèi)容跳出剛體模型描述范疇，回歸到控制學(xué)科的核心:控制問(wèn)題上，以機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了三種控制算法。

(2)明確課程教學(xué)知識(shí)點(diǎn)—課程教學(xué)知識(shí)點(diǎn)主要包括剛體上一點(diǎn)的位置和速度描述、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模和機(jī)械臂控制算法設(shè)計(jì)四部分，這四個(gè)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)以串行方式進(jìn)行組織。

(3)設(shè)計(jì)合理的課程教學(xué)案例—考慮到實(shí)踐教學(xué)只有6學(xué)時(shí)，所以課程教學(xué)案例就以實(shí)驗(yàn)設(shè)備為對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(4)制作多媒體課件—在上述材料均準(zhǔn)備充分后，利用PPT軟件制作了多媒體課件。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備建設(shè)方案

為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力，我校研制了“機(jī)器人控制”課程所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該實(shí)驗(yàn)設(shè)備是一個(gè)四自由度的機(jī)械臂(重3千克，長(zhǎng)0.65米)關(guān)節(jié)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)方式是諧波減速器和齒輪。其中，電機(jī)輸出軸首先連接齒輪，然后齒輪再帶動(dòng)諧波減速器運(yùn)動(dòng);機(jī)械臂前端裝有快速夾持、剪切機(jī)構(gòu)，能夠快速響應(yīng)、捕獲、剪切目標(biāo)，所有線纜均埋藏在機(jī)械臂連桿空腔內(nèi);關(guān)節(jié)控制器基于DSP自行設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)位置反饋、速度反饋和電流反饋控制;選用PC-104小板機(jī)作為主控器，關(guān)節(jié)控制器與主控器間通過(guò)Can總線進(jìn)行通信;機(jī)械臂主控程序采用VC編寫，預(yù)留運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法接口和控制算法接口，供學(xué)生編寫和調(diào)試運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法和控制算法。

2.3 物理概念演示動(dòng)畫建設(shè)方案

“機(jī)器人控制”課程講述的是剛體運(yùn)動(dòng)的表示方法及其應(yīng)用，因此它與實(shí)際系統(tǒng)是緊密聯(lián)系的。如果能夠展示出實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，那么學(xué)生對(duì)抽象物理概念和公式的理解將更加容易和直觀。為了展示出實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在充分利用多媒體課件的基礎(chǔ)上，使用3D Max軟件制作了本課程所涉及到的物理概念的演示動(dòng)畫。

4)機(jī)器人仿真系統(tǒng)建設(shè)方案

“機(jī)器人控制”課程實(shí)踐教學(xué)僅有6學(xué)時(shí)，我校研制了兩套實(shí)驗(yàn)設(shè)備。為了保證每位學(xué)生均能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，本課程采用了Matlab軟件開(kāi)發(fā)機(jī)器人仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)中包含了大量的函數(shù)，這些函數(shù)涵蓋了本課程所有知識(shí)點(diǎn)，使用時(shí)直接調(diào)用即可。另外，該仿真系統(tǒng)還提供了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法和控制算法集成驗(yàn)證環(huán)境，預(yù)留了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法接口和控制算法接口，并能以曲線、圖形形式顯示機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程。這樣，學(xué)生就可以首先利用它來(lái)驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法和控制算法的正確性，然后再在實(shí)際系統(tǒng)上調(diào)試驗(yàn)證[5]，可節(jié)省實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)間。此外，機(jī)器人仿真系統(tǒng)還可以彌補(bǔ)動(dòng)畫演示的不足，用于演示復(fù)雜的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程和實(shí)現(xiàn)交互式仿真演示。

3 結(jié)語(yǔ)

2010年，我校“機(jī)器人控制”課程建設(shè)所取得一些成果已逐步引入到實(shí)際教學(xué)中。實(shí)踐結(jié)果表明該課程建設(shè)方案是成功的，主要表現(xiàn)為:①學(xué)生選修該門課程的人數(shù)從2009年的14人增加到了2010年的19人;②課堂教學(xué)氛圍明顯好轉(zhuǎn)，學(xué)生可以根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容，自己動(dòng)手推導(dǎo)公式;③利用課件授課可以節(jié)約板書時(shí)間，學(xué)生注意力能夠集中在概念理解上;④學(xué)生通過(guò)動(dòng)畫演示，可以擺脫空間想象的束縛;⑤仿真系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以加深學(xué)生對(duì)機(jī)器人及其所包含的理論的理解。

[1]趙弘等.機(jī)器人學(xué)課程教育方法的探討[J].北京:中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2008，11

[2]郝衛(wèi)東，李靜，許敏.機(jī)器人技術(shù)綜合實(shí)踐課程建設(shè)研究[J].桂林:桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(4):

[3]王益，張劍平.美國(guó)機(jī)器人教育的特點(diǎn)及其啟示[J].北京:現(xiàn)代教育技術(shù)，2007，17(11):pp.108-112.

[4]Richard M.Murray，Zexiang Li，S.Shankar Sastry.A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation.CRC Press，1994

[5]張佳，竇麗華，陳杰.機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京:北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，11(2):