《工業機器人技術》課程教學改革

黎萍　劉保軍　于楚泓

摘要：《工業機器人技術》是一門多學科交叉的、理論與實踐結合緊密的課程。本文結合《工業機器人技術》課程特點和教學中存在的若干問題，提出建立貫穿教學內容的主線，改善實踐條件和鼓勵自我探索的改革措施。實踐表明這些改革措施是合理的，并在教學中取得了良好的效果。

關鍵詞：工業機器人；教學改革；應用型本科

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）25-0074-02

當前，世界范圍內新一輪科技革命和產業變革加速進行，國家實施創新驅動發展、“中國制造2025”、“互聯網+”等重大戰略，機器人技術專業領域的人才需求愈趨旺盛，因此培養具有創新性，符合社會實踐崗位的人才是當前應用型本科院校進行《工業機器人技術》課程教學改革的核心。

一、《工業機器人技術》課程教學現狀

《工業機器人技術》是機電一體化、自動化等相關專業的專業方向課之一，涵蓋機器人結構、機器人運動學、動力學、軌跡規劃、機器人控制等內容[1][2]，涉及機械原理、機械設計、電子電路技術、自動控制原理、傳感器技術等知識，是一門多學科交叉、理論與實踐緊密結合的課程，對培養學生機電一體化、自動控制技術的綜合實踐能力具有重要意義。

目前我院的機械設計及其自動化專業和自動化專業均嘗試開設《工業機器人技術》課程，課程被安排在第七學期開課，理論32課時，實踐8課時，在教學過程中主要存在問題如下：

1.課程需要的先學知識欠缺。學生在學習《工業機器人技術》這門課程之前，需要具備一定的機械結構和控制理論方面的基礎知識，而大部分應用型本科院校中，機械設計及其自動化專業和機電一體化專業的同學具有力學、運動學、機械結構、電工、電子方面的知識卻缺乏控制理論的基礎知識，自動化專業的同學具有控制理論、電機拖動、信號與系統等方面的知識卻缺乏力學、機械結構方面的知識，導致在這些專業開設《工業機器人技術》都有不少的障礙，學生難以對課程產生整體認識。

2.缺乏適合的教材。應用型本科院校以本科教育為主，面向區域經濟社會，以學科為依托，以應用型專業教育為基礎，以社會人才需求為導向，培養高層次應用型人才，要求學生具有一定的理論素養，以滿足應用所學理論知識進行科技創新的需要，同時要求學生掌握本專業相關技術，具有較強的實踐動手能力。工業機器人的相關教材有的偏重理論講解，而有的教材卻流于產品說明或用戶指南[3]，難以適應應用型本科學生的特點與教學需求。

3.涉及的概念抽象。工業機器人的控制以運動學和動力學為基礎，這就離不開D-H坐標系的建立和空間坐標的變換，即使能讓學生看到機器人實體也難以直觀展現抽象的坐標系、工作空間、關節空間等概念。此外運動學、動力學方程的推導、微分運動分析等抽象、復雜的數學推導很容易讓學生望而卻步，喪失學好該課程的信心，不利于課堂教學的開展[4]。

4.實踐條件缺乏。目前的工業機器人產品缺乏規范性，品牌繁雜且互不兼容，開放程度較低，因此如何選擇具體的工業機器人進行實踐教學也是面臨的一個難題，而且機器人造價不菲，受資金和場地等條件的制約，構建專門的機器人實驗室的成本太高，這就造成了目前這門課程的實踐條件缺乏，實踐環節難以開展，無法充分調動學生的學習熱情。

二、改革措施的探索

《工業機器人技術》的教學目的包括：使學生了解有關機器人技術方面的基本知識和機器人學的基本原理和方法，掌握機器人所涉及的基本理論和關鍵技術，培養學生綜合運用所學基礎理論和專業知識解決專業領域內實際問題的能力，為此對課程進行如下三個方面的改革。

1.建立貫穿教學內容的主線。坐標變換、運動學、動力學、機器人本體結構、機器人控制是《工業機器人技術》的關鍵部分，為了讓學生將零散的知識有個整體的認識，先從機器人的機械結構入手，講解機器人三大組成部分（機械部分、傳感部分、控制部分）的關系[5]。由于機器人控制的本質是對下列方程式的雙向控制[2]：

V（t）？圮T（t）？圮C（t）？圮θ（t）？圮X（t）

（其中：X（t）為末端執行裝置的狀態，包括位置、姿態和開閉狀態等，θ（t）為關節變量，C（t）為作用在各關節上的力矩矢量，T（t）為各傳動電動機的力矩矢量，經過變送器送到各個關節，V（t）為施加在電動機上的電流或電壓矢量。）

