以機器人機構設計及控制為載體的機械類專業人才培養模式探究

楊 斌

（泰州學院，江蘇 泰州 225300）

目前國內高校機械類專業學生的課程設置都十分重視理論和實踐結合，積極培養學生的實踐技能，但由于學時和學生層次的限制，許多學校存在理論教學深度不夠，教材內容更新滯后，配套的實驗設施及器材老舊，無法滿足社會及知識更新的需求.同時專業課程設置求全、量多，課程之間聯系不強，實驗、實訓教學通常只針對各獨立專業課程，缺乏關聯多個專業課的綜合性實驗平臺.這些原因導致學生掌握知識片面，缺乏對專業理論課程之間內部關聯的理解，解決實際問題能力欠缺.無法在畢業后滿足社會及企業的要求[1].隨著信息技術的快速發展，當前工程應用各學科及學科內各個專業課程聯系更加緊密，跨學科成為創新的新增長點，科技和社會的進步對機械類專業學生的教學提出了新的要求，社會對創新型人才的需求更加急迫，如何解決這些問題困擾了許多機械類專業的教師.

1 如何滿足工程教育專業認證標準

當前國內大多數高校機械類專業的培養方案都傾向于符合工程教育專業認證標準，制定的培養目標和畢業要求也是遵循這一標準.標準中明確指出了機械類的培養目標是：“培養具有較寬厚的基礎理論和較扎實的機械設計、制造及自動化的專門知識，能在機械工程及自動化領域從事工程設計、機械制造、技術開發、科學研究、生產組織和管理等方面工作的工程技術人才”[3].畢業要求中明確了知識要求、能力要求、工程要求、特別要求四個要求.如何在有限學時和不增加學生負擔的情況下，滿足認證標準，需要有新的載體將課程體系聯系起來.

機器人集機械、電氣、傳感、控制、計算機和通信等多學科領域于一體[2]，融軟件與硬件、理論與實踐于一身，是聯系機械類各學科基礎課與專業基礎課，培養學生綜合應用能力和創新實踐能力的理想平臺，是應對上述問題的有效實際載體.

2 以機器人為載體的理論與實踐教學

應用型本科高校機械類專業主要的基礎理論課程、專業理論課程、實踐課程參見表1.不難發現這些課程與機器人聯系緊密，圖1更從層次性、遞進性角度給予了直觀表示.下面以六自由度機械臂各層次設計為例進行說明.

圖1 機器人各設計環節與理論、實踐課程聯系

圖1中右側箭頭表明了各模塊隨著各學期課程的情況逐層遞進，其內在邏輯符合控制規律，即滿足從系統硬件搭建、模塊及整體建模、控制器設計、執行驅動、反饋檢測各階段.各層次右側的雙箭頭表示在學完相應理論后可以進行的機器人各模塊設計及實驗，同時在設計時也能促進對各相應課程內在關系的進一步理解.

2.1 機器人各模塊本體機構設計

表1 機械類專業主要理論和實踐課程及開設時間

本階段主要完成機械臂各模塊的機械設計，包括基座、連桿、手爪.在學習完L1課程后，學生具備了看圖及用計算機實現平面和三維繪圖的能力，L2、L3課程能使學生具備對剛體和彈性物體的受力分析能力，Z1、Z2課程后學生將能設計多桿件的機械臂系統，在修完Z8課程后能完成各關節電機選取.可通過在計機上設計六自由度手臂完成S1課程設計.

2.2 各模塊及整體建模

機械臂是典型的機電一體化系統，除了需要較強機械專業背景外，還要具備電路的分析和設計能力，這需要L4、L5課程的知識，同時當對由各模塊構成的整體機電系統建模時，還需要Z5課程的支撐.本階段的工作和實踐經驗對于基于模型的控制算法設計極為關鍵.

2.3 各模塊及整體控制方法設計

機械臂的控制往往需要建立其運動學方程，有時候還需要構建動力學方程，采用的控制方法通常屬于反饋控制，如PID控制.Z5、Z9課程能使學生具備設計六自由度機械臂控制算法的能力.

2.4 關節驅動模塊設計

機械臂關節運動有液壓、氣壓、電動驅動三種方式.液壓、氣壓驅動系統的組成與工作原理及其常見的驅動設備控制在Z3課程中進行講授.學生在學習完Z4課程后，也將掌握機械臂關節的電動驅動方法.配套的相關實踐課程在S2、S3中進行，課程Z6將使學生具有設計相關驅動模塊的軟、硬件能力.通過該模塊的設計，能將上述課程的理論知識與實踐技能有機地結合起來，實現了體系化.

2.5 檢測模塊設計

要完成機械臂位置、姿態的精確控制和軌跡的快速追蹤，就需要在反饋環節中加入高精度的檢測器件，這里主要采用傳感器.如采用測速發電機測量機械臂關節的運動速度；采用加速度傳感器測量關節的位置[4]；采用腕力傳感器調節手指、手臂的位置，以合適的力度抓取物體.若想進一步提高機械臂的智能控制，還可采用視覺、滑覺、接近傳感器[5].2.6 頂點項目

這里我們引入了國外高校實踐課程最后階段名為“頂點”的項目經驗[6]，讓學生利用設計的機械臂在設定的不同的任務場景下完成隨機任務.它一般歷時一年，通常是動手的、跨學科的和基于團隊的.該項目提供了一個全面的教育環境，使學生能接觸到工程的廣度、發展周期的各個階段，以及管理一個項目組的挑戰.頂點項目的推廣將使學生在畢業時能順利符合工程教育專業認證標準中畢業生的十二項要求.

結論

以機器人機構設計及控制為載體的人才培養模式，能把機械專業的理論知識和實踐技能深度融合，實現了實踐教學的層次性和遞進性，擴展了學生知識的廣度又兼顧了認識上的深度，通過面向具體任務場景的頂點項目，提升了學生利用團隊協作解決復雜工程問題的能力，同時也具備了自主學習和創新能力.