工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)

喬貴方 劉娣 張穎 溫秀蘭 萬(wàn)其

摘? 要 首先針對(duì)“工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)”實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題展開(kāi)分析，然后以六自由度模塊化機(jī)器人作為實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，基于遞進(jìn)式項(xiàng)目教學(xué)理念設(shè)計(jì)“工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)”實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠在實(shí)踐教學(xué)中由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，從而達(dá)到增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)效果的目的。

關(guān)鍵詞 工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù);機(jī)器人工程;實(shí)踐教學(xué);項(xiàng)目化教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）06-0126-03

Design of Progressive Project-based Teaching for Practical Course

of Industrial Robot Control Technology//QIAO Guifang， LIU Di， ZHANG Ying， WEN Xiulan， WAN Qi

Abstract Firstly， the existent problems existing in the practical tea-ching steps of the Industrial Robot Control Technology are analyzed in this paper. Secondly， the practical course of Industrial Robot Control Technology based on the concept of the progressive project-based teaching and the practical teaching platform of six degree-of-freedom modular robot is designed presented. This can enable the students to transform passivity into initiative in practical teaching. The purpose of improving the effect of practical teaching can be achieved.

Key words industrial robot control technology; robot engineering; practical teaching; project-based teaching

1 引言

《中國(guó)制造2025》[1]以智能制造為主攻方向，指出將大力推動(dòng)機(jī)器人與高檔數(shù)控機(jī)床等重點(diǎn)領(lǐng)域的發(fā)展，研究開(kāi)發(fā)高效、精密的基礎(chǔ)制造裝備。工業(yè)機(jī)器人作為智能制造裝備的代表，高端制造業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)，其研發(fā)、制造與應(yīng)用成為衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新水平的重要標(biāo)志。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)高層次機(jī)器人工程師的人才需求也越來(lái)越迫切。

為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，教育部于2016年設(shè)立機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)，其主要目的是培養(yǎng)從事機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)、裝調(diào)與改造，機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、應(yīng)用及運(yùn)行管理等相關(guān)崗位工作，具有較強(qiáng)綜合職業(yè)能力的高素質(zhì)應(yīng)用型專(zhuān)門(mén)人才，也是為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?！肮I(yè)機(jī)器人控制技術(shù)”作為機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案中的核心課程，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)融合能夠有效地提高教學(xué)質(zhì)量。南京工程學(xué)院于2013年招收了第一屆自動(dòng)化（機(jī)器人）專(zhuān)業(yè)方向的本科生，于2017年招收了第一屆機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)的本科生[2]。

應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才是國(guó)家賦予的使命，應(yīng)用型創(chuàng)新人才要求具有較強(qiáng)的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，因此，實(shí)踐教學(xué)是應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)過(guò)程中非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。本文針對(duì)專(zhuān)業(yè)核心課程“工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)”的教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合南京工程學(xué)院“學(xué)以致用”的人才培養(yǎng)理念，設(shè)計(jì)基于遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠在團(tuán)隊(duì)環(huán)境中進(jìn)行探究性的知識(shí)學(xué)習(xí)和技能訓(xùn)練，能夠在實(shí)踐教學(xué)中由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，從而達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

2 課程特點(diǎn)及教學(xué)目標(biāo)

“工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)”是機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案中的核心課程，課程的教學(xué)目標(biāo)是通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)基本理論和最新進(jìn)展的介紹，使學(xué)生能夠掌握工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型、機(jī)器人控制基礎(chǔ)、機(jī)器人軌跡規(guī)劃及機(jī)器人智能控制技術(shù)等。該課程包含理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，其中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力和知識(shí)應(yīng)用能力，使學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，更加深刻地理解機(jī)器人的系統(tǒng)組成及工作原理。

機(jī)器人控制技術(shù)是自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和機(jī)械工程等多學(xué)科的交叉融合，要求學(xué)生具有完整的知識(shí)體系。在應(yīng)用型本科院校中，與研究生階段的相關(guān)課程相比，“工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)”課程更注重實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)，要求學(xué)生能夠掌握機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與常規(guī)的控制方法，了解智能控制方法;而與高職院校的相關(guān)課程相比，“工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)”課程更注重理論知識(shí)的講解，要求學(xué)生能夠更好地掌握控制理論基礎(chǔ)知識(shí)，具備提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。而實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)的合理與否將影響學(xué)生技能的訓(xùn)練與知識(shí)的掌握，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)用型本科院校的教學(xué)特點(diǎn)缺失。

3 傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式的問(wèn)題分析

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的主要途徑和措施，是應(yīng)用型本科院校實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。目前，實(shí)踐教學(xué)主要分為實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等多種形式，但多年來(lái)在高等教育中一直存在“重理論輕實(shí)踐”的觀念，出現(xiàn)許多問(wèn)題[3-4]。

課程方案中對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)突出不足? 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)突出不足，首先體現(xiàn)在其在課程方案中所占的課時(shí)與學(xué)分比例較少;其次在于傳統(tǒng)教學(xué)模式的觀念導(dǎo)致教師和學(xué)生對(duì)實(shí)踐教學(xué)不夠重視，教師對(duì)實(shí)踐教學(xué)模式與內(nèi)容設(shè)計(jì)單一，無(wú)法引起學(xué)生的興趣，導(dǎo)致學(xué)生主動(dòng)參與意識(shí)不強(qiáng)。

實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)目標(biāo)及社會(huì)需求存在偏離? 實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容不能與理論教學(xué)目標(biāo)相互呼應(yīng)，從而導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法通過(guò)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)一步理解理論教學(xué)的重難點(diǎn);應(yīng)用型本科院校的實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)更好地體現(xiàn)當(dāng)前社會(huì)與相關(guān)企業(yè)的人才需求，從而提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。但由于實(shí)踐教學(xué)資源的不足，教師的工程實(shí)踐能力不足，都導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)與社會(huì)需求的偏離，進(jìn)一步降低學(xué)生的積極性。

