《工业机器人技术》课程教学改革

黎萍　刘保军　于楚泓

摘要：《工业机器人技术》是一门多学科交叉的、理论与实践结合紧密的课程。本文结合《工业机器人技术》课程特点和教学中存在的若干问题，提出建立贯穿教学内容的主线，改善实践条件和鼓励自我探索的改革措施。实践表明这些改革措施是合理的，并在教学中取得了良好的效果。

关键词：工业机器人；教学改革；应用型本科

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）25-0074-02

当前，世界范围内新一轮科技革命和产业变革加速进行，国家实施创新驱动发展、“中国制造2025”、“互联网+”等重大战略，机器人技术专业领域的人才需求愈趋旺盛，因此培养具有创新性，符合社会实践岗位的人才是当前应用型本科院校进行《工业机器人技术》课程教学改革的核心。

一、《工业机器人技术》课程教学现状

《工业机器人技术》是机电一体化、自动化等相关专业的专业方向课之一，涵盖机器人结构、机器人运动学、动力学、轨迹规划、机器人控制等内容[1][2]，涉及机械原理、机械设计、电子电路技术、自动控制原理、传感器技术等知识，是一门多学科交叉、理论与实践紧密结合的课程，对培养学生机电一体化、自动控制技术的综合实践能力具有重要意义。

目前我院的机械设计及其自动化专业和自动化专业均尝试开设《工业机器人技术》课程，课程被安排在第七学期开课，理论32课时，实践8课时，在教学过程中主要存在问题如下：

1.课程需要的先学知识欠缺。学生在学习《工业机器人技术》这门课程之前，需要具备一定的机械结构和控制理论方面的基础知识，而大部分应用型本科院校中，机械设计及其自动化专业和机电一体化专业的同学具有力学、运动学、机械结构、电工、电子方面的知识却缺乏控制理论的基础知识，自动化专业的同学具有控制理论、电机拖动、信号与系统等方面的知识却缺乏力学、机械结构方面的知识，导致在这些专业开设《工业机器人技术》都有不少的障碍，学生难以对课程产生整体认识。

2.缺乏适合的教材。应用型本科院校以本科教育为主，面向区域经济社会，以学科为依托，以应用型专业教育为基础，以社会人才需求为导向，培养高层次应用型人才，要求学生具有一定的理论素养，以满足应用所学理论知识进行科技创新的需要，同时要求学生掌握本专业相关技术，具有较强的实践动手能力。工业机器人的相关教材有的偏重理论讲解，而有的教材却流于产品说明或用户指南[3]，难以适应应用型本科学生的特点与教学需求。

3.涉及的概念抽象。工业机器人的控制以运动学和动力学为基础，这就离不开D-H坐标系的建立和空间坐标的变换，即使能让学生看到机器人实体也难以直观展现抽象的坐标系、工作空间、关节空间等概念。此外运动学、动力学方程的推导、微分运动分析等抽象、复杂的数学推导很容易让学生望而却步，丧失学好该课程的信心，不利于课堂教学的开展[4]。

4.实践条件缺乏。目前的工业机器人产品缺乏规范性，品牌繁杂且互不兼容，开放程度较低，因此如何选择具体的工业机器人进行实践教学也是面临的一个难题，而且机器人造价不菲，受资金和场地等条件的制约，构建专门的机器人实验室的成本太高，这就造成了目前这门课程的实践条件缺乏，实践环节难以开展，无法充分调动学生的学习热情。

二、改革措施的探索

《工业机器人技术》的教学目的包括：使学生了解有关机器人技术方面的基本知识和机器人学的基本原理和方法，掌握机器人所涉及的基本理论和关键技术，培养学生综合运用所学基础理论和专业知识解决专业领域内实际问题的能力，为此对课程进行如下三个方面的改革。

1.建立贯穿教学内容的主线。坐标变换、运动学、动力学、机器人本体结构、机器人控制是《工业机器人技术》的关键部分，为了让学生将零散的知识有个整体的认识，先从机器人的机械结构入手，讲解机器人三大组成部分（机械部分、传感部分、控制部分）的关系[5]。由于机器人控制的本质是对下列方程式的双向控制[2]：

V（t）？圮T（t）？圮C（t）？圮θ（t）？圮X（t）

（其中：X（t）为末端执行装置的状态，包括位置、姿态和开闭状态等，θ（t）为关节变量，C（t）为作用在各关节上的力矩矢量，T（t）为各传动电动机的力矩矢量，经过变送器送到各个关节，V（t）为施加在电动机上的电流或电压矢量。）

