機(jī)器人研究在機(jī)械工程類應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用探索

莊未，黃用華，李雪梅，黃美發(fā)，劉夫云

摘要：圍繞機(jī)械工程類應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，探索機(jī)器人的研究在機(jī)械工程類應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用。以具體科研項目為例，從機(jī)器人軟件仿真和硬件設(shè)計兩方面進(jìn)行了人才培養(yǎng)的改革實踐。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人研究；機(jī)械工程；創(chuàng)新型人才培養(yǎng)

中圖分類號：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）09-0189-03

一、引言

培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才是“十二五”教育的重點。以此為導(dǎo)向，擺脫高校教育一直以來的以教為主、學(xué)生被動學(xué)習(xí)的“填鴨式”教學(xué)局面，燃起學(xué)生學(xué)習(xí)創(chuàng)造的熱情，培養(yǎng)學(xué)生樂于思考的意識和團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神，是高校教育教學(xué)迫切要改革與探索的地方。本文從機(jī)械工程類應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)出發(fā)，結(jié)合學(xué)院具體科研項目的展開和推進(jìn)，探索機(jī)器人的研究在應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用，并從機(jī)器人軟件虛擬樣機(jī)仿真和硬件系統(tǒng)設(shè)計兩方面進(jìn)行了人才培養(yǎng)的改革實踐。

二、機(jī)械工程類應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)

不同類型的人才具有不同的培養(yǎng)目標(biāo)與具體要求，當(dāng)前機(jī)械類學(xué)科的總體培養(yǎng)目標(biāo)[1]是基礎(chǔ)扎實、適應(yīng)性強(qiáng)、整體素質(zhì)高的應(yīng)用創(chuàng)新型人才。這類人才應(yīng)該具備以下素質(zhì)[2]：身心健康，求知欲強(qiáng)，思維敏捷，專業(yè)知識扎實，實踐經(jīng)驗豐富，具有合作意識。

要實現(xiàn)這類人才的培養(yǎng)目標(biāo)，需要從以下幾個方面著手：（1）突出素質(zhì)教育。包括思想文化素質(zhì)與科研工程素質(zhì)。機(jī)械類學(xué)科人才培養(yǎng)的目標(biāo)之一即是將所學(xué)知識有效地轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力的高素質(zhì)工程技術(shù)人才。（2）鍛煉創(chuàng)新意識。目前，我國在向制造業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變過程中需要大量具備創(chuàng)新思維與能力的機(jī)械類人才，服務(wù)于企業(yè)和社會。（3）強(qiáng)化實踐能力。只有具備扎實的理論知識與較強(qiáng)的實踐能力，才能勝任制造企業(yè)中的工程技術(shù)等崗位。

然而，目前高校機(jī)械類應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)過程中還存在以下問題。

1.培養(yǎng)模式單一。一些本科課程的實驗，內(nèi)容死板，步驟固定，方法單一，學(xué)生按部就班的執(zhí)行每一步就可以得到想要的結(jié)果。這樣的方式致使學(xué)生沒有更多的施展自己想象力的空間，好奇心與求知欲無法調(diào)動起來。

2.缺乏創(chuàng)新教育理念。長期的以教為主的課堂教育，讓學(xué)生形成了不會就問，教師搬套現(xiàn)成答案的填鴨式解惑模式。學(xué)生遇到問題不知道如何主動尋找答案，如何開創(chuàng)新局面。

3.課程偏理論、輕應(yīng)用。一些課程理論性強(qiáng)、枯燥乏味難以吸引學(xué)生，抑或?qū)W生在學(xué)習(xí)過程中看不到應(yīng)用的背景和前景，進(jìn)而不愿意花時間去投入學(xué)習(xí)，而將更多的時間用來學(xué)習(xí)英語、計算機(jī)等與等級考試直接相關(guān)的課程。

三、機(jī)器人的研究對機(jī)械工程類應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的積極作用

