機器人機構學課程教學探索

摘 ?要 針對我國高校機器人專業剛剛起步的特點，結合學校開展機器人教育的現狀進行分析研究，提出機器人工程專業機器人機構學課程教學內容的初步方案，并針對課程特點對教學方法進行初步探索，對機器人專業建設和機器人機構學教學研究有一定的指導意義。

關鍵詞 機器人;機器人機構學;機器人工程;MATLAB

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）14-0063-03

Abstract In view of the characteristics of just beginning in the robo-tics specialty in Chinas colleges and universities， analyses and stu-dies the current situation of Robotics Education in our university， thispaper puts forward the preliminary plan of the teaching content of robotics mechanism course for robotics engineering specialty， and makes a preliminary exploration of the teaching method according to?the characteristics of the course. This paper has certain guiding sig-nificance for the construction of robotics specialty and the teaching research of robotics mechanism.

Key words robot; robotics mechanism; robotics engineering; MATLAB

1 引言

機器人學是與機器人設計、制造和應用相關的科學，又稱為機器人技術或機器人工程學，主要研究機器人的控制與被處理物體之間的相互關系。因此，機器人教育已經成為工程教育尤其是高校工程教育的重要發展方向。2016年，東南大學在國內首先開設了機器人工程本科專業，之后很多高校陸續新增機器人工程專業，僅2017年就有60所。但是相對于日益膨脹的對機器人專業人才的需求，高校對于機器人工程專業的專業體系設置和專業課程教學內容的設置還有很大不足[1]。

機器人機構學是一門研究機器人系統中構件和運動各自特點與相互連接的學科，是機構學在機器人這一研究本體上的具化。同時，由于機構學研究是機器人學研究的基礎和重點，在機器人工程專業的專業體系設置中，機構學的課程設置就顯得尤為重要。

本文在對國內外高校機器人學和機構學教學調研的基礎上，以三江學院機械與電氣工程學院機器人工程專業為例，提出一種針對機器人機構學這一專業課程設置和建設的探索思路。

2 國內外機器人及機器人機構學教學現狀

雖然機器人工程專業的設置較晚，但對機器人學的教學研究已經持續很長一段時間，國內外很多高校在本科和研究生階段開設了和機器人及機器人機構學相關的課程。

國內的機器人課程最早開設在研究生階段，近年來很多高校在機械、自動化等專業的本科階段也陸續開設此課程。這類課程多以機器人概論、導論為主，其主要教學目的是通過課程學習使學生掌握機器人機構學、運動學、控制學、人工智能等和機器人相關的各方面知識。但由于機器人學牽扯到的知識面較廣，在單一課程內講述機器人學往往不切實際，通常的做法是結合不同的專業背景和前置課程的設置，對機器人學進行有側重點的教學[2]。

相對于機器人學課程，機構學課程的研究范疇則相對單一。國內外高校通常在機械工程相關專業的本科和研究生階段會開設機構學相關課程。其中國內高校的機構學課程開設相對傳統，一般情況下在本科階段開始機械原理課程，在研究生階段開始高等機構學課程。國外高校針對機械工程類本科教學與國內類似，通常在機械設計基礎等課程內講述初等機構學的相關知識;而在研究生階段，除了有些高校開設的高等機構設計、高等動力學和機構學等課程以外，很多高校則選擇把機構學和機器人學相結合，開設了類似于機器人機構學的課程，主要講述和機器人相關的機構學知識[3]。

國內最早把機器人機構學作為單獨的課程設置同樣出現在研究生階段，這類課程主要建立在機械原理、機械設計、機器人學導論甚至高等機構學之上，主要講述工業機器人的空間機構學模型和空間連桿機構的運動學分析。這類課程要求學生有較為扎實的數學、力學、運動學和機構學基礎。

3 機器人機構學教學內容設置

機器人專業課程設置 ?表1所示為三江學院機器人工程專業的學科專業課程設置，其中在第五學期開設48課時的機器人機構學課程，該課程是除了機器人導論這一專業導論課程外第一門真正意義上的專業課程。課程的前置課程有工程力學、MATLAB及應用、線性代數（通識課未見表1，開課學期為第三學期），后續為機器人系統設計課程服務。另外，專業基礎課程中開設了機械設計，未開設機械原理。

由此可見，對于機器人工程本科專業而言，機器人機構學課程需要承擔機構學基本概念、常見機器人機構分析與設計、機器人位姿描述、機器人運動學分析等多個模塊，是機器人專業課程中唯一的對于機器人機構分析和設計的課程，課程重要性不言而喻。

機器人機構學課程教學設置 ?如上文所述，傳統的機器人機構學課程多設置在研究生教學階段，面向的是有一定機器人學和機構學知識的研究生，且課程內容主要包括機器人連桿機構及其運動學、動力學分析，課程并沒有對機構學基礎概念和理論以及機器人本身的位姿描述進行研究和闡述。而對于本科階段機器人工程專業的機器人機構學課程來說，主要是對機構學、機器人學、常見機器人機構這三個方面的闡述和講解[4]。因此，針對機器人工程本科專業機器人機構學的教學，應包括機構學基本概念和常見機構分析與設計、機器人學基礎知識、臂型機器人（移動機器人）運動學與動力學分析這三大模塊。

