以培養工程實踐能力為目標的機器人課程設置模式

張明德

（重慶理工大學機械工程學院，重慶 400054）

機器人技術一直處于一個國家科學與經濟發展的前沿地位。據聯合國歐洲經濟委員會（UNECE）和國際機器人聯合會（IFR）的不完全統計，世界機器人市場前景看好，從20世紀下半葉起，世界機器人產業一直保持著穩步增長的良好勢頭。進入20世紀90年代，機器人產品發展速度達到了驚人的數字，年增長率平均在10%左右，其中，亞洲機器人增長幅度最為突出，高達43%。圖1為現代機器人發展的幾個主要階段，國際上工業發達國家機器人技術已日趨成熟，無論是在機器人控制方法還是在承載能力方面都總體優于國內很多。我國機器技術發展相對較晚，加之流入國內的相關文獻資料甚少，尚處于發展階段。集自學習、自我修復、自主化作業多功能于一體的機器人研究正以極快的速度在機器人領域大面積鋪開。鑒于此，國外多數知名高校如麻省理工學院、哈佛大學、劍橋大學、耶魯大學等正以一個全新的視角將機器人教學切入到學生的教學實踐中。

因此，培養具有機器人操作、設計、編入程序等綜合能力的學生以服務社會迫在眉睫。為加快我國高校乃至中小學學生與發達國家學生能力培養的同步，結合我國高校的機器人教學課程的實際狀況，架構成套全新的機器人課程設置方案，將理論課時與實驗課時的比重進行了重新調整，期望對提升我國高校學生的綜合能力及適應快速發展的社會提供有益的借鑒。

圖1 機器人主要發展階段

一、國內外機器人教學課程設置對比

（一）國外機器人教學課程設置

國外多數高校對機器人教學課程設置已有一個系統的覆蓋，課程體系較為健全。采用模式非常科學:以講解、實踐、討論為主要方式，讓學生充分了解機器人的誕生與發展，并對機器人的操作有了一個深入的了解，頗有“授之以漁”之意，貫徹了知識傳授的完整過程。

（1）美國麻省理工學院機器人教學課程的講解與實驗占用比例分別為61%和39%。基本上所有的學生都認為課程設置比較合理，能夠激發學生的學習興趣。

（2）英國劍橋大學機器人教學課程的講解、實驗和討論占用比例分別為56%、17%和17%。巧妙地分配了講解、實驗和討論的課時。通過詳細的講授，學生能夠對機器人這個抽象的概念更加具像化，而對機器人運動學、機器人動力學、機器人的空間描述與坐標變換、機器人控制方式和機器人程序設計等系列機器人知識體系有了更為深入的了解。

（二）國內機器人教學課程設置

國內多數高校可能受限于教學條件，普遍采用較為單一的教學模式。單純依靠教師在前面講，學生在下面聽。而教師采用的教材多半還是20世紀系列教材，已遠跟不上現代工廠大規模采用的最新型號機器人。在教師授課的過程中，普遍采用課堂授課方式，較為單一的PPT授課方式更容易讓學生在聽課的過程中走神，處于游離狀態，無法達到最終教學目的。筆者通過在網上查找資料，查詢了多所高校機器人教學課時設置情況。對清華大學、哈爾濱工業大學、上海交通大學、北京航空航天大學、重慶大學5所高校的機器人課程設置情況進行了解，發現這幾所學校的機器人課程理論課占用比例都高于70%，實驗課占有學時相對于理論課較為匱乏。

筆者隨機訪問了本校大一至大三階段的多名學生，從學生的反饋情況來看，90%以上的學生希望能夠親自操作一下機器人以能夠使他們對機器人這個概念有更為詳盡的了解。至于授課方式，多數學生希望采用課堂授課與實驗教學同時進行的方式。這也證實了單一的課堂授課方式已遠跟不上時代的步伐，如何有效提高學生實踐能力以適應高速發展的社會是各個高校需要深思的問題。

二、課程設置方式

國內多數高校采納的機器人方面相關教材主要為蔡自興所編的《機器人學》、霍偉編著的《機器人動力學與控制》、國外Saeed B.Niku所編的《機器人學》翻譯過來的版本。而關于機器人教學課程設置方面，多數高校只在本科階段選修課程有機器人相關課程，可見現階段機器人相關課程并未得到國內高校的普遍重視。根據國內高校的實際情況，調整涉及“機器人”相關課程的設置，主要面向機械制造及其自動化專業、機械電子工程專業及其他相關專業的研究生開設相關課程，針對機器人在機械工程與物流工程領域的特點培養學生在工程領域對機器人的實踐訓練與應用能力。以《機器人學》為例，首先在理論教學過程中講解機器人運動學、運動正反解、空間坐標變換等相關知識，讓學生對機器人控制及運動方式有一個初步的了解。其次，在UG軟件里面按實驗機器人1∶1比例建好機器人相關模型導入VERICUT里面進行運動仿真如圖2所示，并進行對應的實際實驗加工。再次，組織學生對其進行討論，交流怎樣利用機器人相關知識來實現對機器人的控制并進行系列軌跡規劃。最后對應學生所遇到的相應問題進行講解，從而讓學生對機器人相關知識有一個深刻的了解，具體課程體系框架如圖3所示，機器人教學課程設置如表1所示。

圖2 機器人運動仿真及實驗

圖3 課程設置具體框架

表1 機器人教學課程設置及考核方式

在高校里面舉辦類似創新大賽或機器人應用于各個領域的講座，對于學生的成長與發展有著極大的幫助。這樣，可以更容易激發學生創新的意識，對機器人領域的認知有一個更為系統的掌握，為實現“中國夢”奠定扎實的基礎。國內舉辦的許多類似的創新大賽如“挑戰杯”“數學建模”等，都是學生學習機器人知識的很好的平臺。學校應該鼓勵學生多去參加、多去歷練。如果能夠有機器人領域應用方面相關靈感，都可以應用在這些平臺之上。這對于一個學校將一個嶄新的課程作為新的必修課做了一個較好的鋪墊。

三、機器人教學模塊設置

根據市場的詳細調查，機器人課程可對教學重點進行相應調整，以符合當前工業技術研發和生產的實際需求。目前工廠應用較熱門的機器人類型涵蓋搬運機器人、打磨機器人、裝配機器人、激光切割機器人、焊接機器人、自動供料機器人等。機器人研究的熱點集中于三大模塊，因而，可以將機器人課程的教學重點傾向于以下3個子模塊，如圖4。

圖4 機器人教學模塊劃分

（1）“獨立制造”機器人實訓系統包括:六自由度工業機器人、機器人打磨單元、機器人拋光單元、MES系統、生產管理系統、三維掃描快速成像系統。

（2）“生產裝配”機器人實訓系統包括:工業機器人裝配單元、自動供料單元、PLC控制系統、監控系統。

（3）工業機器人生產綜合實訓系統包括:機器人打磨單元、自動供料單元、數控加工中心單元。

按此模式培養，高校培養出的學生可以和工廠所需要的人才更加匹配。

四、結論

機器人技術是近幾年發展起來的前沿技術，是集機械、電子、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現代制造業重要的自動化裝備技術。如何將此前沿技術滲透到高校教學工作中，是各高校所要關心的核心問題。通過機器人實訓平臺教學與實際操作的開展，可培養學生對機器人的操作能力。并可提高高校培養適應制造業轉型升級與制造業發展的高技術人才的能力。本文針對國內高校的現實情況對機器人課程教學提出了系統課時調整措施，有利于提高學生的綜合應用能力。

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