以机器人双向控制方程式为主线，以典型机器人（如PUMA560）为例，对坐标变换、运动学、动力学、轨迹规划、机器人控制系统进行由浅及深的讲解，明确各个部分内容在上述控制方程式中的作用，先对机器人控制有个全局的了解，再细化到实现机器人控制的每一个层级，带着问题一层一层剖析，整个课程的学习就连贯起来了，而且学生也能明白地知道每次课在整个机器人控制中的位置，目标明确了，更能调动学习的主动性和积极性。最后，结合授课老师的科研项目或对具体对象控制过程的相关视频资料，展开典型工业机器人的应用分析，如喷涂、焊接、码垛机器人，使学生对所学基础内容的工程应用有深入的了解和直观的认识。此外，在课程授课过程中穿插与课程内容有关的机器人最新研究成果，比如本田公司的双足机器人、用于军队和康复治疗的穿戴式机器人等，不仅对于提高同学们的学习兴趣有一定的帮助，而且能拓宽同学们的视野，提高其领悟力。

2.改善实践条件。工业机器人的实践环节作为《工业机器人技术》教学体系中的重要组成部分，将学生的综合素质培养和创新能力培养作为核心，在加强学生对基础理论知识理解的同时，更培养学生运用所学知识的实践操作能力和创新能力。工业机器人的认识实验共2学时，主要以实验室现有的6轴工业机械手为对象，了解工业机器人基本结构与工作原理，熟悉机器人机械结构特点、电气线路硬件情况及手动运行机械臂，观察关节运动情况。机器人的运动学、动力学、轨迹规划和运动仿真共4学时，利用MATLAB的robotics toolbox实现[6]，利用ADAMS软件强大的仿真模块，在Simulink中实现对虚拟样机的控制操作，最后安排2学时到校外企业观摩工业机器人的工程应用，增强对所学知识应用场景的切身体验。后继的工业机器人技术实践环节拟引入ABB公司的Robot Studio建立工业机器人离线编程示教工作站[7]，以数字化工厂为实践平台，增加学生的动手實践、创新的机会。

3.鼓励自我探索。哈佛前校长认为，教学内容固然重要，但对于学生影响更为深远的是教学方法[8]。《工业机器人技术》是一门较难的课程，通过前述机器人双向控制方程式将分散的知识点贯穿成一整体，帮助同学明确每一部分在整个机器人控制中的作用，每开始新的知识点前，必用启发式的问题，引导学生思考在已有知识的基础上，如何往下一步展开，从而引起学生的学习兴趣，鼓励学生在课后搜集相关资料，主动寻找答案。以参与期末综合评分作为激励，分组在课堂上展开讨论，最后由老师对研讨情况进行点评、总结和补充讲解，让学生带着问题学习，充分调动学生的学习积极性，通过这个过程，学生的自我学习、探索和创新能力可以得到有效培养。

三、结语

《工业机器人技术》对学生难，对授课老师也是很大的挑战，由于没有完全适应的教材，授课老师需要根据教学目标选定的授课内容，引入紧跟时代潮流的知识丰富教学内容，整理讲义，选择能激发学习兴趣的教学方法，有效培养学生的综合应用所学知识解决实际问题的能力和工程实践能力，這个过程永无止境。课程教学改革是一个长期、不断深化的过程，相信在后续的教学过程中会有不断的改进和完善。

参考文献：

[1]李团结.机器人技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2]蔡自兴.机器人学基础[M].北京：机械工业出版社，2015.

[3]于霜.高职院校工业机器人创新实践教学研究[J].科技创新导报，2015，12（20）：25-25.

[4]黄用华.理工科高校《工业机器人》课程教学改革浅析[J].科技信息，2012，（21）：20.

[5]于楚泓.《工业机器人技术》课程教学改革探索[J].科技风，2017，（8）：54-54.

[6]谢斌.基于MATLAB R obotics Toolbox的机器人学仿真实验教学[J].计算机教育，2010，（19）：140-143.

[7]高慧.工业机器人离线编程技术课程教学创新[J].佳木斯职业学院学报，2017，（7）.22-24.

[8]戴敏，张志胜，史金飞.大学生创新与实践能力培养的探索——“教育机器人设计与制作综合实践”课程建设的一点体会[J].东南大学学报：哲学社会科学版，2008，（s1）：259-261.