機器人技術與應用項目式教學模式探索

李春玲 楊萍 鄭海霞 張淑珍

摘 要 隨著科學技術的發(fā)展，機器人技術在實踐教學中要求實施“基礎-綜合-系統(tǒng)-創(chuàng)新”的培養(yǎng)體系，才能不斷適應社會需求。本文分析了當前機器人技術教育教學中存在的問題，積極探索實踐教學模式，實施機器人技術課程項目式教學，以激發(fā)學生學習興趣，提高機器人技術與應用課程的教育教學質量。

關鍵詞 工業(yè)機器人 項目式教學 機器人大賽

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2020.09.030

Abstract With the continuous development of "system based technology"， robot technology can adapt to the needs of society. This paper analyzes the problems existing in the current robot technology education and teaching， actively explores the practical teaching mode， implements the project-based teaching of robot technology course， in order to stimulate students' interest in learning and improve the teaching quality of robot technology and application course.

Keywords industrial robot; project teaching; robot competition

0 概述

近年來，智能制造在世界各國獲得了迅速發(fā)展， 機器人技術作為制造領域的優(yōu)勢技術，其發(fā)展代表了一個國家人工智能的水平，社會對高層次機器人工程師的人才需求也越來越迫切。因此，機器人技術的教育教學也成為高等教育的重點關注之一。[1-3]目前，機器人技術呈現(xiàn)出“應用領域廣泛、專業(yè)知識多樣、設計精細化要求高、仿生高科技難”的趨勢。[4]國內外許多高校都開設了機器人專業(yè)，相關機械專業(yè)開設了機器人方面的課程，傳統(tǒng)教學講授模式枯燥無味，已經(jīng)不能完全符合新時期人才培養(yǎng)需求。如何培養(yǎng)符合新時代產(chǎn)業(yè) “知識型、技能型、創(chuàng)新型”要求的機器人技術應用高素質技能人才成為最為緊迫目標。本文以機器人課程實驗、全國大學生機器人競賽作為實踐環(huán)節(jié)訓練平臺，對機器人技術課程教學采用項目式教學。通過本課程的教學，使學生在熟悉機器人理論知識的同時，重點是多學科知識的綜合應用，培養(yǎng)學生機器人技術應用能力，達到機械設計及制造自動化專業(yè)人才培養(yǎng)要求。

1 機器人技術教育教學中存在的問題

（1）機器人技術基礎知識復雜，難以全面掌握。機器人技術課程主要內容包括：機械系統(tǒng)、運動學、動力學、軌跡規(guī)劃以及控制等，涉及基礎課程：機械原理、機械設計、機械制造，電子電路技術、自動控制原理、傳感器技術等。在教學時間內，如果學生跨學科知識結構不全，難以全面掌握。對于機械類的學生來說，自動控制、機器人編程等基礎知識較為薄弱，當學生主動性不強時，就導致學生對課程的學習失去積極性。

（2）機器人技術理論教學抽象枯燥，難以調動學生積極性。機器人運動學、動力學模型的建立較為復雜，以及抽象的微分運動分析等，很容易讓學生望而卻步，機器人運動學用來解決位置控制問題，而動力學研究機器人運動和機器人關節(jié)電機輸出力之間的關系。大部分學生都認為只要學到基本操作知識就可以，不愿意再深入進行設計和研究，導致學生的實踐動手能力弱，致使教育教學活動氛圍不理想。求解機器人的逆運動學方程更為復雜，而這部分知識也是機器人課程中必須理解、掌握的重點。

（3）機器人技術傳統(tǒng)教學模式，已不能完全適應人才培養(yǎng)模式。目前，機器人技術與應用采用傳統(tǒng)理論教學模式，教學形式單一、枯燥乏味，知識苦澀難懂，沒有與之對應的實踐課程教學，學生缺少學習興趣和熱情。如果老師本身從學校畢業(yè)就開始任教，沒有專業(yè)的實踐工程經(jīng)驗，課程教學脫離實際工程背景，缺乏對學生相關動手操作方面的訓練，學生對機器人核心內容的理解停留在概念方面。因此，采用傳統(tǒng)的課程教育模式已經(jīng)不能完全適應培養(yǎng)高素質專門人才。

（4）實踐教學平臺和實習實訓基地不足，難以提升學生創(chuàng)新思維和實踐能力。機器人技術教學在高校迅速發(fā)展，機器人技術實驗室、實訓基地等實踐教學平臺嚴重不足，教學儀器較少，學科知識交叉，學生的知識結構不夠全面，致使機器人技術尚未形成系統(tǒng)的教學體系，學生對很多概念無法理解，缺少對與本課程相關的其他課程的串聯(lián)和銜接，且課程方案中對實踐教學環(huán)節(jié)突出不足。與一些理論概念課程不同，機器人技術是多學科專業(yè)知識的綜合，如果學生缺乏實踐實驗活動的鍛煉，就喪失了真正的教學意義，無法通過實踐教學進一步理解理論教學的重難點。在選擇具體的工業(yè)機器人平臺實驗時，應該尋求開放程度較高的品牌，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