以機器人雙向控制方程式為主線，以典型機器人（如PUMA560）為例，對坐標變換、運動學、動力學、軌跡規劃、機器人控制系統進行由淺及深的講解，明確各個部分內容在上述控制方程式中的作用，先對機器人控制有個全局的了解，再細化到實現機器人控制的每一個層級，帶著問題一層一層剖析，整個課程的學習就連貫起來了，而且學生也能明白地知道每次課在整個機器人控制中的位置，目標明確了，更能調動學習的主動性和積極性。最后，結合授課老師的科研項目或對具體對象控制過程的相關視頻資料，展開典型工業機器人的應用分析，如噴涂、焊接、碼垛機器人，使學生對所學基礎內容的工程應用有深入的了解和直觀的認識。此外，在課程授課過程中穿插與課程內容有關的機器人最新研究成果，比如本田公司的雙足機器人、用于軍隊和康復治療的穿戴式機器人等，不僅對于提高同學們的學習興趣有一定的幫助，而且能拓寬同學們的視野，提高其領悟力。

2.改善實踐條件。工業機器人的實踐環節作為《工業機器人技術》教學體系中的重要組成部分，將學生的綜合素質培養和創新能力培養作為核心，在加強學生對基礎理論知識理解的同時，更培養學生運用所學知識的實踐操作能力和創新能力。工業機器人的認識實驗共2學時，主要以實驗室現有的6軸工業機械手為對象，了解工業機器人基本結構與工作原理，熟悉機器人機械結構特點、電氣線路硬件情況及手動運行機械臂，觀察關節運動情況。機器人的運動學、動力學、軌跡規劃和運動仿真共4學時，利用MATLAB的robotics toolbox實現[6]，利用ADAMS軟件強大的仿真模塊，在Simulink中實現對虛擬樣機的控制操作，最后安排2學時到校外企業觀摩工業機器人的工程應用，增強對所學知識應用場景的切身體驗。后繼的工業機器人技術實踐環節擬引入ABB公司的Robot Studio建立工業機器人離線編程示教工作站[7]，以數字化工廠為實踐平臺，增加學生的動手實踐、創新的機會。

3.鼓勵自我探索。哈佛前校長認為，教學內容固然重要，但對于學生影響更為深遠的是教學方法[8]。《工業機器人技術》是一門較難的課程，通過前述機器人雙向控制方程式將分散的知識點貫穿成一整體，幫助同學明確每一部分在整個機器人控制中的作用，每開始新的知識點前，必用啟發式的問題，引導學生思考在已有知識的基礎上，如何往下一步展開，從而引起學生的學習興趣，鼓勵學生在課后搜集相關資料，主動尋找答案。以參與期末綜合評分作為激勵，分組在課堂上展開討論，最后由老師對研討情況進行點評、總結和補充講解，讓學生帶著問題學習，充分調動學生的學習積極性，通過這個過程，學生的自我學習、探索和創新能力可以得到有效培養。

三、結語

《工業機器人技術》對學生難，對授課老師也是很大的挑戰，由于沒有完全適應的教材，授課老師需要根據教學目標選定的授課內容，引入緊跟時代潮流的知識豐富教學內容，整理講義，選擇能激發學習興趣的教學方法，有效培養學生的綜合應用所學知識解決實際問題的能力和工程實踐能力，這個過程永無止境。課程教學改革是一個長期、不斷深化的過程，相信在后續的教學過程中會有不斷的改進和完善。

參考文獻：

[1]李團結.機器人技術[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2]蔡自興.機器人學基礎[M].北京：機械工業出版社，2015.

[3]于霜.高職院校工業機器人創新實踐教學研究[J].科技創新導報，2015，12（20）：25-25.

[4]黃用華.理工科高校《工業機器人》課程教學改革淺析[J].科技信息，2012，（21）：20.

[5]于楚泓.《工業機器人技術》課程教學改革探索[J].科技風，2017，（8）：54-54.

[6]謝斌.基于MATLAB R obotics Toolbox的機器人學仿真實驗教學[J].計算機教育，2010，（19）：140-143.

[7]高慧.工業機器人離線編程技術課程教學創新[J].佳木斯職業學院學報，2017，（7）.22-24.

[8]戴敏，張志勝，史金飛.大學生創新與實踐能力培養的探索——“教育機器人設計與制作綜合實踐”課程建設的一點體會[J].東南大學學報：哲學社會科學版，2008，（s1）：259-261.