機器人研究在機械工程類應用創新型人才培養中的作用探索

莊未，黃用華，李雪梅，黃美發，劉夫云

摘要：圍繞機械工程類應用創新型人才培養的目標，探索機器人的研究在機械工程類應用創新型人才培養中的作用。以具體科研項目為例，從機器人軟件仿真和硬件設計兩方面進行了人才培養的改革實踐。

關鍵詞：機器人研究；機械工程；創新型人才培養

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

一、引言

培養應用創新型人才是“十二五”教育的重點。以此為導向，擺脫高校教育一直以來的以教為主、學生被動學習的“填鴨式”教學局面，燃起學生學習創造的熱情，培養學生樂于思考的意識和團結協作的精神，是高校教育教學迫切要改革與探索的地方。本文從機械工程類應用創新型人才培養的目標出發，結合學院具體科研項目的展開和推進，探索機器人的研究在應用創新型人才培養中的作用，并從機器人軟件虛擬樣機仿真和硬件系統設計兩方面進行了人才培養的改革實踐。

二、機械工程類應用創新型人才培養的目標

不同類型的人才具有不同的培養目標與具體要求，當前機械類學科的總體培養目標[1]是基礎扎實、適應性強、整體素質高的應用創新型人才。這類人才應該具備以下素質[2]：身心健康，求知欲強，思維敏捷，專業知識扎實，實踐經驗豐富，具有合作意識。

要實現這類人才的培養目標，需要從以下幾個方面著手：（1）突出素質教育。包括思想文化素質與科研工程素質。機械類學科人才培養的目標之一即是將所學知識有效地轉化為現實生產力的高素質工程技術人才。（2）鍛煉創新意識。目前，我國在向制造業強國轉變過程中需要大量具備創新思維與能力的機械類人才，服務于企業和社會。（3）強化實踐能力。只有具備扎實的理論知識與較強的實踐能力，才能勝任制造企業中的工程技術等崗位。

然而，目前高校機械類應用創新型人才培養過程中還存在以下問題。

1.培養模式單一。一些本科課程的實驗，內容死板，步驟固定，方法單一，學生按部就班的執行每一步就可以得到想要的結果。這樣的方式致使學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動起來。

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

3.課程偏理論、輕應用。一些課程理論性強、枯燥乏味難以吸引學生，抑或學生在學習過程中看不到應用的背景和前景，進而不愿意花時間去投入學習，而將更多的時間用來學習英語、計算機等與等級考試直接相關的課程。

三、機器人的研究對機械工程類應用創新型人才培養的積極作用

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

1.提高學生設計與動手能力。就機器人設計而言，從機械結構到硬件測控系統，都需要合理規劃與布局。機器人研發系統的搭建過程，一方面鞏固了學生的課堂所學，并提高了學生的動手能力，另一方面開動了學生腦筋，完成了學生的“學”到“用”到“創新性應用”的轉化。

2.增強團隊協作精神。從機器人的機械系統和測控系統設計到樣機實驗平臺的搭建，再到仿真實驗和物理實驗，整個過程需要多名學生協作共同完成。每位學生既要做好自己本職的工作，還要勤與其他學生溝通交流，及時反饋自己的進展及各種問題，增強團隊意識與協作精神。

3.培養學生解決問題的能力。一臺機器人樣機（包括虛擬樣機、物理樣機）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、減速器等的選擇與設計，各個電氣模塊類型、參數的確定等。在整個搭建過程中，學生會遇到許多在課堂上無法想象的問題，我們可以引導學生通過查找相關書籍、網絡資料、與組員溝通交流等途徑解決遇到的問題，培養學生分析問題、搜索知識方面的能力。

4.加強學生的多門課程知識的融合。機器人技術本身是一門新興、邊緣、交叉學科，機器人的研發過程需要學生具備工程力學、機械原理、機械設計、電子技術、嵌入式技術、傳感器技術、控制原理、計算機控制技術等多門課程知識，并完成課程間的知識融合，由單一的課程知識點到學科間的面，甚至形成知識體系。

5.寬口徑專業培養。機器人技術的研究誕生了一門新興的學科——機器人學[3]，它是力學、機械學、計算機科學、電子學、信息論、控制論等許多學科交叉、融合的結果。機器人技術的特點有利于培養具有交叉學科基礎的復合型人才。