2 機器人技術項目式教學設計方案

目前，機器人技術呈現(xiàn)出“應用領域廣泛、專業(yè)知識多樣、設計精細化要求高、仿生高科技難”的趨勢。傳統(tǒng)教學講授教學模式枯燥無味，已經(jīng)不能完全符合新時期人才培養(yǎng)需求。對機器人技術課程教學采用項目式教學，具體做法如下：

2.1 明確機器人技術課程教學目標

根據(jù)新時代產(chǎn)業(yè)對人才培養(yǎng)的需求，本文結合本校的實驗以及實訓平臺，設計項目式教學任務，以提高學生的實踐能力為核心，制定的主要教學內容如下。

（1）工業(yè)機器人的認知，如工業(yè)機器人基本參數(shù)組成及技術參數(shù)，工業(yè)機器人各組成部分，了解機器人技術發(fā)展過程和前沿技術，培養(yǎng)學生積極發(fā)現(xiàn)問題、并初步具有分析問題的能力，通過課堂理論學習，使學生了解機器人的基本概念，本部分的實驗內容在機器人實驗室進行，學生主要觀察機器人的組成部分，查看技術參數(shù)。

（2）掌握工業(yè)機器人機械系統(tǒng)組成，尤其是典型六自由度關節(jié)型機器人的結構特征，以及并聯(lián)機器人結構，能根據(jù)應用要求設計簡單構型機器人結構;掌握機器人常用的驅動裝置，減速裝置，如諧波減速器，RV減速器的結構和工作原理，具備綜合運用理論和技術手段設計機器人機械系統(tǒng)的能力。本部分的實驗內容主要有并聯(lián)機器人的結構特點分析，并熟知六自由度機器人的機械結構。

（3）掌握典型機器人運動學分析方法，獨立建立多自由度串聯(lián)機器人位姿方程、運動學、動力學方程，并進行求解。掌握機器人位置控制方法，會設計與選擇適用的機器人控制器。掌握機器人常用的控制方法及控制特點，能簡單編寫部分電路，具備設計機器人基本控制系統(tǒng)的能力。本部分的實驗內容主要有六自由度機器人正、逆運動學分析及求解，串聯(lián)機器人的手動控制實驗，在機器人實驗室進行。

（4）掌握工業(yè)機器人的運動仿真，掌握機器人三維模型建立方法、數(shù)據(jù)管理、三維模型的裝配，進行關節(jié)運動仿真分析。本部分主要在CAD/CAM實訓室完成，要求學生建立六自由度機器人模型，并能進行裝配，運動仿真，并觀察機器人的運動范圍和運動特點。

（5）掌握工業(yè)機器人機械結構的拆裝，機械部分裝配工藝、熟知安全規(guī)范，機器人整體結構調整等。主要對六自由度機器人進行拆裝，觀察減速器結構，分析主要部件的裝配工藝，在機器人實驗室完成。

（6）掌握工業(yè)機器人的編程技術，會應用Matlab進行機器人運動學仿真，按照指定任務，完成機器人程序編寫。以六自由度機器人為例，在運動學分析的基礎上，據(jù)不同的軌跡規(guī)劃任務，進行運動學仿真。

2.2 以機器人大賽培育過程作為項目式教學平臺

依托機器人大賽及教師拓展的科研項目，利用現(xiàn)代化教育技術，主張先練后講，先學后教，強調學生的自主學習，主動參與，從嘗試入手，從練習開始，調動學生學習的主動性。

（1）以機器人大賽為依托和導向。根據(jù)全國機器人大賽要求，注意挖掘并豐富項目的內容，拓展項目的形式。近年來，組織并指導校內比賽，“機器人創(chuàng)意設計與實踐大賽”，指導教師對報名參賽學生進行組隊，分工，引導學生自己思考，創(chuàng)新，設計，管理，整個機器人從設計，編程，測試到實施等都由學生自主完成。對于基礎較好，動手能力較強的同學，推薦參加“高校智能機器人創(chuàng)意大賽”“RoboMaster全國大學生機器人大賽”，“全國大學生恩智浦杯智能汽車競賽”。

（2）從參賽機器人設計和開發(fā)過程出發(fā)，充分利用網(wǎng)絡技術，參考中國大學MOOC，學銀在線，學堂在線等線上平臺的優(yōu)質資源，建設本校機器人課程的MOOC，課程分為線上和線下教學兩部分，可以及時了解學生的學習動態(tài)，學習興趣。根據(jù)舉辦的機器人大賽，進行制定計劃、活動探究、作品制作、成果交流，活動評價等。

（3）對課程考核方式進行改革，動員學生先參加校內比賽，比賽成績可作為課程實踐成績的一部分，實踐成績占50%，理論考試成績占30%，其余20%，包括一個項目設計中，個人表現(xiàn)、設計方案和實訓報告等，使學生感到任務的實施與評判是有尺度的，以充分調動學生的積極性。

3 結束語

傳統(tǒng)的機器人技術課程教學中，不可避免存在一定的缺陷，結合本校機器人實驗和實訓平臺，對本校機器人技術項目式教學模式進行了探索和實踐，以期望通過這種教學方式，學生將所學理論知識付諸實踐，并結合新工科建設理念，進一步明確教育教學目標，完善實踐平臺支撐，補齊短板，強化特色，全方位提升教育教學水平，激發(fā)學習主動性和探索科技技術的積極性，提高了機器人技術專業(yè)人才培養(yǎng)質量。

參考文獻

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