本文關(guān)鍵詞：“機器人學(xué)”課程教學(xué)改革與實踐，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

“機器人學(xué)”課程教學(xué)改革與實踐 投稿：許寥實

摘要：機器人技術(shù)是一門融合了機械、電子、傳感器、計算機、人工智能等多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科。以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和工程實踐能力為目標(biāo)，緊密結(jié)合工程實際，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考評方式三方面提出了“機器人學(xué)”課程的具體改革方案，并在教學(xué)工作中進行實踐，取…

摘要：對華東理工大學(xué)“流體力學(xué)”課程建設(shè)中教學(xué)—科研互動實踐進行了總結(jié)和思考。課程授課團隊依托科研優(yōu)勢，將“流體力學(xué)”授課同科學(xué)研究和工程實踐緊密結(jié)合，優(yōu)化了授課內(nèi)容和方法，開展了大量的教學(xué)—科研互動環(huán)節(jié)。對教學(xué)—科研互動環(huán)節(jié)中易出現(xiàn)的問題進行了思考…

摘要：結(jié)合研討式教學(xué)，就數(shù)值計算軟件在土木工程專業(yè)研究生教學(xué)中的應(yīng)用進行闡述。通過研討式教學(xué)可以充分調(diào)動研究生學(xué)習(xí)的積極性，并易與專業(yè)前沿研究結(jié)合，拓寬學(xué)生的視野；將數(shù)值計算軟件的基礎(chǔ)知識及應(yīng)用融入“結(jié)構(gòu)動力學(xué)”相關(guān)課程教學(xué)中，通過讓研究生編寫程序解…

　　摘要：機器人技術(shù)是一門融合了機械、電子、傳感器、計算機、人工智能等多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科。以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和工程實踐能力為目標(biāo)，緊密結(jié)合工程實際，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考評方式三方面提出了“機器人學(xué)”課程的具體改革方案，并在教學(xué)工作中進行實踐，取得了良好的教學(xué)效果。

　　關(guān)鍵詞：機器人；課程建設(shè)；創(chuàng)新精神；工程實際
　　作者簡介：韓建海（1961-），男，河南偃師人，河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，教授；劉延斌（1971-），男，吉林德惠人，河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，副教授。（河南 洛陽 471003）
　　基金項目：本文系河南科技大學(xué)研究生教學(xué)改革研究基金項目（項目編號：2011YJG-003）的研究成果。
　　中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）08-0081-02
　　機器人技術(shù)集中了機械工程、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制理論及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，代表了機電一體化技術(shù)的最高成就，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。利用機器人技術(shù)提升我國工業(yè)發(fā)展水平，從制造業(yè)大國向強國轉(zhuǎn)變，提高人民的生活質(zhì)量成為全社會的共識。工業(yè)機器人在各個領(lǐng)域的應(yīng)用迎來了快速增長的發(fā)展時期，對工業(yè)機器人技術(shù)人才的需求也急劇增加。機械電子工程學(xué)科研究生開設(shè)“機器人學(xué)”這門課程不僅是社會發(fā)展的需求，也是考慮到這門課程綜合性和設(shè)計性強的特點，使學(xué)生在機電工程領(lǐng)域、理論與實踐結(jié)合方面以及提高學(xué)生創(chuàng)新精神和工程實踐能力方面起到很好的推進作用。[1-2]