科研與教學(xué)并不是對立體，實際上，從“做”中“想”、從“做”中“學(xué)”，使“學(xué)”在“做”中鞏固加深，詮釋這兩者之間有著千絲萬縷的聯(lián)系。筆者從機(jī)器人領(lǐng)域的研究中探索對機(jī)械工程類應(yīng)用創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，作用如下。

1.提高學(xué)生設(shè)計與動手能力。就機(jī)器人設(shè)計而言，從機(jī)械結(jié)構(gòu)到硬件測控系統(tǒng)，都需要合理規(guī)劃與布局。機(jī)器人研發(fā)系統(tǒng)的搭建過程，一方面鞏固了學(xué)生的課堂所學(xué)，并提高了學(xué)生的動手能力，另一方面開動了學(xué)生腦筋，完成了學(xué)生的“學(xué)”到“用”到“創(chuàng)新性應(yīng)用”的轉(zhuǎn)化。

2.增強(qiáng)團(tuán)隊協(xié)作精神。從機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)設(shè)計到樣機(jī)實驗平臺的搭建，再到仿真實驗和物理實驗，整個過程需要多名學(xué)生協(xié)作共同完成。每位學(xué)生既要做好自己本職的工作，還要勤與其他學(xué)生溝通交流，及時反饋自己的進(jìn)展及各種問題，增強(qiáng)團(tuán)隊意識與協(xié)作精神。

3.培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。一臺機(jī)器人樣機(jī)（包括虛擬樣機(jī)、物理樣機(jī)）的搭建，是一個從無到有的過程，從零部件的選擇，傳動方案的確定，尺寸、材料的選取，再到傳感器、電機(jī)、減速器等的選擇與設(shè)計，各個電氣模塊類型、參數(shù)的確定等。在整個搭建過程中，學(xué)生會遇到許多在課堂上無法想象的問題，我們可以引導(dǎo)學(xué)生通過查找相關(guān)書籍、網(wǎng)絡(luò)資料、與組員溝通交流等途徑解決遇到的問題，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、搜索知識方面的能力。

4.加強(qiáng)學(xué)生的多門課程知識的融合。機(jī)器人技術(shù)本身是一門新興、邊緣、交叉學(xué)科，機(jī)器人的研發(fā)過程需要學(xué)生具備工程力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制原理、計算機(jī)控制技術(shù)等多門課程知識，并完成課程間的知識融合，由單一的課程知識點到學(xué)科間的面，甚至形成知識體系。

5.寬口徑專業(yè)培養(yǎng)。機(jī)器人技術(shù)的研究誕生了一門新興的學(xué)科——機(jī)器人學(xué)[3]，它是力學(xué)、機(jī)械學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、信息論、控制論等許多學(xué)科交叉、融合的結(jié)果。機(jī)器人技術(shù)的特點有利于培養(yǎng)具有交叉學(xué)科基礎(chǔ)的復(fù)合型人才。

四、機(jī)器人研究在本院人才培養(yǎng)中的改革實踐

一方面，筆者在本院講授《機(jī)械設(shè)計》、《機(jī)械動力學(xué)基礎(chǔ)》、《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》、《控制工程基礎(chǔ)》、《計算機(jī)控制技術(shù)》等課程，將6自由度工業(yè)機(jī)械臂以及學(xué)生研制的獨輪車機(jī)器人、自行車機(jī)器人作為實例，介紹線性代數(shù)、機(jī)械動力學(xué)與機(jī)器人技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)等課程之間的關(guān)聯(lián)，提高學(xué)生對單一課程的重視程度，并從直觀、科學(xué)、實用等多個切入點引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。另一方面，針對畢業(yè)設(shè)計的學(xué)生從機(jī)器人軟件虛擬樣機(jī)仿真與硬件物理樣機(jī)設(shè)計兩方面加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新性培養(yǎng)。

