協(xié)作式機(jī)器人在《機(jī)器人學(xué)》課程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用與探索

高斌 苗志懷

摘要：協(xié)作式機(jī)器人作為一種新型的機(jī)器人，在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，在面向機(jī)械類本科的機(jī)器人學(xué)課程中，以實(shí)際生產(chǎn)為出發(fā)點(diǎn)，將協(xié)作式機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺應(yīng)用到課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。采用監(jiān)督考核機(jī)制，開展基礎(chǔ)理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、研究型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和綜合類實(shí)踐項(xiàng)目。協(xié)作式機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺為學(xué)生深化理解課程理論知識，培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力提供了重要的保障。

關(guān)鍵詞：協(xié)作式機(jī)器人機(jī)器人學(xué)課程實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新實(shí)踐能力

Abstract： As a new type of robot， collaborative robots have been widely used in various fields. In the robotics course for mechanical undergraduates， taking the actual production as the starting point， the cooperative robot experimental teaching platform is applied to the course experimental teaching. It adopts the supervision and assessment mechanism to carry out basic theory verification experiments， research innovation experiments and comprehensive practical projects. The collaborative robot experimental teaching platform provides an important guarantee for students to deepen their understanding of course theoretical knowledge and cultivate innovative practical capabilities.

Key Words： Collaborative robots; Robotics; Course experiments; Innovative practical capabilities

機(jī)器人技術(shù)是一個多領(lǐng)域、多學(xué)科交叉的新工科方向，面對國家新工科建設(shè)的需求，各高校積極響應(yīng)，相繼為本科開展了機(jī)器人的相關(guān)課程[1-3]。機(jī)器人課程的開展能夠?yàn)閷W(xué)生提供設(shè)計(jì)多學(xué)科工程技術(shù)學(xué)習(xí)和工程能力培養(yǎng)的平臺。通過協(xié)作式機(jī)器人教學(xué)平的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力、問題解決能力、以及批判性思考的能力。

協(xié)作式機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺是面向機(jī)哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）機(jī)械類本科生，主要承擔(dān)了工程訓(xùn)練中機(jī)器人模塊、《機(jī)器人學(xué)》課程實(shí)驗(yàn)部分、機(jī)器人綜合課程設(shè)計(jì)、課外創(chuàng)新實(shí)踐活動等。實(shí)驗(yàn)平臺在實(shí)際應(yīng)用中兼顧了基礎(chǔ)理論驗(yàn)證、前沿理論對比、綜合實(shí)踐項(xiàng)目[4-5]，對于機(jī)械類本科生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有積極的意義。

本文通過哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）機(jī)電工程與自動化學(xué)院內(nèi)協(xié)作式機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺在本科《機(jī)器人學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，希望能為面向新工科的機(jī)械類本科機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有益的借鑒和探索。

1. 協(xié)作式機(jī)器人教學(xué)平臺建設(shè)

結(jié)合新工科的方向，以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）機(jī)電工程與自動化學(xué)院機(jī)械類本科生培養(yǎng)的需求，著力提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)和專業(yè)能力的培養(yǎng)，建設(shè)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的協(xié)作式機(jī)器人教學(xué)平臺?！稒C(jī)器人學(xué)》課程實(shí)驗(yàn)以機(jī)器人在當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用為核心內(nèi)容，注重學(xué)生的基礎(chǔ)訓(xùn)練，兼顧機(jī)器人發(fā)展的前沿方向，來拓展學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生動手實(shí)踐能力。

協(xié)作式機(jī)器人教學(xué)平臺融合多傳感器，以UR5e、UR3e、歐姆龍LD移動機(jī)器人為核心，將協(xié)作式機(jī)器人實(shí)際生產(chǎn)中抓取分揀、機(jī)床上下料、貼標(biāo)簽、電子器件裝配與焊接、產(chǎn)品缺陷檢測、點(diǎn)膠涂膠、產(chǎn)品裝配、移動搬運(yùn)等最常用的實(shí)際應(yīng)用場景作為教學(xué)平臺建設(shè)的依據(jù)[6]，如圖1所示，開發(fā)了以下10套協(xié)作式機(jī)器人教學(xué)平臺。

如圖2所示，學(xué)生在UR5e協(xié)作式機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺可以開展基礎(chǔ)理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、研究型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、綜合項(xiàng)目任務(wù)實(shí)驗(yàn)。在掌握機(jī)器人相關(guān)理論和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，訓(xùn)練學(xué)生的動手能力、操作能力和故障檢測與維護(hù)能力。同時機(jī)器人平臺是一個開放性的平臺，為學(xué)生提供了教學(xué)基礎(chǔ)以外的協(xié)作式機(jī)器人二次開發(fā)與研究功能，也可以結(jié)合當(dāng)前機(jī)器人研究熱點(diǎn)開展相應(yīng)的課題。

