基于實踐與創(chuàng)新驅(qū)動的《機器人學》教學改革探索

《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》提出實施制造強國戰(zhàn)略，深入實施《中國制造2025》，強調(diào)了制造業(yè)朝高端發(fā)展的方向。制造業(yè)的高速發(fā)展對制造裝備提出了更高的要求，促進了以傳感、驅(qū)動和控制為核心的機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人已經(jīng)成為人類活動不可或缺的幫手，如裝配機器人、醫(yī)療康復機器人、五軸聯(lián)動機床、家庭智能服務機器人以及水下探測機器人等，機器人技術(shù)的發(fā)展和市場將是一片藍海，未來將會像筆記本電腦一樣普及。作為上海大學機械工程本科專業(yè)選修課，《機器人學》是一門綜合了機械、電子、通信及智能控制等多個領(lǐng)域的機電一體化課程，可以使學生充分學習機電一體化系統(tǒng)的理論與實踐知識，對于培養(yǎng)學生解決工程問題的綜合能力，提升工科學生的綜合素質(zhì)及就業(yè)競爭力具有關(guān)鍵意義。[1][2]

機器人學課程內(nèi)容豐富，包含理論教學和實踐內(nèi)容，涉及的先修課程包括機械設(shè)計、理論力學、線性代數(shù)、大學物理、數(shù)字電路、現(xiàn)代控制理論及傳感技術(shù)等，對學生的基礎(chǔ)知識要求較高，課程學習中需要復雜的數(shù)學推導，往往使很多對機器人技術(shù)充滿興趣的學生望而卻步，近些年來選修課程的工科學生逐步下降。[3]因此為進一步提高教學效果與教學質(zhì)量，對機器人學課程進行以培養(yǎng)興趣為導向，以實踐和創(chuàng)新項目為驅(qū)動的教學改革，迫在眉睫。

一、機器人學教學現(xiàn)狀分析

機器人學的理論分析涉及以下知識：機械本體設(shè)計需要掌握機械設(shè)計理論；運動學分析涉及線性代數(shù)及矩陣論；動力學建模則和理論力學、大學物理相關(guān)；最核心的控制部分則要求對自動控制原理、傳感及信號處理技術(shù)具有扎實的知識基礎(chǔ)。正是因為機器人學對先修課程的要求極高，所以導致了在教學過程中教師往往對各種理論知識需要再次復習或者講解，大部分的課堂時間耗費在了公式推導及講解中，進而占用了實踐環(huán)節(jié)的時間；重點強調(diào)知識的傳授，而忽視了學生的興趣所在以及創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。具體存在的問題可分為以下幾點：[4][5][6]

第一，本科生教學多以傳統(tǒng)串聯(lián)式機械臂為對象進行分析，以運動學分析—動力學分析—軌跡規(guī)劃—傳感及控制為主線進行教學，教學內(nèi)容與我們實際接觸的工程問題結(jié)合不緊密，與智能服務機器人、精密驅(qū)動機器人、高速并聯(lián)機器人等前沿技術(shù)脫離較遠，學生興趣不高。

第二，單純講解運動學中的D-H法建模，動力學中的拉格朗日法、牛頓-歐拉法、達朗貝爾原理，推導公式復雜，過程復雜，對數(shù)學功底要求高，傳統(tǒng)課程沒有引進諸如Matlab/Simulink、Mathematica等軟件，給同學帶來了大量的計算負擔，產(chǎn)生逆反情緒，很多同學反映跟預想中的機器人課程大相徑庭，教學效果不好。

第三，課程實驗設(shè)計仍停留在傳統(tǒng)的機械臂示教演示實驗，同學們沒有機會自行編程開發(fā)進行軌跡規(guī)劃，而且實驗設(shè)備單一，缺乏諸如移動機器人、并聯(lián)機器人、智能交互機器人等學生們感興趣的實驗設(shè)備。學生對于實驗的主動性不高，只是被動的完成任務。

第四，目前大部分學校因條件所限，無法向本科生開放更多的實驗室，也一定程度上限制了學生的自主創(chuàng)新能力的開發(fā)。若任課教師能提供多一些的項目開發(fā)機會和必要的開發(fā)設(shè)備，以興趣和競賽項目為導向，定能激發(fā)學生們的熱情和主動性。

機器人技術(shù)日新月異，如果我們還停留在傳統(tǒng)的機械臂知識教學上，缺乏改革和創(chuàng)新，那么學生們解決工程問題的綜合能力和核心競爭力將會大大下降，影響畢業(yè)生質(zhì)量。因此需針對以上問題，對機器人學課程進行大刀闊斧的改革，改變重理論、輕實踐的本末倒置現(xiàn)象，進行以實踐和項目創(chuàng)新為驅(qū)動的課程改革，使學生通過機器人學課程的學習，更多的將理論知識與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)獨立解決工程問題的能力。

