新工科背景下高校機器人控制課程的實驗教學研究及探討

代愛妮 劉競 王蕊

摘要：為適應新工科背景下高校對機器人實踐教學內容的要求，本文基于產、學、研新模式，設計了適合本校《機器人控制與應用編程》課程的系統化實踐教學內容。主要包括基于STM32單片機的教學機器人控制實驗、基于Matlab的教學機器人的運動仿真實驗，基于RobotStudio的ABB工業機器人控制實驗。本研究所設計實驗內容具有開放性及拓展性，經本校實驗教學驗證，可加深學生對于機器人專業理論知識的理解和實踐動手能力的培養。本文研究可為開設該課程的同類院校提供一定的參考。

引言

目前我國機器人領域人才供求失衡嚴重，機器人的需求增長與企業缺乏技術人才的矛盾日益凸顯，社會亟需培養具有機器人相關專業知識和實踐能力的專業人才。研究如何在新工科背景下發展機器人教育，以及如何規劃機器人控制類課程的實驗內容，并由此探討適合本校學生特點的實驗教學方法，從而形成系統的機器人實踐教學流程，增強學生動手實踐能力具有非常重要的意義。

1 國內外研究現狀

目前，我國高校機器人專業教育仍然處于初步發展階段，較多研究者提出了機器人教育策略和對學生創新能力、科學素養和工程意識等方面的積極影響。遼寧大學物理學院的許超等學者通過搭建模塊化機器人教學平臺分層次地引導學生進行機器人創新實踐，可使學生快速了解并學習機器人。中國礦業大學沈剛等為并聯機器人在機械工程實驗教學中的應用提供了一種新的方法。沈紅芳、印松等學者開發了一套工業機器人綜合訓練平臺，教學效果良好。吉林大學王林等學者探索了基于Labview的LEGO NXT機器人在控制類教學中的應用。上海工程技術大學王曉軍老師根據本校學生特點把服務機器人和工業機器人有機結合在一起對該課程設計了8個綜合實驗，共60學時。南京大學金陵學院呂琴老師對如何上好機器人技術與實驗課程進行了探討。但部分高校的課程實驗方案品牌專業性強，不利于普通高校機器人教育形成系統的教學流程。

針對以上調研，本文結合本校學生特點及課程性質，提出探討適合本校學生的《機器人控制與應用編程》課程的實驗內容及規劃，以期給開設該課程的同類院校提供一定的參考。

2 教學機器人實驗平臺

本課程采用的教學機器人實驗平臺為青島英谷教育科技有限公司研制。其主體是一個六軸機械手臂，以STM32F103RB單片機為控制系統核心，通過對該單片機編程，可以實現機械手臂的伸縮、旋轉和上下移動等動作。

該平臺不僅能使學生了解機器人的關節結構，而且硬件接口豐富，可方便二次開發，教學針對性強，使學生能快速掌握機器人的關節變化及運動軌跡等，提高實踐動手能力。

3 研究內容與研究路線

《機器人控制與應用編程》是我校面向機器人、機械電子等專業的本科生新開設的一門專業基礎課，理論學時32學時，實驗學時24學時。針對我校學生學習特點，本研究基于產、學、研新模式，設計了六軸教學機器人的單片機控制與Matlab仿真實驗、以及基于RobotStudio的工業機器人控制與仿真實驗（9個實驗項目，共24學時）。

第一部分實驗內容1～3是基于教學機器人實驗平臺設計的機器人控制實驗，培養學生熟悉并理解機器人硬件結構及機器人舵機控制原理，進一步提升學生對PWM控制原理和舵機控制程序的優化編程能力，同時掌握上位機與機器人控制器通信。

第二部分實驗4～5是關于機器人坐標變換、D-H參數、運動學及動力學分析仿真，通過仿真，學生可更形象的理解本教材中的相關理論知識。例如，學生比較難理解的矩陣變換過程，以及機器人手腕結構。盡管教師可以按課本講解的很詳細，但大部分學生還是不能很好地理解機器人手腕的翻轉、俯仰、偏轉的具體位置和方向，想象不出關節旋轉角度為 360°是怎樣的。通過第一部分基于教學機器人的實驗，利用實物立體展現所學內容，使學生對機器人系統有一個整體認識，再進行第二部分基于Matlab的機器人系統建模與控制仿真實驗，進一步加深理解教學機器人的結構及控制。通過仿真實驗可以輔助學生正確地理解理論教學中的機器人運動學正問題及逆問題的方程推導。

第三部分實驗內容5～7基于RobotStudio的工業級機器人仿真實驗，著重培養學生關于工業機器人的控制、設計和應用方面的能力。

最后階段學生再去企業進行工業機器人的控制實訓。

通過硬件操作，再進行機器人仿真，然后再到企業實訓，這種由淺入深、循序漸進、有實物有理論的實驗方法可以避免空洞的理論講解，通過親自實踐有效提高學生掌握機器人編程和應用技術的能力，達到用人企業對相關人才的要求。

4 總結

本研究基于教學機器人實驗平臺，設計了《機器人控制與應用編程》課程的實踐教學內容，加深了學生對于理論教學內容的理解。另一方面，工業機器人設備昂貴，通過ABB工業機器人控制與示教編程實驗設計，可有效解決我校當前實驗室工業機器人設備不足的問題。在實踐教學過程中，本課程所設計的實驗使理論過程及實踐結果“情景再現”，可有效鞏固學習效果。此外，無論是教學機器人的開源代碼，還是Matlab及ABB工業機器人的控制仿真實驗均具有開放性及拓展性，該研究內容不僅為課程實驗、也為課程設計和畢業設計增加很多動手實踐機會，從而可有效培養學生創新思維。

參考文獻

[1]《機器人控制器編程與應用》：青島英谷教育股份有限公司著，西安電子科技大學出版社，2018.2

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[3]許超，單晶，宋飛，等.模塊化機器人平臺的創新實驗設計與實現[J].遼寧大學學報：自然科學版，2018，45（2）：4.

[4]沈紅芳，印松，王廷軍.基于工程教育認證的《工業機器人項目綜合訓練》課程改革與探索[J].中國教育信息化，2021（12）：4.

資助項目：青島農業大學實驗技術研究課題資助（ SYJK19-05）

*第一作者及通訊作者簡介：代愛妮（1977-），女，青島農業大學講師，研究方向：智能控制、機器人，E-mail：daiaini@qau.edu.cn