　　“機器人學(xué)”課程是河南科技大學(xué)機械電子工程學(xué)科為研究生開設(shè)的一門專業(yè)課程，已有十幾年的開設(shè)歷史，每年選修的學(xué)生逐年增加，已達20人左右。過去主要采取教師課堂講、學(xué)生聽的灌輸式教學(xué)方式，教學(xué)內(nèi)容與工程實際結(jié)合不緊密，落后于機器人技術(shù)的快速發(fā)展，對學(xué)生創(chuàng)新精神和探索能力的培養(yǎng)缺乏。這種情況顯然不符合我國新時期對研究生培養(yǎng)目標(biāo)的要求，教學(xué)改革勢在必行。本文結(jié)合河南科技大學(xué)的辦學(xué)定位和碩士層次人才培養(yǎng)目標(biāo)，就“機器人學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考評方式三個方面的改革方案和設(shè)想進行介紹，意在拋磚引玉，共同提高。
　　一、課程內(nèi)容改革
　　課程改革的設(shè)計和內(nèi)容要與學(xué)校定位、專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)，與學(xué)科優(yōu)勢和專業(yè)特色相匹配。根據(jù)河南科技大學(xué)屬于地方院校的辦學(xué)定位和碩士層次人才培養(yǎng)目標(biāo)制定了“機器人學(xué)”課程的教學(xué)目標(biāo)：掌握工業(yè)機器人所需的基礎(chǔ)理論知識，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識解決工業(yè)機器人實際工程問題的能力，達到綜合運用機電一體化知識解決工程實際問題的能力。
　　“機器人學(xué)”是一門多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科，無論在基礎(chǔ)理論方面還是在工程實踐應(yīng)用方面，其發(fā)展速度都十分驚人。在課程內(nèi)容改革方面，提出了“淡化理論推導(dǎo)，注重工程實際應(yīng)用”的指導(dǎo)思想。該課程教學(xué)內(nèi)容可分為三方面：基礎(chǔ)理論部分、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計部分和控制系統(tǒng)硬件電路及其軌跡規(guī)劃與編程。下面針對上述三方面的內(nèi)容就教學(xué)改革思想進行論述。
　　1.基礎(chǔ)理論方面
　　以機器人三大矩陣為重點，圍繞兩個空間之間的映射關(guān)系進行正、逆運動學(xué)、微操作、靜力平衡等理論內(nèi)容的講解。機器人三大矩陣指的是齊次坐標(biāo)變換矩陣T、速度雅可比矩陣J和力雅可比力矩陣JT。兩個空間指的是關(guān)節(jié)空間和作業(yè)空間。T矩陣反映了兩個空間位置之間的關(guān)系，J矩陣反映了兩個空間速度之間的關(guān)系，JT矩陣反映了兩個空間力之間的關(guān)系。在講解過程中，重心放在理論公式結(jié)論的完整性及實際應(yīng)用上，不追求過多的理論公式推導(dǎo)，突出“學(xué)以致用”。這樣既避免數(shù)學(xué)推導(dǎo)的枯燥和繁瑣，也能讓學(xué)生理解理論的來龍去脈和工程應(yīng)用，保證學(xué)科體系的完整性。反映機器人位移、速度和力的三大矩陣圍繞兩個空間的映射關(guān)系可總結(jié)為如圖1所示。
　　2.機械結(jié)構(gòu)方面
　　刪去內(nèi)容陳舊的動力傳遞傳統(tǒng)機械機構(gòu)部分，重點講解目前采用交流伺服電機+諧波齒輪減速器或RV減速器的主流傳動方案，對通用型6軸機器人關(guān)節(jié)的現(xiàn)代流行配置方案的特點（尤其是傳動鏈的特點）進行詳細介紹，使學(xué)生能夠?qū)C器人的機械結(jié)構(gòu)特點有充分的掌握。目前各大工業(yè)機器人廠商提供的6軸關(guān)節(jié)機器人結(jié)構(gòu)從外觀上看大同小異，相差不大，從本質(zhì)上來說其結(jié)構(gòu)基本上都是一致的，總結(jié)為如圖2所示，其結(jié)構(gòu)特點如下：
