機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)改革與探索

孫伏，侯紅玲

機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)改革與探索

孫伏，侯紅玲

（陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西漢中723001）

針對當(dāng)前我校研究生機(jī)器人技術(shù)課程內(nèi)容和教學(xué)方法存在的問題，從教學(xué)目的出發(fā)，根據(jù)課程重要地位、當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和核心技術(shù)，提出課程內(nèi)容和教學(xué)方法改革思路，教學(xué)內(nèi)容豐富，教學(xué)體系完善。該改革強(qiáng)調(diào)思路引導(dǎo)的教學(xué)方法，結(jié)合項(xiàng)目式教學(xué)、主題式教學(xué)，機(jī)器人大賽以及網(wǎng)絡(luò)資源，加強(qiáng)理論和實(shí)踐結(jié)合，增加學(xué)習(xí)興趣，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

機(jī)器人技術(shù)；教學(xué)體系；項(xiàng)目式教學(xué)；主題式教學(xué)

機(jī)器人技術(shù)是機(jī)械工程學(xué)科的一門重要研究生課程。由于我校開課時間短，教學(xué)條件有限，當(dāng)前教學(xué)偏向于基本理論和基本分析技術(shù)，對當(dāng)前機(jī)器人的研究問題和發(fā)展新技術(shù)涉及較少，學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新有一定難度。而機(jī)器人是中國制造2025中大力發(fā)展的重點(diǎn)突破領(lǐng)域，研究生畢業(yè)后繼續(xù)從事研究的可能性很大。

本文通過分析機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和核心技術(shù)，以提高學(xué)生掌握通用知識和提高應(yīng)用創(chuàng)新能力為目標(biāo)，在“以學(xué)生為中心”的思想指導(dǎo)下，完善和優(yōu)化課程的教學(xué)內(nèi)容，探索教學(xué)方法，完善課程教學(xué)中的教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件。

1 當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概述

1.1 機(jī)器人的分類和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

按照技術(shù)發(fā)展，機(jī)器人分為第一代機(jī)器人，主要是指按預(yù)先示教的位置和姿態(tài)進(jìn)行重復(fù)動作的機(jī)械；第二代機(jī)器人是指具有如視覺和觸覺等外部感覺功能的機(jī)器人；第三代機(jī)器人除了具有如視覺的功能外，還具有規(guī)劃和決策的功能，從而可以適應(yīng)周圍的環(huán)境變化而自主地進(jìn)行工作；第三代機(jī)器人現(xiàn)在還主要處于研究階段，實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離。

按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，機(jī)器人可分為固定基礎(chǔ)機(jī)器人，如直角坐標(biāo)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人、極坐標(biāo)機(jī)器人、SCARA型機(jī)器人、移動機(jī)器人、仿人機(jī)器人等。

按照應(yīng)用領(lǐng)域，可分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、軍用機(jī)器人和社會發(fā)展與科學(xué)研究機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人[1]主要集中在汽車、電子生產(chǎn)中，隨著勞動力成本上升，已在各種生產(chǎn)加工中擴(kuò)展開來。建筑、農(nóng)業(yè)、采礦、災(zāi)難救援等非制造業(yè)行業(yè)，國防軍事領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、日常生活領(lǐng)域等對機(jī)器人的需求越來越大。服務(wù)機(jī)器人[3]在老人、小孩的陪伴、助殘、醫(yī)療、危險救災(zāi)方面快速發(fā)展起來，并不斷向更高的智能化、模塊化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

機(jī)器人的研究趨勢如下[2]：

（1）機(jī)械電子結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、微型化及具有可重構(gòu)性；

（2）新型傳感器和多傳感器融合技術(shù)；

（3）伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化集成化及分散化；

（4）新型智能技術(shù)如虛擬技術(shù)；

（5）控制技術(shù)的開放化網(wǎng)絡(luò)化及PC化。

1.2 機(jī)器人核心技術(shù)

機(jī)器人系統(tǒng)的五大要素為：本體與作業(yè)工具、規(guī)劃編程、驅(qū)動控制、感知處理和人機(jī)交互。

根據(jù)歷史研究文獻(xiàn)，國內(nèi)外對工業(yè)機(jī)器人的研究熱點(diǎn)問題主要分為三個方面：仿生機(jī)器人與新型機(jī)構(gòu)、機(jī)器人的定位與地圖創(chuàng)建、機(jī)器人-環(huán)境交互。

仿生機(jī)器人如對人行走時的步態(tài)分析，雙足步行機(jī)器人的復(fù)雜地面運(yùn)動的研究，對動物如蛇、魚的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動性能的研究。隨著時代對機(jī)器人柔性程度和精度要求越來越高，可重構(gòu)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究成為了必然。

隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，由室內(nèi)到室外，由結(jié)構(gòu)環(huán)境到非結(jié)構(gòu)的復(fù)雜環(huán)境，使機(jī)器人創(chuàng)建環(huán)境地圖的同時進(jìn)行自主定位和導(dǎo)航成為一大熱點(diǎn)問題。

機(jī)器人-環(huán)境交互主要表現(xiàn)為機(jī)器人對作用對象的識別、路徑規(guī)劃，最后實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航完成任務(wù)。機(jī)器人最重要的功能是輔助或完全替代人類完成作業(yè)任務(wù)，因而它的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航問題也一直是研究的焦點(diǎn)。

2 教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法改革

本課程的主要內(nèi)容是機(jī)器人基本知識和技能的構(gòu)建，重點(diǎn)學(xué)習(xí)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、控制技術(shù)和路徑軌跡規(guī)劃等內(nèi)容。當(dāng)前偏重于機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)，課時長，而路徑軌跡規(guī)劃、智能控制等課時少，動手能力差。理論講解多，學(xué)生的興趣有待提高。

機(jī)器人技術(shù)是光機(jī)電一體化的綜合技術(shù)，經(jīng)典的機(jī)械和電氣控制系統(tǒng)設(shè)計理論是基礎(chǔ)，而研究生已有了本科基礎(chǔ)知識，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)重視學(xué)生在科研和以后工作中的實(shí)際應(yīng)用，從提高研究生的理論研究水平和解決實(shí)際問題能力等多方面培養(yǎng)學(xué)生，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力與積極性，從而提高教學(xué)效果。

因此，教學(xué)改革的關(guān)鍵是在提煉當(dāng)前機(jī)器人發(fā)展的共性核心技術(shù)基礎(chǔ)上，對課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和改革，引入新的教學(xué)方法和技巧，其次為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)條件和方法。

2.1 教學(xué)內(nèi)容改革

從教學(xué)內(nèi)容調(diào)整的角度，以工業(yè)機(jī)器人技術(shù)為主，兼顧服務(wù)機(jī)器人技術(shù)、移動機(jī)器人、仿生機(jī)器人等。

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計部分，從選材的特點(diǎn)、常用典型傳動和機(jī)構(gòu)、串聯(lián)機(jī)器人典型結(jié)構(gòu)等幾方面，分析的幾大關(guān)鍵技術(shù)，如小型減速器、材料、并聯(lián)機(jī)構(gòu)等，引導(dǎo)學(xué)生針對新技術(shù)，查找相關(guān)文獻(xiàn)。教學(xué)中增加精密減速器、并聯(lián)機(jī)構(gòu)以及可重構(gòu)機(jī)構(gòu)內(nèi)容，了解基本知識，為研究打下基礎(chǔ)。

增強(qiáng)機(jī)器人控制、視覺控制、觸覺控制和機(jī)器人路徑軌跡規(guī)劃、避障方法、機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)、智能機(jī)器人技術(shù)的內(nèi)容，力求通過該課程的學(xué)習(xí)讓學(xué)生們既能比較深入地掌握機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)，同時對于其他相關(guān)的理論也有基本認(rèn)識，完善知識體系。

2.2 教學(xué)方法改革

由于機(jī)器人技術(shù)涉及內(nèi)容多，范圍廣，在教學(xué)方法上進(jìn)行了以下改革。

（1）引入翻轉(zhuǎn)課堂。研究生已經(jīng)有了專業(yè)的基礎(chǔ)理論，有一定的自學(xué)能力。教學(xué)方法上，翻轉(zhuǎn)課堂形式對運(yùn)動學(xué)分析和動力學(xué)分析較合適，可以先介紹運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)思路和方法，引導(dǎo)學(xué)生建立基本理論；再通過案例分析，以某機(jī)械手為研究對象，學(xué)生自學(xué)具體過程，完成推導(dǎo)計算和驗(yàn)證過程；最后上課檢查和答疑，再補(bǔ)充其他情況的相關(guān)內(nèi)容，這樣一方面減少抽象的理論講解，使學(xué)生針對具體問題尋找公式和思路，學(xué)生成為教學(xué)的主體，從而在體驗(yàn)中加深理解，另一方面節(jié)省課堂時間。

（2）引入專題式教學(xué)。例如兩周集中學(xué)習(xí)視覺控制，結(jié)合實(shí)例學(xué)習(xí)相關(guān)傳感器、信號采集與處理方法、控制方法，通過分析、討論與講解結(jié)合，形成完整系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)。

（3）以“專題論文”作業(yè)形式，查閱科技文獻(xiàn)，收集專題論文資料，了解當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀和新技術(shù)。不僅培養(yǎng)了學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力，而且擴(kuò)展了知識面，鍛煉科技論文的寫作能力。

