機器人技術課程教學改革與探索

孫伏，侯紅玲

機器人技術課程教學改革與探索

孫伏，侯紅玲

（陜西理工大學機械工程學院，陜西漢中723001）

針對當前我校研究生機器人技術課程內容和教學方法存在的問題，從教學目的出發，根據課程重要地位、當前機器人技術發展現狀和核心技術，提出課程內容和教學方法改革思路，教學內容豐富，教學體系完善。該改革強調思路引導的教學方法，結合項目式教學、主題式教學，機器人大賽以及網絡資源，加強理論和實踐結合，增加學習興趣，從而提高教學質量。

機器人技術；教學體系；項目式教學；主題式教學

機器人技術是機械工程學科的一門重要研究生課程。由于我校開課時間短，教學條件有限，當前教學偏向于基本理論和基本分析技術，對當前機器人的研究問題和發展新技術涉及較少，學生在此基礎上進行創新有一定難度。而機器人是中國制造2025中大力發展的重點突破領域，研究生畢業后繼續從事研究的可能性很大。

本文通過分析機器人技術發展現狀和核心技術，以提高學生掌握通用知識和提高應用創新能力為目標，在“以學生為中心”的思想指導下，完善和優化課程的教學內容，探索教學方法，完善課程教學中的教學實驗條件。

1 當前機器人技術發展概述

1.1 機器人的分類和技術發展現狀

按照技術發展，機器人分為第一代機器人，主要是指按預先示教的位置和姿態進行重復動作的機械；第二代機器人是指具有如視覺和觸覺等外部感覺功能的機器人；第三代機器人除了具有如視覺的功能外，還具有規劃和決策的功能，從而可以適應周圍的環境變化而自主地進行工作；第三代機器人現在還主要處于研究階段，實際應用還有一定的距離。

按結構特點，機器人可分為固定基礎機器人，如直角坐標機器人、圓柱坐標機器人、極坐標機器人、SCARA型機器人、移動機器人、仿人機器人等。

按照應用領域，可分為工業機器人、服務機器人、軍用機器人和社會發展與科學研究機器人。工業機器人[1]主要集中在汽車、電子生產中，隨著勞動力成本上升，已在各種生產加工中擴展開來。建筑、農業、采礦、災難救援等非制造業行業，國防軍事領域、醫療領域、日常生活領域等對機器人的需求越來越大。服務機器人[3]在老人、小孩的陪伴、助殘、醫療、危險救災方面快速發展起來，并不斷向更高的智能化、模塊化和網絡化方向發展。

機器人的研究趨勢如下[2]：

（1）機械電子結構的標準化、模塊化、微型化及具有可重構性；

（2）新型傳感器和多傳感器融合技術；

（3）伺服驅動技術的數字化集成化及分散化；

（4）新型智能技術如虛擬技術；

（5）控制技術的開放化網絡化及PC化。

1.2 機器人核心技術

機器人系統的五大要素為：本體與作業工具、規劃編程、驅動控制、感知處理和人機交互。

根據歷史研究文獻，國內外對工業機器人的研究熱點問題主要分為三個方面：仿生機器人與新型機構、機器人的定位與地圖創建、機器人-環境交互。

仿生機器人如對人行走時的步態分析，雙足步行機器人的復雜地面運動的研究，對動物如蛇、魚的結構以及運動性能的研究。隨著時代對機器人柔性程度和精度要求越來越高，可重構機器人和并聯機構的研究成為了必然。

隨著工業機器人技術的發展，由室內到室外，由結構環境到非結構的復雜環境，使機器人創建環境地圖的同時進行自主定位和導航成為一大熱點問題。

機器人-環境交互主要表現為機器人對作用對象的識別、路徑規劃，最后實現自主導航完成任務。機器人最重要的功能是輔助或完全替代人類完成作業任務，因而它的路徑規劃與導航問題也一直是研究的焦點。

2 教學內容與教學方法改革

本課程的主要內容是機器人基本知識和技能的構建，重點學習機器人結構設計、運動學、動力學、控制技術和路徑軌跡規劃等內容。當前偏重于機器人運動學和動力學，課時長，而路徑軌跡規劃、智能控制等課時少，動手能力差。理論講解多，學生的興趣有待提高。

機器人技術是光機電一體化的綜合技術，經典的機械和電氣控制系統設計理論是基礎，而研究生已有了本科基礎知識，教學內容應重視學生在科研和以后工作中的實際應用，從提高研究生的理論研究水平和解決實際問題能力等多方面培養學生，增強學生的學習動力與積極性，從而提高教學效果。

因此，教學改革的關鍵是在提煉當前機器人發展的共性核心技術基礎上，對課程內容進行調整和改革，引入新的教學方法和技巧，其次為學生提供實驗條件和方法。

2.1 教學內容改革

從教學內容調整的角度，以工業機器人技術為主，兼顧服務機器人技術、移動機器人、仿生機器人等。

機械結構設計部分，從選材的特點、常用典型傳動和機構、串聯機器人典型結構等幾方面，分析的幾大關鍵技術，如小型減速器、材料、并聯機構等，引導學生針對新技術，查找相關文獻。教學中增加精密減速器、并聯機構以及可重構機構內容，了解基本知識，為研究打下基礎。

