協作式機器人在《機器人學》課程實驗中的應用與探索

高斌 苗志懷

摘要：協作式機器人作為一種新型的機器人，在各個領域得到廣泛的應用，在面向機械類本科的機器人學課程中，以實際生產為出發點，將協作式機器人實驗教學平臺應用到課程實驗教學中。采用監督考核機制，開展基礎理論驗證實驗、研究型創新實驗和綜合類實踐項目。協作式機器人實驗教學平臺為學生深化理解課程理論知識，培養創新實踐能力提供了重要的保障。

關鍵詞：協作式機器人機器人學課程實驗創新實踐能力

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

機器人技術是一個多領域、多學科交叉的新工科方向，面對國家新工科建設的需求，各高校積極響應，相繼為本科開展了機器人的相關課程[1-3]。機器人課程的開展能夠為學生提供設計多學科工程技術學習和工程能力培養的平臺。通過協作式機器人教學平的實驗教學，可以培養學生的協作能力、問題解決能力、以及批判性思考的能力。

協作式機器人實驗教學平臺是面向機哈爾濱工業大學（深圳）機械類本科生，主要承擔了工程訓練中機器人模塊、《機器人學》課程實驗部分、機器人綜合課程設計、課外創新實踐活動等。實驗平臺在實際應用中兼顧了基礎理論驗證、前沿理論對比、綜合實踐項目[4-5]，對于機械類本科生的實踐能力和創新能力的培養具有積極的意義。

本文通過哈爾濱工業大學（深圳）機電工程與自動化學院內協作式機器人實驗教學平臺在本科《機器人學》實驗教學中的應用，希望能為面向新工科的機械類本科機器人實驗教學提供有益的借鑒和探索。

1. 協作式機器人教學平臺建設

結合新工科的方向，以及哈爾濱工業大學（深圳）機電工程與自動化學院機械類本科生培養的需求，著力提高實驗教學和專業能力的培養，建設結合生產實際的協作式機器人教學平臺。《機器人學》課程實驗以機器人在當前工業領域的應用為核心內容，注重學生的基礎訓練，兼顧機器人發展的前沿方向，來拓展學生的視野，培養學生動手實踐能力。

協作式機器人教學平臺融合多傳感器，以UR5e、UR3e、歐姆龍LD移動機器人為核心，將協作式機器人實際生產中抓取分揀、機床上下料、貼標簽、電子器件裝配與焊接、產品缺陷檢測、點膠涂膠、產品裝配、移動搬運等最常用的實際應用場景作為教學平臺建設的依據[6]，如圖1所示，開發了以下10套協作式機器人教學平臺。

如圖2所示，學生在UR5e協作式機器人實驗平臺可以開展基礎理論驗證實驗、研究型創新實驗、綜合項目任務實驗。在掌握機器人相關理論和應用的基礎上，訓練學生的動手能力、操作能力和故障檢測與維護能力。同時機器人平臺是一個開放性的平臺，為學生提供了教學基礎以外的協作式機器人二次開發與研究功能，也可以結合當前機器人研究熱點開展相應的課題。

2. 協作式機器人實驗方案

考慮到面向機械類本科生的機器人學課程的實際需求，為了讓學生在掌握基礎理論的基礎上，能夠熟練使用機器人完成特定的任務。協作式機器人教學平臺為《機器人學》課程實驗提供的實驗包括：基礎理論驗證實驗，研究型創新實驗，綜合類實踐項目。

2.1基礎理論驗證實驗

學生在學習了《機器人學》課程中相應的機器人理論知識，為了學生能夠通過機器人驗證這些理論，從而掌握這些理論知識，為后續綜合類實驗打下基礎，開展基礎理論的驗證實驗是非常必要的。基礎理論驗證實驗主要包含：UR5e工業機器人基本操作實驗、UR5e工業機器人示教操作實驗，基于UR5e的D-H模型建立實驗、正逆運動學求解及驗證實驗，以及機器人的軌跡規劃。

通過UR5e工業機器人基本操作實驗和UR5e工業機器人示教操作實驗，讓學生初步掌握機器人的基本操作，并能夠通過機器人自帶的示教器來完成目標點之間的運動規劃。為學生講解各種特殊情況下，如何安全操作機器人，從而保證學生的設備使用安全。

在學生掌握了機器人的基本操作之后，為學生開展D-H模型建立實驗和正逆運動學求解及驗證實驗，這部分的實驗項目是機器人學的基礎理論的驗證實驗，是為后續開展機器人運動規劃任務的基礎。

之后進行軌跡規劃實驗，讓學生分別在關節空間和笛卡爾空間內完成空間中的直線和圓弧軌跡規劃，初步了解如何控制機械臂在空間中完成運動規劃任務，為后續完成綜合性的項目打下基礎。