四、機器人研究在本院人才培養中的改革實踐

一方面，筆者在本院講授《機械設計》、《機械動力學基礎》、《工業機器人技術》、《控制工程基礎》、《計算機控制技術》等課程，將6自由度工業機械臂以及學生研制的獨輪車機器人、自行車機器人作為實例，介紹線性代數、機械動力學與機器人技術、計算機控制技術等課程之間的關聯，提高學生對單一課程的重視程度，并從直觀、科學、實用等多個切入點引導學生的學習興趣和熱情。另一方面，針對畢業設計的學生從機器人軟件虛擬樣機仿真與硬件物理樣機設計兩方面加強學生的創新性培養。

1.機器人軟件虛擬樣機仿真方面。根據科學研究項目為學生制定子項目“基于ADAMS和MATLAB的肘型6-R機器人動力學聯合仿真”，“基于虛擬樣機的自行車機器人回轉運動平衡控制”。要求學生建立出機器人的虛擬樣機[4]，通過MATLAB軟件設計PID控制器，完成對虛擬樣機的控制。學生在設計過程中，自行設計機器人的機械傳動方式和幾何尺寸、規劃機器人行走路徑、調節PID參數等工作。遇到軟件使用、參數調節等各種問題通過同組人員間的討論、查找資料以及網絡資源等多途徑解決。圖1和圖2分別為6自由度機械臂末端執行螺旋線軌跡仿真圖以及動畫演示界面.學生在完成這項工作過程中，需要學習掌握相關軟件，包括三維建模軟件Pro/E、機械動力學分析軟件ADAMS、設計控制器的數學軟件MATLAB/Simulink、編寫演示界面的C++圖形化界面語言MFC。此外，還要進行機械設計、動力學建模、末端軌跡規劃、關節控制器設計等。最后，將基于多學科知識設計出的虛擬樣機結合多個軟件進行動態聯調和演示，每一步都需要學生開動腦筋、勤思考、溝通交流、勤實踐。例如，在軌跡規劃中，學生根據機械臂的不同工作狀態設計了幾種軌跡：焊接用的直線、圓軌跡，纏繞用的螺旋線軌跡，擰螺釘用的自轉提升軌跡。endprint

圖3為障礙物干擾下自行車機器人回轉運動圖，學生在指導教師規定的平衡運動基礎上，創造性的增加障礙物，在一系列調試得到平衡運動后，又通過改變障礙物的形狀、尺寸等參數討論車體平衡條件。

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

2.機器人硬件物理樣機設計方面。根據指導教師的在研國家自然科學基金項目，為學生制定子項目“前輪驅動自行車機器人物理樣機設計與制作”、“具有轉彎功能的獨輪車機器人硬件平臺搭建”。要求學生設計出機械傳動方案與測控系統方案，并搭建出實物樣機，完成各個功能模塊之間的聯調。圖4和圖5分別為學生研制的自行車機器人與獨輪車機器人物理樣機。為了便于各種傳感器的安裝，做機械設計部分的同學與做檢測系統設計部分的同學要經常溝通交流。

期間，學生對機器人這一機電一體化系統的興趣逐漸增加，主動協助實驗室的研究生學長進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想，比如擺把換向、騰空跳躍、旋把前進等。

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

五、結語

以機器人研究為平臺，以培養機械工程類應用創新型人才為導向，結合具體項目的特點探索人才培養模式改革，以期增強學生的創新意識、創新思維、創新能力，培養學生的團隊合作精神，強化學生的工程實踐能力，這是值得進一步探索的人才培養模式，可以為國家和社會發展提供所需的機械工程類人才。

參考文獻：

[1]李學藝，魏軍英，丁淑輝.應用創新型機械類人才培養模式研究[J].教育教學論壇，2012，（S5）：62-63.

[2]吳安平，邢鶴.應用型本科創新型人才培養模式的探索與實踐[J].長春大學學報，2011，21（12）：131-134.

[3]郭洪紅.工業機器人技術[M].西安電子科技大學出版社，2007：9.

