地方本科院校《機器人技術基礎》課程中重難點內容教學方法探討

張學剛

(攀枝花學院 智能制造學院，四川 攀枝花 617000)

2015年5月，在國務院部署的《中國制造2025》中提到，從制造大國向制造強國轉變，需要實行五大工程(制造業創新中心建設的工程、強化基礎的工程、智能制造工程、綠色制造工程和高端裝備創新工程)[1]，其中，實現智能制造工程的主要內容就是發展機器人工程[2]。為了響應國家的戰略布局，為社會提供更多掌握機器人技術的人才。近年，在很多學校的本專科部分專業中都開設了《機器人技術基礎》這門課。對于本科專業來說，這門課的教學不能泛泛而談，需要有一定的理論深度，而且該課程屬于交叉學科，涉及到機械學、力學、計算機科學、控制論、矩陣論等方面的知識[3]。因此，學生學起來較吃力，學習積極性較低，甚至部分學生存在畏懼心理。為了解決這個問題，很多高校一線教師分享了自己的教學經驗，總結了優良的教學方法[2，4]。

趙弘等人[5]基于多倫多大學的教學模式，提出了提高學生學習興趣的方法。戰強等人[6-7]通過改善教學內容、教學方法、考評方式三個方面提升教學效果。王劍等人[8-9]著重從實驗和競賽角度分析了機器人課程的改革方案。程仙國等人[10]將焊接機器人作為學生學習的實驗平臺，通過任務驅動提高學習的積極性，旨在鍛煉學生的實踐能力。雷靜桃等人[11]通過構建機器人教學和科研共享實驗平臺，在課程中加入實踐環節來開展教學，培養學生的創新思維和實驗技能。杜邊境等人[12]提出了采用啟發式教育、項目驅動式教學和仿真實驗等方法來提升學生的學習興趣。胡俊立等人[13-14]摒棄傳統單調的教學模式，基于現代網絡課程資源，采用慕課、微課和師生互動的方式來提高教學質量。許文燕[15]站在高職院校的角度，以社會需求為導向，弱化理論教學，著重培養學生的實踐動手能力。張奔[16]將MATLAB軟件穿插于理論教學過程中，用于簡化課程中的繁雜數學運算，使學生學習的重心由基礎運算轉移到機器人當中來。畢建平等人[17]分析了現階段實踐教學中存在的問題，采用分組教學和項目分解的方式開展實踐教學。劉良斌等人[18]將虛擬仿真軟件Robotstudio運用于機器人的教學過程中，降低了實踐教學的成本。谷明信等人[19]將理論深度較大的運動學、動力學分析等部分內容簡化，并引入MATLAB虛擬仿真技術等手段開展教學，從而達到提升教學水平的目的。劉越等人[20]從機器人大賽的角度探討了機器人控制系統和仿真軟件在實踐教學中的應用，進而提升學生的創新能力和學習熱情。

從上述文獻中可以看出，目前在機器人的理論教學方面還存在很多不足，并沒有詳細闡述如何解決機器人課程中的重難點問題。本文從課程的性質出發，根據我校機器人課程的教學現狀，分別詳細地探討了課程中多個重難點內容的教學方法。

1 課程性質與特點

《機器人技術基礎》是攀枝花學院機器人工程、機械設計制造及其自動化、機械電子工程等專業的專業課，總共2.5個學分，40學時，其中實驗8學時。課程的主要任務是介紹串聯機器人的位姿描述、雅可比矩陣、運動學建模、動力學建模、軌跡規劃方法等。培養掌握機器人技術基礎知識、初步具備機器人開發設計、應用和研究能力的善于理論聯系實際的專業技術人才，并為現代化、自動化、智能化的企業培養優秀的技術和管理類骨干。

對于地方本科應用型院校來說，本課程的理論部分難度較大、知識較抽象、學時分配較少，而且課程中涉及到的知識面較廣、較雜、計算量大，導致學生學習比較吃力。

2 教學現狀分析

自從高考招生將二本和三本統一劃線之后，對偏遠地區的地方應用型本科高校招生質量有一定的影響。相對于高水平的本科院校來說，學生的基礎差一些，而且師資力量和硬件設施在整體上存在一定的差距，不能很好地展開與理論匹配的實驗教學。而且《機器人技術基礎》這門課的理論深度較大，知識結構較復雜，學生學起來更加的困難。攀枝花學院從2015年才開始開設機器人這門課程，主要針對大學三年級或者四年級的學生，高年級的學生學習主動性和積極性有所下滑，而且教師的教學經驗還不夠豐富，因此，這門課的教學存在諸多不足，比如：教學形式單一、內容抽象乏味、實驗設施不配套、學生自主學習的意識薄弱等。