二、課程改革探索

針對機器人課程教學中存在的問題，結(jié)合國外先進教學經(jīng)驗，將國際先進教學理念引入到機器人學課程中。目前，國外機器人技術(shù)發(fā)展領(lǐng)先的國家和地區(qū)主要有美國、日本、韓國、歐洲等地區(qū)：美國的機器人學主要為專業(yè)必修課，輔以課程實踐、機器人競賽和機器人主題團體活動，最終實現(xiàn)機器人技術(shù)作為機電一體化平臺來輔助其他課程的教學，如俄勒岡大學將機器人作為實驗平臺，講授計算機原理、數(shù)電模電、電子設(shè)計導論、通訊技術(shù)等課程，麻省理工學院則注重學生自由創(chuàng)新和發(fā)揮的空間，為學生們自由編程和機械本體設(shè)計提供實驗條件，考核方式也多以課堂成績加項目設(shè)計的形式；日本則在機器人教育以及機器人的應用普及方面站在了世界前列，這與日本每年在大多數(shù)高校開設(shè)機器人相關(guān)課程及定期舉辦多種機器人競賽是密不可分的，學生通過機器人競賽鞏固并驗證自己在課堂上學到的知識，激發(fā)了學生們的興趣并通過競賽項目提高了解決工程問題的實踐能力。[7]此外，作者曾在加拿大多倫多大學訪學期間修過機器人課程，其在培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新方面投入極大，每個學生或者每個小團隊可以根據(jù)自己的興趣來進行項目設(shè)計，教師和學校提供實驗室和必備的開發(fā)條件，充分調(diào)動了學生們的積極性并潛移默化的培養(yǎng)了學生對于機器人設(shè)計的熱愛，同學們的思路多種多樣，但又不脫離實際，創(chuàng)新理念結(jié)合工程技術(shù)最終完成自己的項目設(shè)計。

綜合考慮以上各國在機器人學課程的先進教學經(jīng)驗以及國內(nèi)課程的諸多不足，在課程內(nèi)容、教學方法、課程實驗以及項目創(chuàng)新設(shè)計方面進行改革探索。

（一）課程內(nèi)容改革

從我校創(chuàng)建雙一流高水平大學出發(fā)制定了《機器人學》課程的教學目標：通過課程學習，提高學生們對于機器人技術(shù)的興趣，使同學了解并熟悉機器人前沿技術(shù)及發(fā)展方向，掌握機器人本體設(shè)計、運動學分析、軌跡規(guī)劃、控制系統(tǒng)開發(fā)的研發(fā)流程，并通過課程實驗和項目設(shè)計培養(yǎng)學生的興趣和創(chuàng)新能力，對于出色的想法重點指導并實現(xiàn)參加國內(nèi)外頂級機器人競賽的目標。

對于本科生的教學，以興趣為導向進行啟發(fā)式的引導會產(chǎn)生事半功倍的效果，尤其對于第一章的講解，需要對前沿技術(shù)以及身邊的機器人講起，充分調(diào)動起學生們的積極性，比如可以采用互動式的啟發(fā)提問“你們眼中的機器人是怎么樣的”“你認為未來智能機器人會取代人類嗎”“如何看待谷歌機器人Alpha Go 以絕對優(yōu)勢碾壓圍棋冠軍李世石”等等，還可通過學生們熟悉的卡通及電影形象來引起他們的關(guān)注，如圖2-1所示。

圖2-1 學生們眼中的機器人

在機器人運動學分析和動力學分析中，現(xiàn)有課程只是對傳統(tǒng)機械臂的運動學和動力學建模進行講解，D-H法、拉格朗日法、牛頓-歐拉法、達朗貝爾原理、漢密爾頓法占據(jù)了大部分的課堂時間，學生興趣不高。可以注重機器人種類的多樣化講解，比如引入移動機器人，其中兩足的人形機器人、四足的大狗機器人是學生們比較感興趣的領(lǐng)域；無人機也是現(xiàn)在的研究熱點，大疆公司的航拍無人機，用于軍事的微型飛行器；工業(yè)設(shè)備中采用的高速高加速度的并聯(lián)機器人等。通過增加豐富多彩的機器人種類來引導學生們的思路，比如講到人形機器人時，如何建立電機到驅(qū)動足的運動學關(guān)系才能實現(xiàn)人形機器人的平穩(wěn)前進，自然而然引入逆運動學分析和軌跡規(guī)劃問題；到并聯(lián)機器人時，其高速高加速的運動必然引起傳動桿的振動，詢問學生有何解決辦法？進而引入動力學建模的概念，可以分析由振動引起的精度損失、零件耗損以及振動控制問題。最后通過無人機可以引入控制系統(tǒng)的概念，通過飛行控制系統(tǒng)講解傳感-決策-控制的閉環(huán)概念，其中穿插傳感器的類型及控制方法的講解。