[4]臧紅彬，周穎珗.虛擬樣機軟件ADAMS在工業機器人教學中的應用[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改革工程項目“機械工程類主動服務與應用創新型人才培養模式的研究與實踐”（2012JGZ114）；2012年桂林電子科技大學實踐教學改革項目“基于多體動力學的獨輪車機器人實驗平臺搭建”（ZL2435）。

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

圖3為障礙物干擾下自行車機器人回轉運動圖，學生在指導教師規定的平衡運動基礎上，創造性的增加障礙物，在一系列調試得到平衡運動后，又通過改變障礙物的形狀、尺寸等參數討論車體平衡條件。

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

2.機器人硬件物理樣機設計方面。根據指導教師的在研國家自然科學基金項目，為學生制定子項目“前輪驅動自行車機器人物理樣機設計與制作”、“具有轉彎功能的獨輪車機器人硬件平臺搭建”。要求學生設計出機械傳動方案與測控系統方案，并搭建出實物樣機，完成各個功能模塊之間的聯調。圖4和圖5分別為學生研制的自行車機器人與獨輪車機器人物理樣機。為了便于各種傳感器的安裝，做機械設計部分的同學與做檢測系統設計部分的同學要經常溝通交流。

期間，學生對機器人這一機電一體化系統的興趣逐漸增加，主動協助實驗室的研究生學長進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想，比如擺把換向、騰空跳躍、旋把前進等。

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

五、結語

以機器人研究為平臺，以培養機械工程類應用創新型人才為導向，結合具體項目的特點探索人才培養模式改革，以期增強學生的創新意識、創新思維、創新能力，培養學生的團隊合作精神，強化學生的工程實踐能力，這是值得進一步探索的人才培養模式，可以為國家和社會發展提供所需的機械工程類人才。

參考文獻：

[1]李學藝，魏軍英，丁淑輝.應用創新型機械類人才培養模式研究[J].教育教學論壇，2012，（S5）：62-63.

[2]吳安平，邢鶴.應用型本科創新型人才培養模式的探索與實踐[J].長春大學學報，2011，21（12）：131-134.

[3]郭洪紅.工業機器人技術[M].西安電子科技大學出版社，2007：9.

[4]臧紅彬，周穎珗.虛擬樣機軟件ADAMS在工業機器人教學中的應用[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改革工程項目“機械工程類主動服務與應用創新型人才培養模式的研究與實踐”（2012JGZ114）；2012年桂林電子科技大學實踐教學改革項目“基于多體動力學的獨輪車機器人實驗平臺搭建”（ZL2435）。

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

圖3為障礙物干擾下自行車機器人回轉運動圖，學生在指導教師規定的平衡運動基礎上，創造性的增加障礙物，在一系列調試得到平衡運動后，又通過改變障礙物的形狀、尺寸等參數討論車體平衡條件。

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

2.機器人硬件物理樣機設計方面。根據指導教師的在研國家自然科學基金項目，為學生制定子項目“前輪驅動自行車機器人物理樣機設計與制作”、“具有轉彎功能的獨輪車機器人硬件平臺搭建”。要求學生設計出機械傳動方案與測控系統方案，并搭建出實物樣機，完成各個功能模塊之間的聯調。圖4和圖5分別為學生研制的自行車機器人與獨輪車機器人物理樣機。為了便于各種傳感器的安裝，做機械設計部分的同學與做檢測系統設計部分的同學要經常溝通交流。

期間，學生對機器人這一機電一體化系統的興趣逐漸增加，主動協助實驗室的研究生學長進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想，比如擺把換向、騰空跳躍、旋把前進等。

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

五、結語

以機器人研究為平臺，以培養機械工程類應用創新型人才為導向，結合具體項目的特點探索人才培養模式改革，以期增強學生的創新意識、創新思維、創新能力，培養學生的團隊合作精神，強化學生的工程實踐能力，這是值得進一步探索的人才培養模式，可以為國家和社會發展提供所需的機械工程類人才。

參考文獻：

[1]李學藝，魏軍英，丁淑輝.應用創新型機械類人才培養模式研究[J].教育教學論壇，2012，（S5）：62-63.

[2]吳安平，邢鶴.應用型本科創新型人才培養模式的探索與實踐[J].長春大學學報，2011，21（12）：131-134.

[3]郭洪紅.工業機器人技術[M].西安電子科技大學出版社，2007：9.

[4]臧紅彬，周穎珗.虛擬樣機軟件ADAMS在工業機器人教學中的應用[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改革工程項目“機械工程類主動服務與應用創新型人才培養模式的研究與實踐”（2012JGZ114）；2012年桂林電子科技大學實踐教學改革項目“基于多體動力學的獨輪車機器人實驗平臺搭建”（ZL2435）。

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