2. 協(xié)作式機(jī)器人實(shí)驗(yàn)方案

考慮到面向機(jī)械類本科生的機(jī)器人學(xué)課程的實(shí)際需求，為了讓學(xué)生在掌握基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，能夠熟練使用機(jī)器人完成特定的任務(wù)。協(xié)作式機(jī)器人教學(xué)平臺為《機(jī)器人學(xué)》課程實(shí)驗(yàn)提供的實(shí)驗(yàn)包括：基礎(chǔ)理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，研究型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，綜合類實(shí)踐項(xiàng)目。

2.1基礎(chǔ)理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

學(xué)生在學(xué)習(xí)了《機(jī)器人學(xué)》課程中相應(yīng)的機(jī)器人理論知識，為了學(xué)生能夠通過機(jī)器人驗(yàn)證這些理論，從而掌握這些理論知識，為后續(xù)綜合類實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)，開展基礎(chǔ)理論的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是非常必要的?；A(chǔ)理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)主要包含：UR5e工業(yè)機(jī)器人基本操作實(shí)驗(yàn)、UR5e工業(yè)機(jī)器人示教操作實(shí)驗(yàn)，基于UR5e的D-H模型建立實(shí)驗(yàn)、正逆運(yùn)動學(xué)求解及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以及機(jī)器人的軌跡規(guī)劃。

通過UR5e工業(yè)機(jī)器人基本操作實(shí)驗(yàn)和UR5e工業(yè)機(jī)器人示教操作實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生初步掌握機(jī)器人的基本操作，并能夠通過機(jī)器人自帶的示教器來完成目標(biāo)點(diǎn)之間的運(yùn)動規(guī)劃。為學(xué)生講解各種特殊情況下，如何安全操作機(jī)器人，從而保證學(xué)生的設(shè)備使用安全。

在學(xué)生掌握了機(jī)器人的基本操作之后，為學(xué)生開展D-H模型建立實(shí)驗(yàn)和正逆運(yùn)動學(xué)求解及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，這部分的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是機(jī)器人學(xué)的基礎(chǔ)理論的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，是為后續(xù)開展機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃任務(wù)的基礎(chǔ)。

之后進(jìn)行軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生分別在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間內(nèi)完成空間中的直線和圓弧軌跡規(guī)劃，初步了解如何控制機(jī)械臂在空間中完成運(yùn)動規(guī)劃任務(wù)，為后續(xù)完成綜合性的項(xiàng)目打下基礎(chǔ)。

2.2研究型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

學(xué)生在完成基礎(chǔ)理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為學(xué)生提供了研究型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，其中包括不同D-H模型下運(yùn)動學(xué)求解的對比、不同逆運(yùn)動學(xué)求解算法以及求解效率對比、不同軌跡規(guī)劃算法及規(guī)劃效率的對比。為學(xué)生提供該類實(shí)驗(yàn)的目的是讓其了解目前科研和生產(chǎn)實(shí)際中機(jī)器人基本理論的實(shí)際應(yīng)用情況[7]，在基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)實(shí)際需求，使用者對其做了哪些改變。

不同D-H模型下運(yùn)動學(xué)求解的對比，在機(jī)器人學(xué)中，通常由標(biāo)準(zhǔn)型和改進(jìn)型D-H模型。對兩種D-H模型的建立方式進(jìn)行對比，分析其區(qū)別;同時在這兩種D-H模型基礎(chǔ)上，建立的運(yùn)動學(xué)模型之間的區(qū)別。

不同逆運(yùn)動學(xué)求解算法以及求解效率對比，在逆運(yùn)動學(xué)的求解上，通常由兩種方案，即數(shù)值法和解析法。讓學(xué)生在不同D-H下對比兩種不同的逆運(yùn)動學(xué)求解算法的優(yōu)缺點(diǎn)，深入理解逆運(yùn)動學(xué)求解的機(jī)理。同時對比目前常用的機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)求解庫，如KDL、TRAC-IK、IKFAST等，充分了解目前科研和實(shí)際常用的運(yùn)動學(xué)求解庫的求解過程，以及求解效率等。

不同軌跡規(guī)劃算法及規(guī)劃效率的對比，機(jī)器人在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間下，兩點(diǎn)之間運(yùn)動的軌跡規(guī)劃。以及目前常用的RRT、PRM、優(yōu)化算法、可視圖法、柵格法、人工勢場法等方法，對比不同的軌跡規(guī)劃算法之間的優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)際規(guī)劃的效率。

2.3綜合類實(shí)踐項(xiàng)目

綜合類實(shí)踐項(xiàng)目的開展，是課程實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充，讓學(xué)生以小組的形式參與到項(xiàng)目中，充分鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。在創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)地進(jìn)行研究型的實(shí)踐項(xiàng)目類活動，通過主動探索的方式進(jìn)行實(shí)踐項(xiàng)目研究，可以有效的增加學(xué)生課程實(shí)驗(yàn)的參與度，對于本科生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有重要的意義。

