應用型本科工業機器人控制課程教學改革

劉娣　劉坤　溫秀蘭

摘 要 針對應用型本科院校自動化（機器人）專業方向工業機器人控制課程的教學目標和需求，對工業機器人控制課程理論及實踐教學方法和考核方式進行改革探索，對課程設置和實踐安排提出具體的改革措施，課程改革成果在教學應用中取得較好的效果，培養了學生的實踐創新能力，激發了學生的學習主動性。

關鍵詞 工業機器人控制；教學改革；課程建設

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）04-0097-03

Abstract According to the industrial robot control course teaching goals and needs of automation-robot major for application-oriented

institute， the reform and exploration methods of theory teaching and

practical teaching for industrial robot control course is discussed. The optimization measures of curriculum and practical arrangements are given. The result of curriculum reform has been applied in tea-

ching and good effect is obtained. It is useful to cultivate the student

practice and innovation ability， and to stimulate the students learning

initiative.

Key words industrial robot control； teaching revolution； course con-

struction

1 前言

近年來，隨著制造業的快速發展，勞動力成本不斷提高，工業機器人在全球范圍內的需求急速增長，企業對高層次機器人專業技術人才的引進也將不斷增加，如何培養高質量的機器人專業技術人才成為相關高校所面臨的共同問題[1-3]。南京工程學院在2013年招收了第一屆自動化（機器人）專業方向的本科生，目的在于培養高層次機器人專業技術應用型人才，能從事機器人系統設計與開發、技術集成，系統安裝、運行、維護和技術管理等方面工作。在開設的相關課程中，工業機器人控制是自動化（機器人）專業方向的一門重要的專業課程，為進一步提升教學品質、完善教學策略。本文在對工業機器人控制課程教學大綱及教學現狀進行分析的基礎上，對其理論教學、實踐教學以及課程考核方式進行改革探索。

2 課程特點及教學目標

課程特點 機器人控制系統在很大程度上決定了機器人的功能和性能。機器人控制涉及自動控制、計算機、傳感器、人工智能、電子技術和機械工程等多學科的內容。工業機器人控制技術的主要任務是控制機器人在工作空間中的運動位置、姿態、軌跡、操作順序及動作時間等。課程主要目的和任務是通過對工業機器人控制系統基本理論和最新進展的介紹，使學生掌握工業機器人常用的控制方法以及智能控制方法。

相比于研究生階段開設的相關課程，本科階段開設的工業機器人控制課程更注重應用實踐能力的提高，在一定程度上弱化理論研究；同時，與高職院校開設的機器人控制實訓課程也不同，應用型本科階段開設的工業機器人控制課程應使學生在掌握控制理論知識的基礎上，具備較高的提出問題、分析問題、解決問題的能力[4]。因此，在課程內容設置上，要兼顧理論學習與實踐操作的有效融合與滲透。

教學目標 工業機器人控制課程的教學目標是要求學生掌握機器人運動學和動力學基礎、機器人控制基礎、機器人的位置控制和力控制、機器人智能控制技術、機器人軌跡規劃等，要求學生不僅具備一定的理論分析能力，也要具備較高的解決實際問題的能力，使學生既不浮于理論之上而導致難以學以致用，也不會因為理論知識儲備不足而導致難以具備以后繼續學習的能力。

3 課程改革措施

南京工程學院自動化學院的工業機器人控制課程共48學時，其中理論教學40學時，實踐教學8學時，是自動化（機器人）專業方向本科生的必修課程。工業機器人控制課程兼具理論學習與實踐操作的教學要求，針對這一特點，在教學過程中，理論上應以引導為主，突出重點，做到深入淺出；而不是要求學生全盤推導復雜公式，否則可能導致學生在學習之初便難以理解而失去學習興趣。在實踐操作環節，應結合已講授過的理論知識幫助學生理解機器人動作的原理與含義，將相關的運動學、動力學、控制方法、軌跡規劃、傳感器等知識有效滲透在實踐操作過程中，而不是僅僅要求學生按照實驗步驟完成機器人動作。理論學習與實踐操作的相互滲透、相互結合，可幫助學生更深入理解機器人理論知識，同時加強學生的動手實踐能力[5]。

理論教學方法改革 在40課時的時間里要完成工業機器人運動學、動力學、軌跡規劃、位置控制、力控制、智能控制等方面的教學內容，知識點繁多，且其中不乏煩瑣的公式推導。因此，要能夠在有限的時間內讓學生掌握關鍵知識點，教學內容的合理安排尤為重要，可從以下幾個方面來進行理論教學的改革探索。

1）架構課程知識體系?？梢栽诰w論部分通過給學生簡單介紹工業機器人的工作過程，將后續要學習的相關知識點都容納進來，給學生提供一條學習的主線，首先架構出完整的知識體系。如對于工業機器人的工作過程，簡言之，就是通過規劃，將要求的工作任務變為期望的力和運動，由控制環節根據期望的力和運動信號，產生相應的控制作用，以使機器人輸出實際的力和運動，進而完成期望的工作任務；工業機器人實際運動的情況通常還要反饋給規劃級和控制級，以便對規劃和控制的結果做出適當的修正優化。工業機器人的這一工作過程如圖1所示。

在上述概念中，自然地涵蓋了課程的關鍵知識點，如何才能在工業現場實現機器人的上述動作過程？這一問題的提出，可大大激發學生的學習興趣，若能配合相關的視頻、動畫、框圖進行講解，可進一步幫助學生了解課程內容與工業現場之間的關系，進而架構更完整的知識體系。

