《機器人技術》案例庫的建設研究

陳修龍，盛永超，高順，張明輝

（山東科技大學 機械電子工程學院，山東青島 266590）

《機器人技術》是眾多高校機械工程領域研究生的重要課程之一，它包括機器人結構、運動學和動力學、機器人控制編程等諸多內容，實踐性要求很強。《機器人技術》案例庫能有效地將教學與實踐相結合，提高課程質量，因此亟待開展《機器人技術》案例庫建設研究。

迄今眾多學者對《機器人技術》等相關課程改革進行了深入的研究。周萌[1]針對機器人技術，提出“五位一體”的改革策略，完善了人才培養計劃。董霞[2]通過實踐教學，給出了如何培養學生處理復雜問題的工程能力和創新力的具體做法。范良志[3]豐富了機器人課程的內涵和知識邊界，提出了不同的課程知識體系和內容建設策略。廖春麗[4]提出了不同的人才培養模式，改革了《機器人技術》的課程體系。任斌[5]對教學內容和考評方式進行改革，提高了教學效率和教學質量。鄭明輝[6]對《機器人技術》課程進行了實踐和探索，完善了教學內容。

本文針對當前《機器人技術》課程重理論輕實踐的現狀，開展了《機器人技術》案例庫建設研究，通過具體的機器人案例，將《機器人技術》課程的理論與實踐相結合，引導學生參與問題的思考、分析、討論和表達等活動，培養學生解決專業問題的綜合能力，實現理論和實踐融合的機器人技術創新人才的培養。

1 案例教學國內外發展現狀

案例教學被應用于高校教育始自19世紀70年代的哈佛大學法學院，這種將實際問題與理論研究相結合的教學方法幾經完善和修正，已成為以美國為代表的發達國家高校的一種重要教學方法。高校最明顯的是停止對固定知識的強調，轉而強調培養學生不斷獲取知識和理解知識的能力。這個轉變意味著更加強調學術研究的基本方法，掌握這些方法是獲得大量知識的途徑。因此哈佛大學大部分課程都采用案例教學的方式，已成為哈佛大學教學的突出特色和特有模式。在機械工程領域，由于案例庫建設起步較晚，尚未形成比較系統完善的案例庫體系，特別是目前針對《機器人技術》的案例庫還鮮見。目前許多高校都在探索機械工程領域專業學位研究生案例庫教學，針對某些課程建立了案例庫。例如在《現代機械設計方法》課程中引入“工程遺傳算法”“反求工程設計”等案例，在《振動工程》課程中引入“電動機隔振”“大型發電機組動力吸振器設計”等案例，在《微機控制系統及其應用》課程中引入“基于微機的振動信號檢測”“利用光柵尺進行位移和速度的檢測”等案例。這些案例的運用，改變了傳統的教學模式，采用工程實踐案例教學，將工業界先進的工程實踐教學引入課堂。通過實踐教學實例分析開展案例教學，有效發揮了學生學習的主觀能動性，提高其研究能力和實踐能力。

2 《機器人技術》案例庫建設的必要性

《機器人技術》案例庫的建設，不僅豐富教學內容、提高教學質量，而且能夠通過引進機器人產品、組建機器人實驗室來強化基礎條件，讓學生理論知識與實際操作相結合，提高能力培養的有效性。《機器人技術》案例庫的建設能夠幫助學生開闊自己的學習領域，研究探討更深層次的知識，形成自己的學習模式和學習網絡，同時可以建立更加優良、開放性更好的學習平臺，將更多的優質教學資源傳授于學生，促進學生全方位發展。《機器人技術》案例庫的建設，是專業性基礎知識與前沿科研領域的多元化融合。目前《機器人技術》課程在機械工程專業研究生的教學實踐中，主要存在以下問題：（1）注重概念和原理的課堂講解，缺少讓學生有身臨其境感受的實際教學案例，容易使學生感覺過于理論和抽象；（2）課堂中以教師單向授課為主，學生被動接收，教師與學生缺少互動；（3）缺乏有效的學后建議、反饋和修改渠道。因此，需要針對《機器人技術》課程的教學內容，編寫緊跟學科前沿和教學內容豐富的教學案例，并在此基礎上創建體系功能完備的《機器人技術》課程教學案例庫。

《機器人技術》案例教學將學生作為主體，將理論教學和實踐教學相結合，能夠引領學生進行科學探索。《機器人技術》案例庫的建設，可以激發學生的學習興趣，提高將理論知識應用到科研實踐中并解決實際復雜問題的能力，通過師生互動討論、分析案例，找出解決實際問題的思路，為提高學生的創新能力打下堅實基礎。目前山東科技大學機械電子工程學院的機械類相關專業的500 余名本科生和研究生均開設與《機器人技術》相關的專業課程，該案例庫可以服務于這些專業的學生教學工作，有效地提高他們的學習質量，提高創新實踐能力。《機器人技術》案例庫的建設能夠提升教學質量，通過《機器人技術》案例庫編寫，教師能夠及時更新案例庫的內容，保持教學內容的時效性。結合案例庫實例，可大大提高學生的理解能力，提升案例教學效果。案例的收集有利于開展校企之間的合作，校企深度融合，有利于提升研究生的培養質量。

3 《機器人技術》案例庫的特色及創新性

本案例庫的特色和創新性如下：

（1）以加強研究生實踐創新能力和工程素養培養為目標，將機器人技術的相關理論與工程項目密切結合，實現知識傳授與工程實踐的一體化融合，構建《機器人技術》案例庫。

（2）依托行業工程應用背景，緊扣企業的工程實際，結合當前企業對機械制造領域工業機器人、煤炭機器人等研發的理論技術需求，精選案例內容，突出案例的行業特色，以及案例的先進性、實用性和原創性，提高研究生解決工程實際問題的能力。