3 重難點內容教學方法探討

對于上一節中所分析的問題，最主要的原因還是課程理論深度太大造成的，從而導致學習效果差。目前，很多地方本科高校為了解決這個問題，主要是通過刪減課程理論深度較大的內容，并結合新穎的教學方法(慕課、任務驅動型教學等)，來達到提升教學效果的目的。這樣的改革，不能達到標本兼治的目的，達不到國家對本科教育的要求，使學生對機器人的了解停留在膚淺的表層，不能完全滿足社會對機器人人才的需求。要從根上解決這門課的教學質量問題，必須要想辦法解決課程中的重難點知識，并各個擊破。

3.1 位姿描述與齊次變換

齊次變換的主要目的在于描述機器人中某個特定點(一般在指機械手上)的位置和姿態。位姿的基本概念、特殊矩陣旋轉變換等可參照麻省理工John J.Craig教授的教材《機器人學導論》展開教學，該書對機器人位姿部分講解非常詳細，學習理解非常容易。基本概念講完之后可以引入二連桿平面機構來講解位姿描述和矩陣變換，讓學生熟練位姿描述的實際應用和分析計算。

引入算例：分別用中學幾何知識和齊次變換來求解圖1所示平面二連桿機構末端點P的位置。

圖1 二連桿平面機構 圖2 KUKA 6自由度機器人仿真模型

(1)采用中學幾何知識，很容易求得點P的位置，表達如下：

(1)

(2)采用齊次變換求解。假設，坐標系S2(x2，y2)固定于連桿2左端，坐標系S1(x1，y1)固定于連桿1右端，全局坐標系S0(x0，y0)固定于連桿1左端。

P點表達在坐標系S2中為

(2)

坐標系S2到坐標系S1的變換矩陣為

(3)

坐標系S1到坐標系S0的變換矩陣為

(4)

因此，P點表達在全局坐標系中為

(5)

在以上實例中，可將兩種解法求得結果進行對比，讓學生知道解決復雜空間機構問題還需用矩陣變換法求解更簡單。此外，還可以給學生解釋3階矩陣必須轉化為4階矩陣計算的理由，這樣的講解方式更形象具體。

3.2 D-H參數法與機器人運動學

D-H參數法部分需要給學生反復強調關節坐標系的構建方法，以及四個關節量(桿長、扭角、偏距、關節角、)的定義。若這些基本的定義不能理解，后面的運動學部分就沒辦法理解，而且容易思維混亂。此外，相鄰連桿間的坐標變換，需要強調推導過程，一旦理解了推導過程，機器人運動學方程的構建便迎刃而解。

關于機器人運動學計算部分的內容，可以借助KUKA6自由度機器人模型(圖2所示)，進行計算，主要讓學生了解D-H參數是如何影響機器人運動的，使學生更直觀的理解機器人運動學和雅克比。

為了使學生的學習更輕松，專門為學生提供了正運動學、逆運動學和雅克比的MATLAB程序包，便于驗證自己的計算是否正確，同時，也可使學生從源代碼中理解運動學和雅克比的計算過程。

3.3 機器人動力學

由于開設機器人課程的幾個專業均沒有開設機械動力學這門基礎課，因此，機器人動力學中難度較大的微分運動和牛頓-歐拉動力學方程可適當刪減，僅保留拉格朗日動力學部分。拉格朗日動力學基本理論較簡單，只是計算較復雜，希望學生借助計算機進行求解，重點使學生掌握求解機器人動力學問題的方法。此外，在課堂上可以借助ADAMS仿真軟件向學生展示關節力(矩)與機械手負荷之間的聯系，讓學生知道動力學對機器人結構設計的重要性。

3.4 機器人軌跡規劃

這部分內容對于絕大部分學生來說不算難點內容，絕大部分學生在學完軌跡規劃之后都能夠很好的完成練習題。但是，學生很難理解規劃規劃在機器人工作中的作用。因此，借助ADAMS仿真軟件和國家仿真實驗室(http：//www.ilab-x.com)模擬機器人手部和關節的軌跡規劃問題，讓學生直觀的看到軌跡規劃的作用。

4 教學效果

本課程從2016年開始，對課程大綱作了微調，刪減了微分運動、四元數以及牛頓-歐拉動力學方程這部分的內容，增加了機器人運動學這一章的教學學時，并結合網絡教學資源、自主編寫的MATLAB程序、ADAMS機器人運動學和動力學模型等，使課堂教學形式更豐富，成績也得到了明顯的提高。表1為本課程近年考試成績情況。

表1 近幾年課程教學效果情況

5 結語

文章僅對《機器人技術基礎》這門課的理論部分進行了探討，未涉及到實踐教學。通過改進課程中重難點內容的教學方法，來達到提升教學質量的目的。經近年的教學實踐表明，大綱、教學方法的調整、虛擬機器人模型的引入，使枯燥乏味的機器人理論變得更直觀易懂，對機器人的理解更深入，成績也有明顯的提升。