在整個教學內(nèi)容的講解中，注意結(jié)合最前沿的技術(shù)，比如Alpha Go中的基于大數(shù)據(jù)分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學習技術(shù)成就了最新一代具有人工智能的機器人；人機共融機器人可以和人類和諧共處，協(xié)同合作完成各種任務，不會對人類產(chǎn)生危害；嫦娥三號玉兔月球車采用了精密、輕質(zhì)、小型化的壓電超聲電機，是新型精密驅(qū)動電機的前沿方向等等。

（二）教學方法

針對目前機器人多以偏重知識傳授的現(xiàn)狀，改革教學方式，提高學生綜合能力的培養(yǎng)。采取多樣化的教學形式，課堂教學中不再嚴格區(qū)分學生與教師的身份，采用開放課堂形式，學生隨時都可以不經(jīng)舉手直接表達自己的見解或困惑，形成一種雙向交流的教學模式。在教學課程中不時穿插開放性的問題，引起同學們原創(chuàng)性的思考進而激發(fā)學習和研究興趣，比如“你認為未來某一天電影《終結(jié)者》中的機器人會實現(xiàn)嗎？”，“如何看待機器人的倫理問題”等，針對這些問題和學生們提出的見解，可采用辯論或者分組討論的形式，學生需提前進行相關(guān)文獻的檢索和背景調(diào)查，在課堂上進行交流，老師作為引導者適時點出影響機器人發(fā)展的核心技術(shù)所在。

增加軟件輔助教學環(huán)節(jié)，關(guān)于機器人的運動學可以采用Matlab/Simulink軟件進行運動分析，并同時結(jié)合教材進行D-H法的講解。圖2-2所示為Simulink中PUMA560型機器人模型，通過改變輸入的電機轉(zhuǎn)角，可以直觀的得出機器人末端執(zhí)行器的位置姿態(tài)變化，相比教材中的通過機構(gòu)簡圖示意更加直觀明了，使同學對運動學的本質(zhì)理解更為深刻，提高教學效果。對于PUMA560型的機器人模型，可采用Simulink自帶的Demo或者通過命令進行自定義參數(shù)的機器人建模。對于機器人動力學建模，則可采用ADAMS軟件進行動力學分析，學生可通過在CAD軟件如Solid Works或Proe中進行簡單機器人的建模，并將其導入ADAMS軟件中進行，通過直接定義末端執(zhí)行器的軌跡，即可得到各關(guān)節(jié)和連桿的速度、加速度及受力情況，結(jié)合ADAMS軟件得到的結(jié)果和建模原理像學生講解動力學建模的根本思想，對于本科生來講，熟練掌握拉格朗日建模，了解牛頓-歐拉法即可。通過自己建立的動力學模型和ADAMS軟件的分析結(jié)果相比較，更能加深學生們的理解并驗證模型的正確性。

圖2-2 運用Simulink軟件講解運動學

帶領(lǐng)學生參觀上海每年一次的工業(yè)博覽會，進行現(xiàn)場教學和講解，擴展學生們的眼界，使學生們認識到機器人學的最前沿技術(shù)。實物考察和現(xiàn)場認知遠比書本和視頻更能激發(fā)和培養(yǎng)學生們的興趣和主動學習能力，參觀完畢后可讓學生就每人最感興趣的一個方向進行背景調(diào)研，并找到合適的相關(guān)方向進行課程項目設(shè)計。

（三）構(gòu)建課程和科研的一體化實驗平臺

課程實驗目前只局限于傳統(tǒng)機械臂的示教演示實驗，學生們的自主編程軌跡規(guī)劃和創(chuàng)新設(shè)計能力得不到鍛煉，針對此問題，在原有課程實驗設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加了科研用基于壓電驅(qū)動的并聯(lián)機器人（圖2-3）和KheperaⅢ（圖2-4）移動機器人，構(gòu)建課程和科研的一體化實驗平臺。3-PRR并聯(lián)機器人采用視覺伺服來實現(xiàn)動平臺的閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)可分為視覺檢測系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)，視覺檢測系統(tǒng)主要由CCD、光學鏡頭、光源等組成，運動控制系統(tǒng)主要包括工控機、超聲電機驅(qū)動器、運動控制卡、線性光柵尺等，學生通過3-PRR并聯(lián)機器人的學習可以了解機器人硬件系統(tǒng)的搭建和并聯(lián)機器人的特點，為后續(xù)課程項目設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