2.2研究型創新實驗

學生在完成基礎理論驗證實驗的基礎上，為學生提供了研究型創新實驗，其中包括不同D-H模型下運動學求解的對比、不同逆運動學求解算法以及求解效率對比、不同軌跡規劃算法及規劃效率的對比。為學生提供該類實驗的目的是讓其了解目前科研和生產實際中機器人基本理論的實際應用情況[7]，在基礎理論的基礎上，為了適應實際需求，使用者對其做了哪些改變。

不同D-H模型下運動學求解的對比，在機器人學中，通常由標準型和改進型D-H模型。對兩種D-H模型的建立方式進行對比，分析其區別;同時在這兩種D-H模型基礎上，建立的運動學模型之間的區別。

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

不同軌跡規劃算法及規劃效率的對比，機器人在關節空間和笛卡爾空間下，兩點之間運動的軌跡規劃。以及目前常用的RRT、PRM、優化算法、可視圖法、柵格法、人工勢場法等方法，對比不同的軌跡規劃算法之間的優缺點和實際規劃的效率。

2.3綜合類實踐項目

綜合類實踐項目的開展，是課程實驗的重要補充，讓學生以小組的形式參與到項目中，充分鍛煉學生實踐能力和創新能力。在創新實踐能力的培養地進行研究型的實踐項目類活動，通過主動探索的方式進行實踐項目研究，可以有效的增加學生課程實驗的參與度，對于本科生工程實踐能力和創新能力的培養具有重要的意義。

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

3. 協作式機器人相關實驗的開展

《機器人學》課程實驗是《機器人學》課程中一個重要的環節，對學生進一步鞏固理論知識有著很大的幫助。《機器人學》課程是哈爾濱工業大學（深圳）機械類本科生的專業必修課，主要是面向大三的機械類本科生，課程的實驗部分分為課內實驗和綜合課程設計兩部分。課內實驗包含基礎理論驗證實驗和研究型創新實驗，綜合課程設計部分主要是以小組為單位完成一個綜合類的實踐項目。

3.1開展形式

實驗的開展通過課前預習-教師講解-完成實驗模式開展，教師把上課所需的材料提前發給學生，學生在課前提前進行預習，這樣可以有效地提高課堂的效率，使得學生有充足的時間進行實驗操作。基礎理論驗證實驗為必做實驗，研究型創新實驗為選做實驗，學生在完成必選實驗部分，可以根據學生的能力和興趣，選擇完成研究型創新實驗。最后綜合類實踐項目作為《機器人學》課程的延續，在綜合課程設計的課程上學生將以小組的形式，自由選題，完成選定的項目。

3.2考核方式

《機器人學》課程實驗強理論與實踐相結合，在學生完成基礎驗證實驗的基礎上，完成綜合類實踐項目，同時引入成績綜合考核機制，對學生的實驗成果進行考核。為了有效地提高學生的參與度，引入考核監督機制，督促學生完成實驗項目[7-8]。

實驗的最終成績包含“平時表現、實驗方案設計與實驗報告、實驗成果展示與答辯匯報”等部分組成。實驗前給學生下達實驗任務書以及實驗指導書，根據任務書和指導書完成指定的實驗項目。學生的平時表現占實驗成績的20%，實驗方案設計與實驗報告占實驗成績的40%，實驗成果展示與答辯匯報占實驗成績的40%。

學生在完成實驗后，需要現場演示與答辯交流。學生需要完整的講述自己實驗項目的完成情況，展示自己的實驗流程，教師根據展示情況，現場進行提問。課程結束后，選出優秀的實驗項目進行交流分享，有相關學生對于自己完成項目過程中，是如何解決各類問題，對于課程中的理論是如何應用等，這樣學生可以深化對課程知識的理解，同時對實踐能力也有一定的提高。

4.結語

本文中，協作式機器人實驗教學平臺為哈爾濱工業大學（深圳）機械類本科《機器人學》課程群提供了重要的平臺支撐。在實驗教學過程中，課程的實驗部分分為課內實驗和綜合課程設計兩部分。課內實驗包含基礎理論驗證實驗和研究型創新實驗，綜合課程設計部分主要是以小組為單位完成一個綜合類的實踐項目。最后通過演示和答辯的形式最終進行考核。通過把協作式機器人引入到機械類本科實驗教學中，不僅開拓了學生的視野，使學生可以接觸到前沿的機器人技術，同時對學生創新實踐能力的培養有著非常積極的作用。目前基于協作式機器人實驗教學平臺開展的各類實驗項目取得了良好的實驗教學效果，滿足了從理論到實踐，從虛擬仿真到實物操作的教學實踐要求，輔助學生將知識融會貫通，培養了學生工程綜合能力;同時為機器人相關課程的實驗項目建設開拓了實驗教學的新途徑。

參考文獻

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