　　機器人的前3個軸確定了手部在空間的位置。第1軸腰關(guān)節(jié)的電機倒置在機身上，小型機器人電機軸線與減速器軸線同軸，大型機器人電機軸線與減速器軸線背離大臂方向偏置，中間需增加一級齒輪傳動。第2軸肩關(guān)節(jié)的電機向前水平固定在機身上，形成向前的肩寬。小型機器人電機軸線與減速器軸線同軸，大型機器人電機軸線與減速器軸線向上偏置，中間需增加一級齒輪傳動。第3軸肘關(guān)節(jié)的電機水平固定在小臂尾部而不是大臂上，小型機器人電機軸線與減速器軸線同軸，大型機器人電機軸線與減速器軸線向下偏置，中間需增加一級齒輪傳動。機器人后3個軸實現(xiàn)小臂的旋轉(zhuǎn)、手腕俯仰和手部旋轉(zhuǎn)3個運動，用于確定手部在空間的姿態(tài)。第4軸小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機通常后置，第5軸手部俯仰關(guān)節(jié)和第6軸手部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機通常放置在小臂內(nèi)部。但對于大型機器人3個電機通常一起后置，盡量減少重力的不平衡。無論3個電機如何布置，最終3個關(guān)節(jié)軸線應(yīng)相交于手腕的中心。
　　3.控制系統(tǒng)方面
　　控制系統(tǒng)包含硬件電路和軟件編程兩方面的內(nèi)容。硬件電路方面，在傳統(tǒng)的教材中該部分內(nèi)容幾乎不作介紹，考慮到機器人是一個典型的多軸半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，所以應(yīng)該給學(xué)生增加該部分的內(nèi)容。著重介紹現(xiàn)代流行采用的“IPC+多軸運動控制卡”構(gòu)建的開放式多軸運動控制系統(tǒng)方案。在實際控制中，雖然伺服控制器中也有位置控制環(huán)，但控制器參數(shù)在線調(diào)整困難，一些智能控制算法受到限制。所以通常采用多軸運動控制卡實現(xiàn)電機的位置環(huán)控制。交流電機伺服驅(qū)動器實現(xiàn)電機的電流環(huán)控制和速度環(huán)控制。電流環(huán)主要實現(xiàn)電流控制和功率放大。速度環(huán)主要提高抗負載擾動能力，抑制速度波動。位置環(huán)用于保證動態(tài)跟蹤性能和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度。 　　機器人通過由IPC發(fā)出運動指令，控制驅(qū)動器使機器人運動，并從串口測量板不斷地接收機器人新的實際位置數(shù)據(jù)輸入位置調(diào)整器中，與目標(biāo)位置數(shù)據(jù)進行比較和放大，輸出新的位置和速度控制參數(shù)。由于機器人是串連機構(gòu)，運動中的慣性對機械系統(tǒng)性能影響較大，所以要考慮機器人的動力學(xué)特性，即控制系統(tǒng)會根據(jù)運動時的重力、轉(zhuǎn)動慣量的變化和軸之間的相互耦合作用采取一定的控制策略不斷計算和優(yōu)化調(diào)整參數(shù)，從而提高機器人的運動速度和控制精度。
　　軟件編程方面主要內(nèi)容包括軌跡規(guī)劃和編程方式。軌跡規(guī)劃的主要目的就是使機器人的運動軌跡平滑、準(zhǔn)確、穩(wěn)定。在實際操作中，機器人電機要經(jīng)常地在短時間內(nèi)頻繁地快速啟動﹑停止和間歇運動。要想使機器人運轉(zhuǎn)得更快﹑定位更精確和更平穩(wěn)可靠，那么，當(dāng)它啟動和停止時就必須是平緩的，而不是猛然加速和驟然減速。所以選擇一個合適的速度曲線函數(shù)至關(guān)重要，這就是軌跡規(guī)劃的核心。目前，使用較多的速度曲線函數(shù)有T型速度曲線函數(shù)和S型速度曲線函數(shù)。