圖2-3 壓電驅(qū)動3-PRR并聯(lián)機器人

圖2-4 KheperaⅢ移動機器人

移動機器人Khepera III是k-team10年精心研究的結(jié)晶。其性能可以和很多體型較大的機器人相媲美。內(nèi)置該公司主打產(chǎn)品KoreBot板，機器人上安裝的多傳感器陣列，可以有效的檢測出不同距離范圍的物體，可實現(xiàn)高度自主，并能接在任意一臺PC上，通過Matlab、LabView，或者其它任何支持串口操作的開發(fā)工具完成編程控制。Khepera III上裝有9個用于障礙檢測的紅外傳感器，5個遠距離障礙物檢測的超聲傳感器。前面裝有一組尋線傳感器以及邊緣檢測，電機模塊使用的是瑞士生產(chǎn)的高質(zhì)量傳動模塊。高精度伺服電機保證了它移動的準確性和高效性。學生通過此實驗機器人可以進行軌跡規(guī)劃的編程，也可基于此移動平臺進行智能避障，地圖構(gòu)建等方向的項目設(shè)計。

（四）項目創(chuàng)新設(shè)計

課程項目創(chuàng)新設(shè)計是綜合鍛煉和考察學生實踐和創(chuàng)新能力的環(huán)節(jié)，通過課程項目設(shè)計為各種大學生機器人競賽輸送好的作品和想法，如Robotcup國際機器人足球賽、機器人滅火競賽、亞太大學生機器人大賽、飛思卡爾杯全國大學生智能汽車競賽、以及“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術(shù)科技作業(yè)競賽等。為了在實踐中鍛煉學生們的創(chuàng)新設(shè)計能力，課程為學生提供Nvidia公司的基于Tegra K1芯片的Jetson TK1 Developers’ Board開發(fā)板，如圖2-5。NVIDIA Jetson TK1針對嵌入式系統(tǒng)應用釋放 GPU 的潛能。它以革命性的NVIDIA TegraK1 SoC為基礎(chǔ)構(gòu)建，并且使用相同的 NVIDIA Kepler?計算核心，該核心專為全世界的超級計算機而設(shè)計。為學生提供了一款全功能 NVIDIA CUDA? 平臺，用于快速開發(fā)和部署面向計算機視覺、機器人技術(shù)、醫(yī)療和更多領(lǐng)域的計算密集型系統(tǒng)。學生們可運用Jetson TK1開發(fā)自己感興趣的機器人，包括足式、輪式、履帶式移動機器人，多軸并聯(lián)高速機器人，機器魚，以及微型飛行器等。

圖2-5 Jetson TK1開發(fā)模塊

三、結(jié)束語

根據(jù)目前機器人學課程教學現(xiàn)狀和上海大學創(chuàng)建雙一流高水平大學的思路，對機器人學課程進行基于實踐和創(chuàng)新驅(qū)動的課程改革探索。在活躍課堂，采用多種軟件、視頻等多媒體手段對學生進行理論講解的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建實驗和科研一體化平臺來鍛煉學生們的實踐能力，為后續(xù)項目創(chuàng)新設(shè)計打下基礎(chǔ)并提供思路，最終使學生們能夠基于NVIDIA Jetson TK1開發(fā)板進行獨立的機器人系統(tǒng)設(shè)計，理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)創(chuàng)新能力和工程問題的解決能力，為全國性的機器人大賽輸送創(chuàng)新的想法、作品及人才，進而全面提升機器人學課程的教學質(zhì)量和教學效果。

注釋：

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

[2]王才東， 王良文， 李一浩. 機器人學課程教學改革的探索與實踐[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備，2015, (21):52-54.

[3]戰(zhàn)強，王東月. 《機器人學》課程教學改革探討[J]. 北京航空航天大學學報：社會科學版，2010 ,(2):117-120.

[4]賈翠玲，李宗學，郭長青. 機器人創(chuàng)新實踐課程改革研究與實踐——基于 CDIO 項目式教學法[J]. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2015, 36,(19): 156-157.

[5]雷靜桃，劉亮， 張海洪. “機器人學”課程教學改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索，2013, 32,(5): 179-182.

[6]畢津滔，張婉鸝. 高校機器人教學改革新思路之探索[J]. 信息通信，2013,(3): 266-267.

[7]陳妍冰， 劉琳靖. 基于機器人競賽的教學改革研究[J]. 教育教學論壇，2015,(21): 123-124.