（3）針對《機器人技術》課程的知識點，以問題為導向，案例設計采用“分項”與“綜合”相結合的方式，即對知識點比較單一的內容，采用分項案例設計，對于需要綜合運用機器人相關理論解決的工程問題，采用綜合案例設計。

4 《機器人技術》案例庫的建設內容

《機器人技術》案例庫以“覆蓋核心知識點、凸顯理論的工程應用，提高研究生實踐與創新能力”為建設目標，針對《機器人技術》《機器人學》等研究生課程，擬建設10 個案例，既有機器人基本知識的運用，也有綜合運用機器人理論解決實際工程問題。具體案例如下：

（1）機器人運動學分析。

講述坐標變換、齊次坐標變換、機器人手部位姿的描述方法，機器人連桿D-H 參數、連桿坐標系的建立方法、連桿坐標系之間的坐標變換、機器人正/逆運動學、機器人運動學特性分析，運動學中的數值方法以及機器人運動學方程的其他表示方法，并以工業機器人手臂為例進行運動學分析。

（2）機器人靜力/動力學分析。

以串聯工業機器人和3-RRR 平面并聯機器人為例，闡述多自由度機器人的速度雅可比矩陣和力雅可比矩陣的求解方法、如何借助雅可比矩陣進行機器人的速度和靜力學分析、第一類和第二類采用拉格朗日方程對機器人進行動力學建模和分析。簡單講述機器人動力學分析的其他方法，如牛頓-歐拉方法、Kane方法及常用的機器人動力學仿真軟件Adams。

（3）機器人軌跡規劃。

講述如何在關節空間和笛卡爾空間中對機器人進行軌跡規劃，重點講述三次多項式插值和五次多項式插值的方法，簡單闡述非多項式軌跡規劃和高次多項式軌跡規劃。對機器人運動軌跡的生成方式和軌跡實時生成的方法進行簡要介紹。以KUKAKR5 機器人和SCARA 機械手為例，分別在關節空間和笛卡爾空間進行規劃。

（4）機器人控制系統。

以工業機器人為例，重點闡述機器人控制系統與控制方法，重點講述控制系統的硬件選型，相關硬件電路設計，軟件操作系統的選擇和功能模塊化劃分及程序編寫調試、PID 控制、自適應控制、魯棒控制和模糊控制等控制方法。

（5）機器人感知系統。

以FUNC 工業機器人為例，簡單闡述機器人感知系統的構建、多傳感器信息的交互融合、傳感器的定義和分類、傳感器的性能指標、視覺系統的組成、圖像處理技術及應用、典型傳感器。重點講述位置和位移傳感器、視覺傳感器、觸覺傳感器、力覺傳感器的工作原理、特點及使用場合。

（6）并聯機器人。

闡述并聯機器人的定義、并聯機器人的特點、典型并聯機器人的結構及應用、并聯機器人的位置正解/逆解的計算方法、并聯機器人運動學優化設計、并聯機器人機構的構型綜合及并聯機器人的運動/力性能分析及評價。簡單講述并聯機器人的尺度綜合、并聯機器人的奇異性分析與評價。以Delta 高速抓取機器人和Stewart 6 軸機器人為例進行介紹與分析。

（7）移動機器人。

以輪式移動機器人為例，重點講述輪式移動機器人行走機構的特點及驅動方式、移動方式、運動學分析、路徑規劃技術及控制系統框架。簡單講述履帶式移動機器人國內外發展現狀、履帶式移動機器人的特點及履帶布局方式、步行式行走機構的工作原理、典型足式機器人的結構及其他形式的行走機器人。

（8）服務機器人。

以服務機器人為例，重點闡述服務機器人的結構設計過程、服務機器人的特點及工作原理、服務機器人的無障礙路徑規劃、避障路徑規劃、定位方法。簡單講述帶有語音交互的服務機器人、人臉識別的服務機器人，對服務機器人的傳感器系統的設計與分布、網絡通信功能、多智能體協調控制技術和自主導航研究進行簡要介紹。

（9）工業機器人。

以工業焊接機器人為例，簡單介紹機器人的本體結構、驅動方式、驅動伺服單元、計算機控制系統、傳感系統、輸入/輸出系統接口及應用領域。重點講述機器人的安全作業事項、坐標系與手動操作、系統設定、示教編程器的使用、離線編程、機器人的控制柜故障診斷和日常維護、機器人本體的維護。

（10）煤礦機器人。

以噴漿機器人、救援機器人和掘進機器人為例，詳細講述煤礦機器人的分類、本體結構設計、運動學分析、動力學分析、液壓驅動系統設計、交控制系統的研究與設計、可靠性分析與優化技術及交互式虛擬樣機系統的開發。簡要介紹煤礦機器人的通信技術、能源動力技術、導航技術、多機器人技術、多傳感器信息融合技術以及發展趨勢。

5 結語

本文從《機器人技術》案例庫建設的必要性、特色和創新、建設內容等方面開展了《機器人技術》案例庫建設研究，通過案例庫實現了教學和實踐的有機融合，豐富了教學內容和教學方式，通過課堂具體實踐，案例庫的建設能夠引導學生積極參與問題的思考、分析和討論，提高了教學質量，培養了學生解決實際問題的綜合能力，為理論和實踐融合的機器人技術創新人才的培養提供了支撐。