　　目前，示教編成是一項成熟的技術(shù)，操作簡單、易于掌握，是目前工業(yè)機器人的主要編程方式。各大廠商都提供有如MOVJ、MOVL和MOVC的運動指令，方便操作者在示教過程中選擇使用。這些運動指令不僅要會用，，但更重要的是理解軌跡規(guī)劃實現(xiàn)的原理。MOVJ是關(guān)節(jié)空間規(guī)劃運動指令，僅能保證末端操作器從起始點到目標(biāo)點的準(zhǔn)確運動，不能對兩點之間的實際運動軌跡進行控制，所以這種規(guī)劃方法僅適用于PTP作業(yè)的軌跡規(guī)劃。但該規(guī)劃效率最高，無特殊要求，應(yīng)盡量使用。MOVL和MOVC是作業(yè)空間規(guī)劃運動指令，末端操作器在作業(yè)空間按照一定的路徑軌跡運動，適用于CP作業(yè)的軌跡規(guī)劃。由于給出的是末端操作器在作業(yè)空間的位置和速度，所以要不斷地計算關(guān)節(jié)空間角度和角速度的瞬時值，計算量大，效率低。
　　二、教學(xué)方法的改革
　　1.案例法
　　以學(xué)生能力驅(qū)動為目的，采用典型案例教學(xué)為主線，并貫穿于整個教學(xué)內(nèi)容和實驗過程中。以在工業(yè)界和高�？茖W(xué)研究中廣泛使用的MOTOMAN-SV3型機器人為典型教學(xué)案例，結(jié)合每章的講解內(nèi)容對該機器人機械結(jié)構(gòu)、電動機驅(qū)動、運動學(xué)分析、運動規(guī)劃及其編程控制和應(yīng)用等方面進行系統(tǒng)講解。
　　在教學(xué)方式上，采用多媒體與板書相結(jié)合的教學(xué)方式，通過師生互動激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性。對機器人概述、機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動控制和傳感器等內(nèi)容則借助多媒體教學(xué)手段進行動態(tài)演示，引入目前世界最新機器人的研究成果和自己學(xué)校的科研成果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高聽課質(zhì)量；對課程的難點（如齊次坐標(biāo)變換、D-H參數(shù)法、運動學(xué)和動力學(xué)）的描述利用板書進行詳細的推導(dǎo)和示例講解，便于學(xué)生理解和掌握。
　　2.比擬法
　　最早的PUMA工業(yè)機器人就是模仿人類手臂設(shè)計的，所以在整個課程的教學(xué)中始終可以以自身為例進行一些內(nèi)容的講解。從機電一體化系統(tǒng)四部分的構(gòu)成、機械結(jié)構(gòu)的特點、各部分所起的作用、人手在空間位置的求解到機器人的控制和傳感器等方面均可及時地將機器人與人自身相比較來進行講解，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，便于理解與掌握。
　　3.研討式
　　隨著課程的進展，可設(shè)定某些問題進行專項討論，如手腕關(guān)節(jié)的誘導(dǎo)運動分析、奇異點分析、多軸協(xié)調(diào)控制等，開展研討式教學(xué)活動。把學(xué)生分成若干小組，針對某個主題事先確定某一小組學(xué)生作主題發(fā)言，談?wù)剬λ撌龅闹黝}的見解、遇到的
　　問題，提出下一步解決問題的方法和設(shè)想等。然后同學(xué)們就發(fā)言內(nèi)容展開討論。要經(jīng)得起教師和同學(xué)們的考問的確也不是件容易的事。這就迫使學(xué)生們不僅能夠提出新觀點、新見解，而且找資料證明自己的觀點和見解，難度較大。這種方式不僅能夠促進學(xué)生勤于閱讀、勇于思考，敢于提出自己的獨立見解，又能使學(xué)生在相互探討中拓展創(chuàng)新思維，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力。在研討會上，教師僅起一個主持和引導(dǎo)的作用。當(dāng)然，教師在最后應(yīng)當(dāng)對研討情況進行總結(jié)，對學(xué)生們的觀點進行點評，以使學(xué)生掌握知識的真諦。[3]
　　三、改革考試方式
　　“機器人學(xué)”的課程內(nèi)容涉及到機械電子工程學(xué)科研究生所學(xué)的各門主干課程。為了提高學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力和主動學(xué)習(xí)的意識，該課程改變傳統(tǒng)的閉卷考試方式，采用了“以項目為中心的考試模式”，即第一節(jié)上課時就介紹本學(xué)期的課程項目，項目的制作貫穿在整個課程教學(xué)過程中，課程結(jié)束時完成項目，最后提交一份報告。
