基于案例設計的課程理論與實踐綜合教學探索

［摘 要］ 新工科背景下，“工業(yè)機器人基礎”課程教學不僅要提高學生的理論知識水平，還要培養(yǎng)理論應用能力及創(chuàng)新能力，現有的相關課程教學尚未實現理論與實踐的緊密結合，為此，進行基于案例設計的“工業(yè)機器人基礎”課程理論與實踐綜合教學探索。該方案通過設計案例將運動學建模、運動規(guī)劃等內容應用于實際工業(yè)機器人進行離線仿真實訓和實操實訓，通過仿真生成軌跡的實際驗證，實現仿真與實操的聯合實踐，并提出了相應的課程教學模式及考核方式。經過兩輪課程教學發(fā)現，該課程體系可有效提升學生的理論應用、離線仿真、實際操作等綜合能力。

［關鍵詞］ 工業(yè)機器人基礎；理論與實踐綜合；案例設計；課程教學模式

［基金項目］ 2022年度北京工業(yè)大學教育教學研究課題“新工科背景下機械工程本碩博貫通培養(yǎng)創(chuàng)新模式研究”（ER2022RCB02）；2023年度北京工業(yè)大學“三全育人”教師團隊重點培育項目“‘三全育人’視域下高端裝備協同創(chuàng)新科研育人模式研究”

［作者簡介］ 許靜靜（1990—），女，山西臨汾人，工學博士，北京工業(yè)大學機械與能源工程學院講師，主要從事工業(yè)機器人相關教學與科學研究；程 強（1979—），男，山東濟南人，工學博士，北京工業(yè)大學機械與能源工程學院教授（通信作者），主要從事工業(yè)機器人相關教學與科學研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）44-0101-04 ［收稿日期］ 2024-02-02

引言

與傳統工科相比，新工科更強調學科的實用性、交叉性與綜合性。在當前新工科背景下，智能制造業(yè)的快速發(fā)展對機械工程專業(yè)課程改革提出了更高的要求，其中工業(yè)機器人作為智能制造業(yè)發(fā)展的關鍵元素，使得“工業(yè)機器人基礎”課程成為重要改革對象，現有研究在課程思政融合、實踐課程設計、教學模式改革等方面進行了深入探索，如余娜［1］針對“工業(yè)機器人技術基礎”課程設計了課程思政點，并探討了具體實施過程及方法；劉小波［2］以“工業(yè)機器人基礎”的矩陣初步、運動學、控制與傳感技術、構造及傳動原理等理論為基礎，提出了包含軟件計算和操作實踐在內的24學時實踐課程探索；黃廣偉等人［3］針對新工科背景下“工業(yè)機器人技術基礎”課程教學內容陳舊、教學方法落后、考核方式單一等問題提出了具體的實踐教學改革措施，并從學生積極性、實踐能力和畢業(yè)后平均薪資水平方面進行了改革實施與效果分析；譚文君等人［4］在加強師資力量建設、活頁式高質量課程教材開發(fā)、教學模式創(chuàng)新方面提出了具體的“工業(yè)機器人技術基礎”課程改革措施。基于以上方法的提出及應用，為提高“工業(yè)機器人基礎”課程教學質量、促進適應新工科背景提供了有效的改革思路及方法。為了進一步適應新工科背景，論文提出了一種理論與實踐緊密融合的混合教學課程方案，以工業(yè)機器人系統理論知識的講解為基礎，以運動規(guī)劃應用為實踐案例進行“離線仿真+機器人實操”相結合的實踐部分方案設計，提高大學生在工業(yè)機器人創(chuàng)新及應用方面的綜合能力，從而為推動制造業(yè)智能化轉型升級提供可用人才。

一、“工業(yè)機器人基礎”課程目標及內容設計

（一）課程目標設計

“工業(yè)機器人基礎”的教學目的和任務是通過課堂教學和實操演示，使學生掌握工業(yè)機器人分類及相關的共性基礎知識和應用分析，掌握工業(yè)機器人系統一般組成與運動原理，初步學會工業(yè)機器人運動學/軌跡規(guī)劃問題求解的基本方法，掌握工業(yè)機器人控制系統和離線編程技術，通過實操演示了解工業(yè)機器人系統及典型應用，培養(yǎng)一定的分析能力和初步的實驗能力。該目標分解為以下三個子目標。

1.掌握工業(yè)機器人基本概念、系統組成、數理基礎、運動學建模及運動規(guī)劃、控制系統結構與工作原理、工業(yè)機器人應用前沿案例，了解機器人基礎理論及未來發(fā)展趨勢。