綜合類實(shí)踐項(xiàng)目主要包括基于機(jī)器人示教器的項(xiàng)目任務(wù)和基于C++＼Python在線編程的機(jī)器人項(xiàng)目任務(wù)，其中在線編程的機(jī)器人項(xiàng)目任務(wù)有基于2D視覺、3D視覺、多傳感器的三類項(xiàng)目，學(xué)生可以在Window下或者在Ubuntu下利用ROS完成項(xiàng)目任務(wù)。學(xué)生在完成綜合類實(shí)踐項(xiàng)目的過程中，對相關(guān)知識得到了充分的應(yīng)用，對其綜合能力的提高有著顯著的幫助。

3. 協(xié)作式機(jī)器人相關(guān)實(shí)驗(yàn)的開展

《機(jī)器人學(xué)》課程實(shí)驗(yàn)是《機(jī)器人學(xué)》課程中一個重要的環(huán)節(jié)，對學(xué)生進(jìn)一步鞏固理論知識有著很大的幫助?！稒C(jī)器人學(xué)》課程是哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）機(jī)械類本科生的專業(yè)必修課，主要是面向大三的機(jī)械類本科生，課程的實(shí)驗(yàn)部分分為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和綜合課程設(shè)計(jì)兩部分。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)包含基礎(chǔ)理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和研究型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，綜合課程設(shè)計(jì)部分主要是以小組為單位完成一個綜合類的實(shí)踐項(xiàng)目。

3.1開展形式

實(shí)驗(yàn)的開展通過課前預(yù)習(xí)-教師講解-完成實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ介_展，教師把上課所需的材料提前發(fā)給學(xué)生，學(xué)生在課前提前進(jìn)行預(yù)習(xí)，這樣可以有效地提高課堂的效率，使得學(xué)生有充足的時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作?；A(chǔ)理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為必做實(shí)驗(yàn)，研究型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為選做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在完成必選實(shí)驗(yàn)部分，可以根據(jù)學(xué)生的能力和興趣，選擇完成研究型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。最后綜合類實(shí)踐項(xiàng)目作為《機(jī)器人學(xué)》課程的延續(xù)，在綜合課程設(shè)計(jì)的課程上學(xué)生將以小組的形式，自由選題，完成選定的項(xiàng)目。

3.2考核方式

《機(jī)器人學(xué)》課程實(shí)驗(yàn)強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合，在學(xué)生完成基礎(chǔ)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，完成綜合類實(shí)踐項(xiàng)目，同時引入成績綜合考核機(jī)制，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行考核。為了有效地提高學(xué)生的參與度，引入考核監(jiān)督機(jī)制，督促學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[7-8]。

實(shí)驗(yàn)的最終成績包含“平時表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)成果展示與答辯匯報(bào)”等部分組成。實(shí)驗(yàn)前給學(xué)生下達(dá)實(shí)驗(yàn)任務(wù)書以及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，根據(jù)任務(wù)書和指導(dǎo)書完成指定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生的平時表現(xiàn)占實(shí)驗(yàn)成績的20%，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告占實(shí)驗(yàn)成績的40%，實(shí)驗(yàn)成果展示與答辯匯報(bào)占實(shí)驗(yàn)成績的40%。

學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)后，需要現(xiàn)場演示與答辯交流。學(xué)生需要完整的講述自己實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成情況，展示自己的實(shí)驗(yàn)流程，教師根據(jù)展示情況，現(xiàn)場進(jìn)行提問。課程結(jié)束后，選出優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行交流分享，有相關(guān)學(xué)生對于自己完成項(xiàng)目過程中，是如何解決各類問題，對于課程中的理論是如何應(yīng)用等，這樣學(xué)生可以深化對課程知識的理解，同時對實(shí)踐能力也有一定的提高。

4.結(jié)語

本文中，協(xié)作式機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺為哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）機(jī)械類本科《機(jī)器人學(xué)》課程群提供了重要的平臺支撐。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，課程的實(shí)驗(yàn)部分分為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和綜合課程設(shè)計(jì)兩部分。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)包含基礎(chǔ)理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和研究型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，綜合課程設(shè)計(jì)部分主要是以小組為單位完成一個綜合類的實(shí)踐項(xiàng)目。最后通過演示和答辯的形式最終進(jìn)行考核。通過把協(xié)作式機(jī)器人引入到機(jī)械類本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅開拓了學(xué)生的視野，使學(xué)生可以接觸到前沿的機(jī)器人技術(shù)，同時對學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)有著非常積極的作用。目前基于協(xié)作式機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺開展的各類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，滿足了從理論到實(shí)踐，從虛擬仿真到實(shí)物操作的教學(xué)實(shí)踐要求，輔助學(xué)生將知識融會貫通，培養(yǎng)了學(xué)生工程綜合能力;同時為機(jī)器人相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)開拓了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新途徑。

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