　　對報告的撰寫要提出明確的要求：論文的題目自擬，但要與所學(xué)課程相關(guān)，可根據(jù)本人的興趣就機器人的某一方面進行深入的論述，如一款機器人的設(shè)計、機器人外觀、動畫/仿真、新型機構(gòu)、新型傳感器等。當(dāng)然，也可結(jié)合自己未來的研究方向撰寫。內(nèi)容需包括前言、方案設(shè)計、總結(jié)等部分，報告字?jǐn)?shù)不少于3000字。
　　同時，要把報告的評分標(biāo)準(zhǔn)明確告訴學(xué)生。報告的評分標(biāo)準(zhǔn)如下：概念的正確性，占10%；獨立完成的內(nèi)容，占15%；論述的綜合性、完善性，占25%；有自己的想法（見解、方案、觀點等），占50%。對于多個同學(xué)協(xié)作完成的報告可采用面試方式進一步確定各自完成的工作量和在團隊中所起的作用，使成績的給定更具合理性和公平性。最后，課程總成績的給定為平時成績30%（出勤+作業(yè)=20%，實驗=10%）+報告70%。
　　該報告撰寫的目的主要是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力，鼓勵同學(xué)主動思考、查資料，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，同時也為碩士畢業(yè)設(shè)計論文的撰寫打下基礎(chǔ)。每年同學(xué)們都能提交一些水平較高的優(yōu)秀報告，如七自由度機器人運動學(xué)方程的推導(dǎo)、基于Pro/E的機器人三維動畫設(shè)計、三維懸吊式“飛行”攝像平臺設(shè)計等。
　　四、結(jié)束語
　　“機器人學(xué)”課程作為河南科技大學(xué)機械電子工程學(xué)科研究生的一門專業(yè)課程，在培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力、創(chuàng)新能力、動手能力和專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力中占有重要地位。本文結(jié)合河南科技大學(xué)的辦學(xué)定位和碩士層次人才培養(yǎng)目標(biāo)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考評方式三個方面就“機器人學(xué)”課程提出了一些教學(xué)改革的方案和建議，并在教學(xué)實踐中進行了嘗試，取得了良好的教學(xué)效果，受到了同學(xué)們的歡迎，選修該門課程的學(xué)生逐年增加。下一步將進一步探索如何利用洛陽市周邊企業(yè)的工業(yè)機器人資源開展校企合作的機器人實驗教學(xué)工作，使學(xué)生盡可能多地接觸工程實際的應(yīng)用實例，提高實驗教學(xué)的效果。
　　參考文獻：
　　[1]戰(zhàn)強，王東月.《機器人學(xué)》課程教學(xué)改革探討[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2010，23（2）：117-121.
　　[2]趙弘，趙毅鑫，等.機器人學(xué)課程教育方法的探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008，（11）：81-83.
　　[3]韓建海，田軍營，等.機電專業(yè)開展課外機器人制作的實踐[J].理工高教研究，2006，25（2）：73-74.
　�。ㄘ�(zé)任編輯：王祝萍）

摘要：機器人技術(shù)是一門融合了機械、電子、傳感器、計算機、人工智能等多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科。以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和工程實踐能力為目標(biāo)，緊密結(jié)合工程實際，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考評方式三方面提出了“機器人學(xué)”課程的具體改革方案，并在教學(xué)工作中進行實踐，取…

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