3 實(shí)踐能力培養(yǎng)

機(jī)器人技術(shù)是一門綜合性應(yīng)用技術(shù)，理論要求高、發(fā)展快、實(shí)踐性強(qiáng)。實(shí)物、實(shí)踐過程可以促進(jìn)學(xué)生對理論的理解和掌握，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

基本層次上，需要開發(fā)課程實(shí)驗(yàn)，提供一種能夠在“做中學(xué)”的項(xiàng)目式教學(xué)環(huán)境[7]，增加應(yīng)用體驗(yàn)，加強(qiáng)理論知識的理解和應(yīng)用創(chuàng)新，如通過教學(xué)機(jī)器人RBT-6T認(rèn)識六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人；通過慧魚機(jī)器人實(shí)驗(yàn)可練習(xí)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的構(gòu)思和搭建以及控制編程；開展以虛擬機(jī)器人為平臺的課程教學(xué)或虛實(shí)結(jié)合的課程教學(xué)，如ABB公司的虛擬綜合平臺RobotStudio.在老師的引導(dǎo)下，根據(jù)個人的興趣，借助某一環(huán)境完成一次全面的實(shí)驗(yàn)。

較高層次上可以為學(xué)生提供相關(guān)模塊，設(shè)計搭建機(jī)器人，進(jìn)行動作控制[8]，此過程需要細(xì)致指導(dǎo)，工作量大。同時，還可以帶領(lǐng)學(xué)生參加機(jī)器人各種層次的機(jī)器人大賽、編程大賽等，如國際機(jī)器人比賽如機(jī)器人足球競賽（包括RoboCup和FIRA）、機(jī)器人滅火競賽、機(jī)器人綜合競賽，國內(nèi)的各種大學(xué)生機(jī)器人大賽等。

隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及，也出現(xiàn)了機(jī)器人主題網(wǎng)站、機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、機(jī)器人競賽網(wǎng)等數(shù)字媒體，可以輔助教學(xué)，擴(kuò)展知識。

4 結(jié)束語

針對當(dāng)前教學(xué)中課時少，課程內(nèi)容多、理論技術(shù)要求高、發(fā)展快的問題，結(jié)合機(jī)器人的類型與發(fā)展現(xiàn)狀、核心技術(shù)的分析，提出了課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革思路，強(qiáng)調(diào)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)過程，主要表現(xiàn)在：

（1）在理論性較強(qiáng)的運(yùn)動分析和動力學(xué)分析中，引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，課堂上講授基本思路和概念，學(xué)生課外針對實(shí)例分析，再答疑和評價補(bǔ)充。

（2）通過教學(xué)內(nèi)容和方法改革，完善研究生的知識體系結(jié)構(gòu)；

（3）通過專題式教學(xué)，集中較短的時間了解要解決的問題和方法思路，需要掌握基本知識后，通過查閱文獻(xiàn)資料，了解發(fā)展現(xiàn)狀，掌握基本技術(shù)。

（4）盡量給學(xué)生提供實(shí)踐機(jī)會，提供可用的網(wǎng)站，增加學(xué)生的工程實(shí)踐訓(xùn)練，有利于對理論的掌握和活學(xué)活用。

[1]趙杰.我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)[J].航空制造技術(shù)，2012（12）：26-29.

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[3]宋章軍.服務(wù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].集成技術(shù)，2012，1（3）：1-9.

[4]王田苗，陶永.我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機(jī)械工程學(xué)報，2014（9）：1-13.

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[7]李霞，周強(qiáng)，魏敏.《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)探究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2015（1）：132-135.

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Teaching Reform and Exp lore of Robot Technology Course

SUN Fu，HOU Hong-ling
（Mechanical Engineering Dept.，Shaanxi Sci-Tech University，Hanzhong Shaanxi 723001，China）

In view of the current our school graduate curriculum content and teaching methods of robot technology problems，starting from the teaching objective，curriculum according to the important position，the current robot technology development status and key technology，and puts forward the thinking content and teaching method. Enrich the teaching content，improve the teaching system.Emphasize the teaching method of thinking guidance，combine project teaching,theme teaching，robot competition and network resources，strengthen the combination of theory and practice，increase interest in learning，improve teaching quality.■

robot technology；teaching system；project teaching；subject teaching

G642.0

A

1672-545X（2017）02-0207-02

2016-11-03

陜西理工學(xué)院研究生教改項(xiàng)目資助（編號：SLGYJG1510；SLGYJG1503）

孫伏（1969-），女，陜西富平人，副教授，工學(xué)碩士，主要研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)，機(jī)構(gòu)設(shè)計與綜合。