1.機(jī)器人軟件虛擬樣機(jī)仿真方面。根據(jù)科學(xué)研究項目為學(xué)生制定子項目“基于ADAMS和MATLAB的肘型6-R機(jī)器人動力學(xué)聯(lián)合仿真”，“基于虛擬樣機(jī)的自行車機(jī)器人回轉(zhuǎn)運動平衡控制”。要求學(xué)生建立出機(jī)器人的虛擬樣機(jī)[4]，通過MATLAB軟件設(shè)計PID控制器，完成對虛擬樣機(jī)的控制。學(xué)生在設(shè)計過程中，自行設(shè)計機(jī)器人的機(jī)械傳動方式和幾何尺寸、規(guī)劃機(jī)器人行走路徑、調(diào)節(jié)PID參數(shù)等工作。遇到軟件使用、參數(shù)調(diào)節(jié)等各種問題通過同組人員間的討論、查找資料以及網(wǎng)絡(luò)資源等多途徑解決。圖1和圖2分別為6自由度機(jī)械臂末端執(zhí)行螺旋線軌跡仿真圖以及動畫演示界面.學(xué)生在完成這項工作過程中，需要學(xué)習(xí)掌握相關(guān)軟件，包括三維建模軟件Pro/E、機(jī)械動力學(xué)分析軟件ADAMS、設(shè)計控制器的數(shù)學(xué)軟件MATLAB/Simulink、編寫演示界面的C++圖形化界面語言MFC。此外，還要進(jìn)行機(jī)械設(shè)計、動力學(xué)建模、末端軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)控制器設(shè)計等。最后，將基于多學(xué)科知識設(shè)計出的虛擬樣機(jī)結(jié)合多個軟件進(jìn)行動態(tài)聯(lián)調(diào)和演示，每一步都需要學(xué)生開動腦筋、勤思考、溝通交流、勤實踐。例如，在軌跡規(guī)劃中，學(xué)生根據(jù)機(jī)械臂的不同工作狀態(tài)設(shè)計了幾種軌跡：焊接用的直線、圓軌跡，纏繞用的螺旋線軌跡，擰螺釘用的自轉(zhuǎn)提升軌跡。endprint

圖3為障礙物干擾下自行車機(jī)器人回轉(zhuǎn)運動圖，學(xué)生在指導(dǎo)教師規(guī)定的平衡運動基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性的增加障礙物，在一系列調(diào)試得到平衡運動后，又通過改變障礙物的形狀、尺寸等參數(shù)討論車體平衡條件。

這些項目研究充分發(fā)揮了學(xué)生的想象能力和創(chuàng)造思維，并獲得了很多意想不到的成果。

2.機(jī)器人硬件物理樣機(jī)設(shè)計方面。根據(jù)指導(dǎo)教師的在研國家自然科學(xué)基金項目，為學(xué)生制定子項目“前輪驅(qū)動自行車機(jī)器人物理樣機(jī)設(shè)計與制作”、“具有轉(zhuǎn)彎功能的獨輪車機(jī)器人硬件平臺搭建”。要求學(xué)生設(shè)計出機(jī)械傳動方案與測控系統(tǒng)方案，并搭建出實物樣機(jī)，完成各個功能模塊之間的聯(lián)調(diào)。圖4和圖5分別為學(xué)生研制的自行車機(jī)器人與獨輪車機(jī)器人物理樣機(jī)。為了便于各種傳感器的安裝，做機(jī)械設(shè)計部分的同學(xué)與做檢測系統(tǒng)設(shè)計部分的同學(xué)要經(jīng)常溝通交流。

期間，學(xué)生對機(jī)器人這一機(jī)電一體化系統(tǒng)的興趣逐漸增加，主動協(xié)助實驗室的研究生學(xué)長進(jìn)行平衡控制實驗研究，并提出了一些超越項目本身的大膽設(shè)想，比如擺把換向、騰空跳躍、旋把前進(jìn)等。

通過具體項目，鞏固了學(xué)生機(jī)械電子、測量控制方面的硬件知識，激發(fā)了學(xué)生的科研熱情，取得了很好的教學(xué)效果。

五、結(jié)語

以機(jī)器人研究為平臺，以培養(yǎng)機(jī)械工程類應(yīng)用創(chuàng)新型人才為導(dǎo)向，結(jié)合具體項目的特點探索人才培養(yǎng)模式改革，以期增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神，強(qiáng)化學(xué)生的工程實踐能力，這是值得進(jìn)一步探索的人才培養(yǎng)模式，可以為國家和社會發(fā)展提供所需的機(jī)械工程類人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]李學(xué)藝，魏軍英，丁淑輝.應(yīng)用創(chuàng)新型機(jī)械類人才培養(yǎng)模式研究[J].教育教學(xué)論壇，2012，（S5）：62-63.