4 遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)的實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

為解決以上提出的問(wèn)題，本文以“工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)”為例，基于遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)理念設(shè)計(jì)該課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[5]。

實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)概述? “工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)”的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要利用圖1中的六自由度模塊化機(jī)器人所搭建的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該機(jī)器人系統(tǒng)主要包括機(jī)器人本體一臺(tái)、電氣控制柜一臺(tái)、機(jī)器人控制軟件一套。六自由度模塊化機(jī)器人采用模塊組合式串聯(lián)開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，機(jī)器人各連桿由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊串聯(lián)連接，各模塊的傳動(dòng)采用可視化結(jié)構(gòu)，由錐齒輪、同步齒型帶和諧波減速器等多種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)模塊采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)Windows環(huán)境下的軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，使機(jī)器人任意組合成2～6自由度機(jī)器人，能夠在其相應(yīng)的工作空間完成指定工作任務(wù)。該機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)如表1所示，能夠完成六自由度工業(yè)機(jī)器人的基本作業(yè)功能，滿足實(shí)踐教學(xué)的需要。

遞進(jìn)式項(xiàng)目化實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)? 遞進(jìn)式項(xiàng)目化實(shí)踐教學(xué)依據(jù)“工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)”的理論教學(xué)重難點(diǎn)的層次，分為初級(jí)階段、中級(jí)階段與高級(jí)階段三個(gè)層次的項(xiàng)目，三個(gè)實(shí)踐教學(xué)階段共規(guī)劃10項(xiàng)不同難度和類(lèi)型的項(xiàng)目，如表2所示。每個(gè)階段的項(xiàng)目都支撐著不同的理論教學(xué)重難點(diǎn)。

初級(jí)階段的項(xiàng)目以教師引導(dǎo)為主。通過(guò)教師的教授，系統(tǒng)地為學(xué)生介紹工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)以及相關(guān)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，使學(xué)生能夠建立本課程的基本知識(shí)框架。學(xué)生對(duì)六自由度模塊化機(jī)器人示教編程、協(xié)作裝配等操作，能夠進(jìn)一步了解工業(yè)機(jī)器人操作方法與運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，為后續(xù)理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作打下基礎(chǔ)。

教師在中級(jí)階段的項(xiàng)目中逐漸擺脫主導(dǎo)地位，在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中突出學(xué)生的主體作用，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容向更高層次的知識(shí)與工程應(yīng)用擴(kuò)展。在初級(jí)階段的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完成機(jī)器人關(guān)節(jié)空間控制與運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解編程。中級(jí)階段的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容主要支撐理論教學(xué)中的機(jī)器人線性控制方法、DH模型以及運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解計(jì)算。

學(xué)生的主體作用在高級(jí)階段進(jìn)一步加強(qiáng)。實(shí)踐教學(xué)中的項(xiàng)目規(guī)劃應(yīng)注重學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，同時(shí)要支撐理論教學(xué)中關(guān)節(jié)空間與笛卡爾空間的軌跡規(guī)劃方法。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所提供的軟硬件資源上實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)等編程項(xiàng)目。通過(guò)本階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠理解工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)組織與考核? 在項(xiàng)目化教學(xué)過(guò)程中，項(xiàng)目組結(jié)構(gòu)、項(xiàng)目任務(wù)分配以及考核管理的合理性將影響實(shí)踐教學(xué)的效果。

1）項(xiàng)目組的結(jié)構(gòu)。以六套機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)備為基礎(chǔ)，單個(gè)班級(jí)的學(xué)生有40個(gè)，將學(xué)生分為兩個(gè)批次，每個(gè)項(xiàng)目組由一個(gè)負(fù)責(zé)人、2～3個(gè)組員構(gòu)成。每個(gè)小組一般由不同類(lèi)型的學(xué)生構(gòu)成，形成異構(gòu)的組內(nèi)成員，以保證其組員的多樣性。

2）項(xiàng)目組任務(wù)分配。在實(shí)踐教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)充分考慮學(xué)生的自身特點(diǎn)以及項(xiàng)目支撐的理論知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行任務(wù)分配。其中，初級(jí)與中級(jí)階段的項(xiàng)目要求所有學(xué)生必須完

成;而高級(jí)階段項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)組員在前期項(xiàng)目的完成效果和效率進(jìn)行任務(wù)分配，并且每個(gè)項(xiàng)目組至少完成其中一個(gè)項(xiàng)目。不同組完成相同項(xiàng)目時(shí)，其具體的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)不同。

3）項(xiàng)目組考核。隨著實(shí)踐項(xiàng)目階段的逐漸推進(jìn)，項(xiàng)目的完成難度和所占比重也逐步遞增，在實(shí)踐考核中的比重也應(yīng)該進(jìn)行調(diào)整。各個(gè)階段應(yīng)重點(diǎn)考慮過(guò)程考核，其中實(shí)踐操作與答辯驗(yàn)收各占30%。具體的項(xiàng)目階段考核以及實(shí)踐總評(píng)如表3所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)理念設(shè)計(jì)“工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)”的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。遞進(jìn)式項(xiàng)目化教學(xué)的開(kāi)展能夠使學(xué)生進(jìn)一步理解工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)的基本概念，深化理論教學(xué)的重難點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生能夠?qū)⑾嚓P(guān)理論知識(shí)應(yīng)用于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，充分鍛煉學(xué)生的綜合分析與知識(shí)應(yīng)用能力，有效地提高實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量。與此同時(shí)，提高學(xué)生的自學(xué)、文獻(xiàn)調(diào)研與整理等方面的能力?！?/p>

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