2.了解工業(yè)機器人離線編程的特點與常見編程軟件，以國產PQArt離線編程仿真軟件為例進行實訓仿真操作，包括實訓工作站創(chuàng)建、工作站邏輯設定和仿真調試等操作，通過仿真實驗了解離線編程的基本過程與目的。

3.以工業(yè)機器人為實操對象，感性認識機器人的工作范圍與主要參數、系統構成與作用，進行TCP（工具中心點）標定，驗證離線運動軌跡，明晰實際示教過程。

（二）課程內容設計

課程內容分為理論部分與實踐部分，其中理論部分支撐課程目標（1），實踐部分支撐課程目標（7）和（8）。圖1為理論與實踐內容的章節(jié)分布及關聯關系圖，理論部分內容分為6章，其中1～4章理論內容與機器人仿真虛擬實訓內容密切相關，1～5章理論內容與實操實訓內容密切相關，通過理論與實踐內容呼應達到理論指導實踐、實踐認識理論的教學目的，提高學習質量；第6章通過技術應用案例使學生對1～5章理論內容的應用進一步加深理解，并從機器人前沿應用拓展學生創(chuàng)新思維。

理論部分各章節(jié)教學內容如下。

1.工業(yè)機器人概述包括：工業(yè)機器人定義；工業(yè)機器人的發(fā)展進程；工業(yè)機器人常見分類方式（按結構坐標特性、拓撲結構、智能程度、驅動方式等分類）；工業(yè)機器人典型應用（物流搬運、噴涂/焊接/激光加工、零部件裝配、三維增材制造、去除材料加工、大型裝備制造維修等）。

2.“工業(yè)機器人基礎”知識包括：基本術語（包括關節(jié)類型、關節(jié)與連桿的關系、工具中心點、運動坐標系等）；主要技術參數（機器人自由度、精度、定位精度、重復定位精度、機器人分辨率、工作范圍等）；工作空間分析方法。

3.工業(yè)機器人系統組成包括：機械臂分類和結構分析；常見的驅動裝置；常見的傳動裝置；末端執(zhí)行器的作用與分類；典型的內部和外部傳感器裝置、功能與工作原理；控制器和示教器基本組成、功能和典型產品。

4.工業(yè)機器人運動原理包括：數理基礎（齊次坐標、剛度的位姿描述、平移和旋轉坐標轉換）；運動學問題建模方法（運動學的基本概念，基于D-H表達的連桿狀態(tài)描述方式、正運動學和逆運動學建模、解的存在性與多解問題）；軌跡插值算法（多項式插值、分段多項式插值、B樣條插值等）；軌跡規(guī)劃方法（運動規(guī)劃的基本概念，運動規(guī)劃例題講解）。

5.工業(yè)機器人控制系統包括：控制系統結構和工作原理；常見的機器人控制方法（包括機器人單關節(jié)位置伺服控制、力控制、智能控制）。

6.工業(yè)機器人技術進展可包括：機器人與仿生設計；機器人與人工智能；機器人與數字孿生；機器人前沿應用等。

理論部分課程目標在于掌握機器人基本概念、工業(yè)機器人相關共性基礎知識和應用分析方法、工業(yè)機器人系統組成；通過運動原理的學習，掌握機器人應用所涉及的運動學基本理論基礎；通過控制系統的學習，了解機器人常見控制方法的基本原理；根據研究前沿案例分析，了解工業(yè)機器人技術未來發(fā)展趨勢。

實踐部分內容分為離線仿真實訓和機器人實操實訓兩部分，其中仿真實訓部分包括認識離線編程軟件、PQArt仿真軟件學習（包括界面認識、三維球基本操作、工件定位、工具自定義、TCP設置、軌跡生成及優(yōu)化調整等），最后依據基于案例設計的仿真實訓指導書完成工業(yè)機器人虛擬工作站構建、工業(yè)機器人工作軌跡的設計和虛擬仿真過程，在案例中，機器人虛擬工作站依據實操機器人工作站進行構建，即工件及工具依據實際結構進行建模，機器人與工件相對位置、TCP設置由實時操作系統標定獲得；另外在軌跡設計中包含基于逆解的關節(jié)空間軌跡生成案例，該過程可實現機器人運動學建模相關的理論知識，從而達到理論指導實踐的教學目的。圖2為仿真實訓過程圖，具體以庫卡機器人為實訓對象，以螺栓擰緊裝置為末端工具，以T型件為工件。