[2]吳安平，邢鶴.應(yīng)用型本科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的探索與實踐[J].長春大學(xué)學(xué)報，2011，21（12）：131-134.

[3]郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2007：9.

[4]臧紅彬，周穎珗.虛擬樣機(jī)軟件ADAMS在工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用[J].高教研究，2012，28（2）：61-65.

基金項目：2012年度廣西高等教育教學(xué)改革工程項目“機(jī)械工程類主動服務(wù)與應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的研究與實踐”（2012JGZ114）；2012年桂林電子科技大學(xué)實踐教學(xué)改革項目“基于多體動力學(xué)的獨輪車機(jī)器人實驗平臺搭建”（ZL2435）。

作者簡介：莊未（1977-），女，黑龍江大慶人，博士，副教授，研究方向為機(jī)器人技術(shù)。endprint

圖3為障礙物干擾下自行車機(jī)器人回轉(zhuǎn)運動圖，學(xué)生在指導(dǎo)教師規(guī)定的平衡運動基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性的增加障礙物，在一系列調(diào)試得到平衡運動后，又通過改變障礙物的形狀、尺寸等參數(shù)討論車體平衡條件。

這些項目研究充分發(fā)揮了學(xué)生的想象能力和創(chuàng)造思維，并獲得了很多意想不到的成果。

2.機(jī)器人硬件物理樣機(jī)設(shè)計方面。根據(jù)指導(dǎo)教師的在研國家自然科學(xué)基金項目，為學(xué)生制定子項目“前輪驅(qū)動自行車機(jī)器人物理樣機(jī)設(shè)計與制作”、“具有轉(zhuǎn)彎功能的獨輪車機(jī)器人硬件平臺搭建”。要求學(xué)生設(shè)計出機(jī)械傳動方案與測控系統(tǒng)方案，并搭建出實物樣機(jī)，完成各個功能模塊之間的聯(lián)調(diào)。圖4和圖5分別為學(xué)生研制的自行車機(jī)器人與獨輪車機(jī)器人物理樣機(jī)。為了便于各種傳感器的安裝，做機(jī)械設(shè)計部分的同學(xué)與做檢測系統(tǒng)設(shè)計部分的同學(xué)要經(jīng)常溝通交流。

期間，學(xué)生對機(jī)器人這一機(jī)電一體化系統(tǒng)的興趣逐漸增加，主動協(xié)助實驗室的研究生學(xué)長進(jìn)行平衡控制實驗研究，并提出了一些超越項目本身的大膽設(shè)想，比如擺把換向、騰空跳躍、旋把前進(jìn)等。

通過具體項目，鞏固了學(xué)生機(jī)械電子、測量控制方面的硬件知識，激發(fā)了學(xué)生的科研熱情，取得了很好的教學(xué)效果。

五、結(jié)語

以機(jī)器人研究為平臺，以培養(yǎng)機(jī)械工程類應(yīng)用創(chuàng)新型人才為導(dǎo)向，結(jié)合具體項目的特點探索人才培養(yǎng)模式改革，以期增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神，強(qiáng)化學(xué)生的工程實踐能力，這是值得進(jìn)一步探索的人才培養(yǎng)模式，可以為國家和社會發(fā)展提供所需的機(jī)械工程類人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]李學(xué)藝，魏軍英，丁淑輝.應(yīng)用創(chuàng)新型機(jī)械類人才培養(yǎng)模式研究[J].教育教學(xué)論壇，2012，（S5）：62-63.

[2]吳安平，邢鶴.應(yīng)用型本科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的探索與實踐[J].長春大學(xué)學(xué)報，2011，21（12）：131-134.

[3]郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2007：9.