2）打牢數學基礎。工業機器人控制技術涉及多種坐標系以及復雜的姿態變換、坐標變換等，這部分內容是課程重要的數學基礎。一些重要概念一定要講解透徹，如旋轉矩陣的多種表示方法、齊次變換矩陣的含義等，可借助多媒體課件加深學生對各種變換的掌握。具體的公式不要求學生記住，但是一定要理解其含義，在此基礎上進一步講解通過MATLAB仿真軟件完成相關計算的方法。也就是說，這部分內容要側重講解變換方法與MATLAB實現方法，弱化具體的運算。

3）控制方法要具體可行。工業機器人控制系統的構成包括中心控制器、驅動電路、電動機、減速器、傳感器、相關硬件和軟件等組成部分，對于多變量、非線性、耦合的復雜機器人系統，其控制方式也與一般伺服系統不同，控制方法的好壞是系統性能優劣的關鍵因素。盡管很多研究者對機器人的高級控制方法進行了很多研究，如變結構控制、自適應控制、智能控制等，但這些更多地偏重于理論與仿真研究，對于應用型本科院校的學生來說，在工業機器人控制這門課程的教學過程中，切不可讓學生脫離機器人本體而僅浮于理論研究之上進行學習，應緊密結合機器人本體進行教學，從模型建立、模型簡化、電動機伺服控制原理、電動機轉速調整、單關節控制、多關節控制的耦合與補償等各個方面講解工業機器人控制系統的基本原理。可以講解經典機器人案例的控制方法，如PUMA機器人，其伺服控制組成結構、位置控制系統實現原理、單關節控制、多關節控制等各個方面的內容都與機器人本體緊密相關，這種具體性、可實現性也可在一定程度上增強學生學習的信心。在此基礎上引導學生深入學習一些機器人高級控制算法，并通過MATLAB對算法性能進行仿真對比，進一步掌握機器人各種控制方式的特點與控制算法的優劣。

實踐教學方法改革 在實踐教學部分，南京工程學院自動化學院采用的實驗設備是匯博六自由度模塊化可拆裝串聯機器人，該設備6個自由度的每個模塊可以獨立運行操作，并能按照統一接口任意組合成2～6自由度機器人。工業機器人控制課程的實踐側重于機器人運動學、動力學研究、驅動源電氣參數的設置、機器人程序的編寫、基于控制卡鏈接庫和機器人鏈接庫的VC編程等方面。

1）拓展實踐教學內容。

首先，常規的示教、搬運裝配等實驗是大綱中要求的實驗內容，為進一步提升學生對機器人工作原理、工作方式的認知程度，應結合實驗設備進一步拓展實踐教學內容。6個模塊多樣化的結構均體現了工業機器人的特點，涉及諧波減速、行星減速、同步帶傳動、蝸輪蝸桿傳動以及齒輪傳動等工業機器人常用的結構形式，因各模塊均為透明封裝，便于了解其具體結構原理，故可將其與實驗室已有的搬運、焊接等工業機器人結合起來進行講解，幫助學生掌握工業機器人的機械結構與傳動原理。

其次，產品設備提供了控制卡鏈接庫函數和機器人動態鏈接庫，因此，要求學生在掌握控制卡鏈接庫函數和機器人鏈接庫函數的功能及調用方法基礎上，能實現對機器人的二次開發，實現機器人復位、單軸運動、狀態檢測等多種控制，而不僅限于能操作設備自帶的軟件界面。

最后，實踐環節還應設置相關的MATLAB仿真實驗，將一些控制算法與工業機器人對象相結合，借助MATLAB軟件對機器人的動力學特性進行分析，實現對機器人的仿真控制，通過直觀的圖文可以加深學生對控制算法的理解，動畫仿真結果也可大大激發學生的學習興趣。

2）實踐考核方式多樣化。在實踐環節，教師應進一步優化實踐考核評價體系，各環節的考核方式均應靈活多變，注重培養學生的創新能力。雖然大綱上已安排了具體的實驗，但在實驗過程中，仍然應根據學生的學習能力對其進行引導，鼓勵學生積極思考，利用實驗室現有設備提高自己對知識的綜合應用能力，而不受限于僅完成已有實驗項目。同時，應鼓勵學生參加各種機器人大賽，在實踐中綜合運用各學科知識，提升知識應用的能力。將這些納入實踐環節的評價體系中來，可以增強學生學習的主動性。

4 結束語

通過對工業機器人控制課程理論環節和實踐環節教學方法及考核方式的不斷改革創新，在教學過程中取得一定的效果，改革成果在實際教學中的應用為培養自動化（機器人）專業方向的優秀人才打下堅實的基礎。隨著機器人技術的快速發展及企業對高層次機器人專業技術人才的大量需求，南京工程學院自動化學院將進一步完善工業機器人課程創新教學平臺，進一步突出素質教育和工程應用能力的培養，注重學生學科知識、工程能力和專業素質的協調發展，讓學生能以工程項目為背景，在工程應用中更深刻理解機器人控制理論知識，提升解決實際問題的能力和創新能力。

參考文獻

[1]王建文，王劍，馬宏緒.“機器人控制”課程建設研究[J].電氣電子教學學報，2013，35（6）：4-6.

[2]程仙國，孫慧平，李占濤.《工業機器人技術》課程教學改革與實踐[J].寧波工程學院學報，2015，27（4）：104-108.

[3]李慶齡.應用型本科工業機器人課程教學改革的探索與實踐[J].中國教育技術裝備，2013（21）：93-95.

[4]劉娣，許有熊，朱松青.應用型本科院校機器人課程教學探索[J].中國現代教育裝備，2015（21）：84-86.

[5]郭艷婕，桂亮，金悅.基于本科生的機器人實驗教學的實踐與探索[J].實驗室科學，2015，18（1）：131-134.