實操實訓部分內容包括機器人基本操作介紹（包括機器人組成、人工示教過程、編程方法、編程基礎、運動編程、邏輯指令編程、變量值操作和執(zhí)行程序等）、學生手動操作機器人、TCP標定、KUKA機器人程序編制及執(zhí)行、仿真軌跡實際驗證。其中通過基本操作介紹、學生手動操作機器人和TCP標定等內容可幫助學生對機器人系統組成及工具坐標系等理論知識具有更深入的了解；另外仿真軌跡實際驗證可使學生真正理解離線仿真的重要性和必要性，實現理論與實踐的緊密結合，提高學生對工業(yè)機器人的創(chuàng)新與應用水平。圖3為實操實訓過程圖，該過程場景與上述虛擬場景的完全映射使得知識更為系統，有助于提高學生對相關知識的理解能力。

二、教學模式與課程考核

課程以理論知識講授為主，實踐為輔（仿真實訓和實操實訓）。其中在講授環(huán)節(jié)采用研究型教學模式，由工程實例和問題引出概念，自然進入相關內容的講授；適當引導學生閱讀文獻與資料，培養(yǎng)自學能力；在實踐環(huán)節(jié)，通過仿真實訓加固理論知識，注重理論與實踐要點的結合，培養(yǎng)學生以理論為基礎、以離線編程為途徑，以實際機器人為智能載體，全面掌握工業(yè)機器人基礎技術。

課程考核包括平時成績、實踐成績和大報告成績三部分。平時成績占10％，評分主要依據出勤情況、基本表現、作業(yè)情況等，主要反映學生的課堂表現、平時的信息接收和自我約束能力；實踐成績占30％，評分依據為仿真實訓結果和實訓報告、實操實訓結果和基本表現，主要反映學生對離線編程、工業(yè)機器人實際操作技能的掌握程度，以及理論聯系實際的能力；大報告成績占60％，旨在培養(yǎng)學生對已學知識的應用能力，以及延伸知識的檢索、自學和總結能力。該部分采用主觀命題的方式，注重對基本概念、基本理論考查的同時，注重知識的應用，能夠留給學生進階的空間，并依據學生對理論知識的應用，從報告內容的全面程度、深入程度和規(guī)范程度考慮制定考核指標體系進行報告評價。

結語

針對新工科背景給“工業(yè)機器人基礎”課程教學帶來的挑戰(zhàn)，且基于北京工業(yè)大學智能制造專業(yè)學生培養(yǎng)的需求，探索了基于案例設計的課程理論與實踐綜合教學方式，在教授理論知識的同時，將基礎理論中系統構成、運動學建模、運動規(guī)劃等關鍵知識點通過案例應用于實際機器人，并通過搭建工作場景、定義工具工件、生成離線軌跡等仿真操作，以及TCP標定和離線軌跡驗證等實際操作實現了實踐過程，最終達到了理論指導實踐、實踐認識理論的教學目標。該課程體系在北京工業(yè)大學智能制造專業(yè)的3輪“工業(yè)機器人基礎”課程教學中得到了有效實施，在教授學生理論知識的同時，使學生具備了理論學習、理論應用及創(chuàng)新思維能力。

參考文獻

［1］余娜.“工業(yè)機器人技術基礎”課程思政教學探索［J］.南方農機，2021，52（21）：157-159.

［2］劉小波.工業(yè)機器人基礎實踐課程設計與探索［J］.教育現代化，2018，5（43）：152-156.

［3］黃廣偉，張攀峰.新工科背景下“工業(yè)機器人技術基礎”實驗教學改革與實踐［J］.機械管理開發(fā)，2023，38（10）：52-54.

［4］譚文君，楊天時，趙妍妍.工業(yè)機器人技術基礎課程教學改革研究［J］.農業(yè)工程與裝備，2023，50（2）：76-77.

Exploration of Integrated Teaching of Theory and Practice of “Industrial Robot Foundation” based on Case Design

XU Jing-jing， LIU Zhi-feng， CHU Hong-yan， CHENG Qiang

（School of Mechanical Engineering and Applied Electronic Technology， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： Under the background of new engineering， the teaching of “Industrial Robot Foundation” course should not only improve the theoretical knowledge level of students， but also cultivate their theoretical application ability and innovation ability. The existing relevant courses have not yet realize the close combination of theory and practice. In order to solve the above problem， the integrated teaching of theory and practice of “Industrial Robot Foundation” course based on case design is put forward. The case applies kinematic modelling， motion planning and other contents to the actual industrial robot for offline simulation and practical operation training through design cases， realizes the joint practice of simulation and practical operation through the actual verification of the trajectory generated by simulation and puts forward the corresponding course teaching model and assessment method. After two rounds of course teaching， it is found that the course system can effectively improve students’ comprehensive ability of theoretical application， offline simulation and practical operation.

Key words： Industrial Robot Foundation; joint of theory and practice; case design; teaching model