新工科背景下高校機(jī)器人控制課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究及探討

代愛(ài)妮 劉競(jìng) 王蕊

摘要：為適應(yīng)新工科背景下高校對(duì)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的要求，本文基于產(chǎn)、學(xué)、研新模式，設(shè)計(jì)了適合本校《機(jī)器人控制與應(yīng)用編程》課程的系統(tǒng)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。主要包括基于STM32單片機(jī)的教學(xué)機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)、基于Matlab的教學(xué)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)，基于RobotStudio的ABB工業(yè)機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)。本研究所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有開放性及拓展性，經(jīng)本校實(shí)驗(yàn)教學(xué)驗(yàn)證，可加深學(xué)生對(duì)于機(jī)器人專業(yè)理論知識(shí)的理解和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。本文研究可為開設(shè)該課程的同類院校提供一定的參考。

引言

目前我國(guó)機(jī)器人領(lǐng)域人才供求失衡嚴(yán)重，機(jī)器人的需求增長(zhǎng)與企業(yè)缺乏技術(shù)人才的矛盾日益凸顯，社會(huì)亟需培養(yǎng)具有機(jī)器人相關(guān)專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐能力的專業(yè)人才。研究如何在新工科背景下發(fā)展機(jī)器人教育，以及如何規(guī)劃?rùn)C(jī)器人控制類課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并由此探討適合本校學(xué)生特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，從而形成系統(tǒng)的機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)流程，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力具有非常重要的意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，我國(guó)高校機(jī)器人專業(yè)教育仍然處于初步發(fā)展階段，較多研究者提出了機(jī)器人教育策略和對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力、科學(xué)素養(yǎng)和工程意識(shí)等方面的積極影響。遼寧大學(xué)物理學(xué)院的許超等學(xué)者通過(guò)搭建模塊化機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)分層次地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐，可使學(xué)生快速了解并學(xué)習(xí)機(jī)器人。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)沈剛等為并聯(lián)機(jī)器人在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用提供了一種新的方法。沈紅芳、印松等學(xué)者開發(fā)了一套工業(yè)機(jī)器人綜合訓(xùn)練平臺(tái)，教學(xué)效果良好。吉林大學(xué)王林等學(xué)者探索了基于Labview的LEGO NXT機(jī)器人在控制類教學(xué)中的應(yīng)用。上海工程技術(shù)大學(xué)王曉軍老師根據(jù)本校學(xué)生特點(diǎn)把服務(wù)機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人有機(jī)結(jié)合在一起對(duì)該課程設(shè)計(jì)了8個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，共60學(xué)時(shí)。南京大學(xué)金陵學(xué)院呂琴老師對(duì)如何上好機(jī)器人技術(shù)與實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了探討。但部分高校的課程實(shí)驗(yàn)方案品牌專業(yè)性強(qiáng)，不利于普通高校機(jī)器人教育形成系統(tǒng)的教學(xué)流程。

針對(duì)以上調(diào)研，本文結(jié)合本校學(xué)生特點(diǎn)及課程性質(zhì)，提出探討適合本校學(xué)生的《機(jī)器人控制與應(yīng)用編程》課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及規(guī)劃，以期給開設(shè)該課程的同類院校提供一定的參考。

2 教學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本課程采用的教學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為青島英谷教育科技有限公司研制。其主體是一個(gè)六軸機(jī)械手臂，以STM32F103RB單片機(jī)為控制系統(tǒng)核心，通過(guò)對(duì)該單片機(jī)編程，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的伸縮、旋轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)等動(dòng)作。

該平臺(tái)不僅能使學(xué)生了解機(jī)器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，而且硬件接口豐富，可方便二次開發(fā)，教學(xué)針對(duì)性強(qiáng)，使學(xué)生能快速掌握機(jī)器人的關(guān)節(jié)變化及運(yùn)動(dòng)軌跡等，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。