機構學基本概念和常見機構分析與設計是機構學的基本內容，在此模塊中要求闡述機構學中關于機構的結構分析、運動分析和力分析的方法，介紹連桿機構設計與分析方法，齒輪及齒輪系機構設計與分析的方法。其中關于機構的結構分析、運動分析和力分析是機構學的基礎，也是機器人結構設計的基礎，對認識機器人以至其他一般機械機構有指導性意義，是本模塊的重點。連桿機構設計與分析以平面四桿機構和空間開式鏈為例，附以并聯機構，由簡入難，逐步介紹了機器人學中常見的機構連桿類型及分析設計方法，對后期對機器人機構的認識有很大幫助。最后簡單介紹齒輪和齒輪系機構設計分析的方法，對理解機器人減速機構有一定的指導意義。

機器人學基礎知識主要包括機器人的位置與姿態描述、運動與時間關系這兩部分內容，其中機器人的位置與姿態描述是機器人連桿分析的基礎，牽扯到和機器人相關的空間數學表示，是傳統機器人學的重點，也是本課程第三部分的基礎。而運動與時間的關系則從時域的角度考慮機器人運動學，討論和運動學相關的坐標系、軌跡等相關概念。

臂型機器人機構運動學與動力學分析以工業臂型機器人為研究對象，首先對臂型機器人進行空間機構描述，并在此基礎上介紹工業機器人的運動學和軌跡分析方法，介紹機械手的速度關系、動力學分析方法并由此引出關節控制的方法。在主要介紹臂型機器人機構的同時，介紹移動機器人的常見機構類型及設計方法、移動機器人的導航與定位[5]。

4 機器人機構學教學方法探討

機器人工程是一門新興的專業學科，由于國內在2016年才開設此專業，因此，針對本科教學的機器人機構學課程從課程內容安排和要求上，都沒有太多成熟的經驗借鑒。同時，機器人機構學也是一門多學科交叉、內容龐雜、難度較高的課程。所以，對于本科教學尤其是應用型本科教學而言，機器人機構學課程教學一定是在覆蓋知識面的同時降低課程難度，才能獲得更好的教學效果。

強調基礎與實踐并行 ?機器人機構學是一門理論性較強的課程，而同時兼具實踐指導意義。機器人學中的數學基礎、機構學中的力學基礎等都是理論性較強的內容，也是本課程乃至整個專業的重點，所以在課程教學過程中一定要抓住重點，夯實基礎。同時，在講述課程時還要注意和實踐相結合，多舉實例，讓學生明白理論基礎在機器人機構設計與分析中的作用。

以專業為背景，強調課程間的交叉結合 ?機器人機構學是機器人學中的重要專業課程，是專業基礎課向專業課的邁進和銜接。在課程教學過程中一定要注重此課程對后續課程的影響和對整個專業的作用，讓學生在學習過程中不但理解學了什么，而且理解為什么學和學了以后干什么。同時，在教學過程中還要穿插數學、力學等基礎學科的復習和補缺，使學生在專業學習的整個體系中理解相互關系。

強調MATLAB等計算機工具在教學中的作用 ?機器人機構學中牽扯大量的矩陣及其他數學運算，學生在學習過程中經常會本末倒置，把精力放在運算上。但實際的機器人機構學研究中早就利用了各種工具來代替基礎運算，尤其是MATLAB軟件除了基礎數學運算以外，還有針對機器人學開服的模塊，在機器人機構學乃至整個專業教學過程中，都應主動使用此類工具來簡化運算難點，突出教學重點。

突出以項目為導向的教學方式 ?傳統的專業教學往往是先講述基礎概念，再講述計算和分析方法，最后進行實例分析。而以項目為導向的教學方法則與此相反，往往是先拋出和課程密切貼合的實例項目，分析項目的需求，再針對需求尋找解決方法。對于機器人機構學課程來說，首先對經典的臂型機器人和移動機器人進行分析，拋出機構學在此問題中所能起到的作用，緊接著在介紹每一章節的內容時闡述對整個項目的作用。這種以項目為導向的教學能夠很好地讓學生理解課程內容開始的意義和彼此之間的相關性。

5 總結與展望

本文對機器人機構學的教學內容和教學方法進行了分析和探索，提出針對機器人工程這一本科專業的機器人機構學教學應包括的主要內容和重點，并以此為基礎，指出在機器人機構學教學過程中應注意的教學方法。

機器人機構學是一門新興的學科，對課程內容的把握還應隨著教學實踐加以修正。如何在后期的課程教學中通過教師、學生以及用人單位的反饋，修改教學內容和改進教學方法，是該課程教學改革探索的方向。

參考文獻

[1]戰強，閆彩霞，蔡堯，等.機器人教學改革的探索與實踐[J].現代教育技術，2010，20（3）：144-146.

[2]張奔.以實踐為導向的機器人教學改革探索[J].中國教育技術裝備，2017（6）：91-92.

[3]吳宇列，吳學忠，席翔.機構學研究生課程中美大學比較分析[J].高等教育研究學報，2016，39（3）：64-70.

[4]馬香峰.機器人機構學[M].北京：機械工業出版社，1991.

[5]Corke P.機器人學、機器視覺與控制：MATLAB算法基礎[M].北京：電子工業出版社，2016.