[4]臧紅彬，周穎珗.虛擬樣機(jī)軟件ADAMS在工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用[J].高教研究，2012，28（2）：61-65.

基金項目：2012年度廣西高等教育教學(xué)改革工程項目“機(jī)械工程類主動服務(wù)與應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的研究與實踐”（2012JGZ114）；2012年桂林電子科技大學(xué)實踐教學(xué)改革項目“基于多體動力學(xué)的獨輪車機(jī)器人實驗平臺搭建”（ZL2435）。

作者簡介：莊未（1977-），女，黑龍江大慶人，博士，副教授，研究方向為機(jī)器人技術(shù)。endprint

圖3為障礙物干擾下自行車機(jī)器人回轉(zhuǎn)運動圖，學(xué)生在指導(dǎo)教師規(guī)定的平衡運動基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性的增加障礙物，在一系列調(diào)試得到平衡運動后，又通過改變障礙物的形狀、尺寸等參數(shù)討論車體平衡條件。

這些項目研究充分發(fā)揮了學(xué)生的想象能力和創(chuàng)造思維，并獲得了很多意想不到的成果。

2.機(jī)器人硬件物理樣機(jī)設(shè)計方面。根據(jù)指導(dǎo)教師的在研國家自然科學(xué)基金項目，為學(xué)生制定子項目“前輪驅(qū)動自行車機(jī)器人物理樣機(jī)設(shè)計與制作”、“具有轉(zhuǎn)彎功能的獨輪車機(jī)器人硬件平臺搭建”。要求學(xué)生設(shè)計出機(jī)械傳動方案與測控系統(tǒng)方案，并搭建出實物樣機(jī)，完成各個功能模塊之間的聯(lián)調(diào)。圖4和圖5分別為學(xué)生研制的自行車機(jī)器人與獨輪車機(jī)器人物理樣機(jī)。為了便于各種傳感器的安裝，做機(jī)械設(shè)計部分的同學(xué)與做檢測系統(tǒng)設(shè)計部分的同學(xué)要經(jīng)常溝通交流。

期間，學(xué)生對機(jī)器人這一機(jī)電一體化系統(tǒng)的興趣逐漸增加，主動協(xié)助實驗室的研究生學(xué)長進(jìn)行平衡控制實驗研究，并提出了一些超越項目本身的大膽設(shè)想，比如擺把換向、騰空跳躍、旋把前進(jìn)等。

通過具體項目，鞏固了學(xué)生機(jī)械電子、測量控制方面的硬件知識，激發(fā)了學(xué)生的科研熱情，取得了很好的教學(xué)效果。

五、結(jié)語

以機(jī)器人研究為平臺，以培養(yǎng)機(jī)械工程類應(yīng)用創(chuàng)新型人才為導(dǎo)向，結(jié)合具體項目的特點探索人才培養(yǎng)模式改革，以期增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神，強(qiáng)化學(xué)生的工程實踐能力，這是值得進(jìn)一步探索的人才培養(yǎng)模式，可以為國家和社會發(fā)展提供所需的機(jī)械工程類人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]李學(xué)藝，魏軍英，丁淑輝.應(yīng)用創(chuàng)新型機(jī)械類人才培養(yǎng)模式研究[J].教育教學(xué)論壇，2012，（S5）：62-63.

[2]吳安平，邢鶴.應(yīng)用型本科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的探索與實踐[J].長春大學(xué)學(xué)報，2011，21（12）：131-134.

[3]郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2007：9.

[4]臧紅彬，周穎珗.虛擬樣機(jī)軟件ADAMS在工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用[J].高教研究，2012，28（2）：61-65.

基金項目：2012年度廣西高等教育教學(xué)改革工程項目“機(jī)械工程類主動服務(wù)與應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的研究與實踐”（2012JGZ114）；2012年桂林電子科技大學(xué)實踐教學(xué)改革項目“基于多體動力學(xué)的獨輪車機(jī)器人實驗平臺搭建”（ZL2435）。

作者簡介：莊未（1977-），女，黑龍江大慶人，博士，副教授，研究方向為機(jī)器人技術(shù)。endprint