3 研究?jī)?nèi)容與研究路線

《機(jī)器人控制與應(yīng)用編程》是我校面向機(jī)器人、機(jī)械電子等專業(yè)的本科生新開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，理論學(xué)時(shí)32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)24學(xué)時(shí)。針對(duì)我校學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)，本研究基于產(chǎn)、學(xué)、研新模式，設(shè)計(jì)了六軸教學(xué)機(jī)器人的單片機(jī)控制與Matlab仿真實(shí)驗(yàn)、以及基于RobotStudio的工業(yè)機(jī)器人控制與仿真實(shí)驗(yàn)（9個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，共24學(xué)時(shí)）。

第一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1～3是基于教學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生熟悉并理解機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)及機(jī)器人舵機(jī)控制原理，進(jìn)一步提升學(xué)生對(duì)PWM控制原理和舵機(jī)控制程序的優(yōu)化編程能力，同時(shí)掌握上位機(jī)與機(jī)器人控制器通信。

第二部分實(shí)驗(yàn)4～5是關(guān)于機(jī)器人坐標(biāo)變換、D-H參數(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析仿真，通過(guò)仿真，學(xué)生可更形象的理解本教材中的相關(guān)理論知識(shí)。例如，學(xué)生比較難理解的矩陣變換過(guò)程，以及機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)。盡管教師可以按課本講解的很詳細(xì)，但大部分學(xué)生還是不能很好地理解機(jī)器人手腕的翻轉(zhuǎn)、俯仰、偏轉(zhuǎn)的具體位置和方向，想象不出關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度為 360°是怎樣的。通過(guò)第一部分基于教學(xué)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)物立體展現(xiàn)所學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)有一個(gè)整體認(rèn)識(shí)，再進(jìn)行第二部分基于Matlab的機(jī)器人系統(tǒng)建模與控制仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步加深理解教學(xué)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及控制。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以輔助學(xué)生正確地理解理論教學(xué)中的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題及逆問(wèn)題的方程推導(dǎo)。

第三部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容5～7基于RobotStudio的工業(yè)級(jí)機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)，著重培養(yǎng)學(xué)生關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的控制、設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面的能力。

最后階段學(xué)生再去企業(yè)進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的控制實(shí)訓(xùn)。

通過(guò)硬件操作，再進(jìn)行機(jī)器人仿真，然后再到企業(yè)實(shí)訓(xùn)，這種由淺入深、循序漸進(jìn)、有實(shí)物有理論的實(shí)驗(yàn)方法可以避免空洞的理論講解，通過(guò)親自實(shí)踐有效提高學(xué)生掌握機(jī)器人編程和應(yīng)用技術(shù)的能力，達(dá)到用人企業(yè)對(duì)相關(guān)人才的要求。

4 總結(jié)

本研究基于教學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了《機(jī)器人控制與應(yīng)用編程》課程的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，加深了學(xué)生對(duì)于理論教學(xué)內(nèi)容的理解。另一方面，工業(yè)機(jī)器人設(shè)備昂貴，通過(guò)ABB工業(yè)機(jī)器人控制與示教編程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可有效解決我校當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室工業(yè)機(jī)器人設(shè)備不足的問(wèn)題。在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，本課程所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)使理論過(guò)程及實(shí)踐結(jié)果“情景再現(xiàn)”，可有效鞏固學(xué)習(xí)效果。此外，無(wú)論是教學(xué)機(jī)器人的開源代碼，還是Matlab及ABB工業(yè)機(jī)器人的控制仿真實(shí)驗(yàn)均具有開放性及拓展性，該研究?jī)?nèi)容不僅為課程實(shí)驗(yàn)、也為課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)增加很多動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，從而可有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。

參考文獻(xiàn)

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資助項(xiàng)目：青島農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究課題資助（ SYJK19-05）

*第一作者及通訊作者簡(jiǎn)介：代愛(ài)妮（1977-），女，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)講師，研究方向：智能控制、機(jī)器人，E-mail：daiaini@qau.edu.cn