增強機器人控制、視覺控制、觸覺控制和機器人路徑軌跡規劃、避障方法、機器人導航技術、智能機器人技術的內容，力求通過該課程的學習讓學生們既能比較深入地掌握機器人的運動學和動力學，同時對于其他相關的理論也有基本認識，完善知識體系。

2.2 教學方法改革

由于機器人技術涉及內容多，范圍廣，在教學方法上進行了以下改革。

（1）引入翻轉課堂。研究生已經有了專業的基礎理論，有一定的自學能力。教學方法上，翻轉課堂形式對運動學分析和動力學分析較合適，可以先介紹運動學和動力學思路和方法，引導學生建立基本理論；再通過案例分析，以某機械手為研究對象，學生自學具體過程，完成推導計算和驗證過程；最后上課檢查和答疑，再補充其他情況的相關內容，這樣一方面減少抽象的理論講解，使學生針對具體問題尋找公式和思路，學生成為教學的主體，從而在體驗中加深理解，另一方面節省課堂時間。

（2）引入專題式教學。例如兩周集中學習視覺控制，結合實例學習相關傳感器、信號采集與處理方法、控制方法，通過分析、討論與講解結合，形成完整系統的知識結構。

（3）以“專題論文”作業形式，查閱科技文獻，收集專題論文資料，了解當前的發展現狀和新技術。不僅培養了學生查閱文獻的能力，而且擴展了知識面，鍛煉科技論文的寫作能力。

3 實踐能力培養

機器人技術是一門綜合性應用技術，理論要求高、發展快、實踐性強。實物、實踐過程可以促進學生對理論的理解和掌握，激發學習興趣。

基本層次上，需要開發課程實驗，提供一種能夠在“做中學”的項目式教學環境[7]，增加應用體驗，加強理論知識的理解和應用創新，如通過教學機器人RBT-6T認識六自由度關節型機器人；通過慧魚機器人實驗可練習機器人本體結構的構思和搭建以及控制編程；開展以虛擬機器人為平臺的課程教學或虛實結合的課程教學，如ABB公司的虛擬綜合平臺RobotStudio.在老師的引導下，根據個人的興趣，借助某一環境完成一次全面的實驗。

較高層次上可以為學生提供相關模塊，設計搭建機器人，進行動作控制[8]，此過程需要細致指導，工作量大。同時，還可以帶領學生參加機器人各種層次的機器人大賽、編程大賽等，如國際機器人比賽如機器人足球競賽（包括RoboCup和FIRA）、機器人滅火競賽、機器人綜合競賽，國內的各種大學生機器人大賽等。

隨著網絡應用的普及，也出現了機器人主題網站、機器人網絡教學、機器人競賽網等數字媒體，可以輔助教學，擴展知識。

4 結束語

針對當前教學中課時少，課程內容多、理論技術要求高、發展快的問題，結合機器人的類型與發展現狀、核心技術的分析，提出了課程教學內容和教學方法的改革思路，強調“以學生為中心”的教學過程，主要表現在：

（1）在理論性較強的運動分析和動力學分析中，引入翻轉課堂教學，課堂上講授基本思路和概念，學生課外針對實例分析，再答疑和評價補充。

（2）通過教學內容和方法改革，完善研究生的知識體系結構；

（3）通過專題式教學，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，通過查閱文獻資料，了解發展現狀，掌握基本技術。

（4）盡量給學生提供實踐機會，提供可用的網站，增加學生的工程實踐訓練，有利于對理論的掌握和活學活用。

[1]趙杰.我國工業機器人發展現狀與面臨的挑戰[J].航空制造技術，2012（12）：26-29.

[2]曹文祥，馮雪梅.工業機器人研究現狀及發展趨勢[J].機械制造，2011（558）：41-43.

[3]宋章軍.服務機器人的研究現狀與發展趨勢[J].集成技術，2012，1（3）：1-9.

[4]王田苗，陶永.我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略[J].機械工程學報，2014（9）：1-13.

[5]王國彪，陳殿生，陳科位，張自強.仿生機器人研究現狀與發展趨勢[J].機械工程學報，2015（13）：27-44.

[6]程仙國，孫慧平，李占濤.《工業機器人技術》課程教學改革與實踐[J].寧波工程學院學報，2015（4）：104-108.

[7]李霞，周強，魏敏.《機器人技術基礎》課程教學探究[J].農業網絡信息，2015（1）：132-135.

[8]陳虹.普通綜合性高校開展機器人技術實踐教學的初步探討[J].計算機教育，2010（19）：132-135.

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

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

孫伏（1969-），女，陜西富平人，副教授，工學碩士，主要研究方向：先進制造技術，機構設計與綜合。