协作式机器人在《机器人学》课程实验中的应用与探索

高斌 苗志怀

摘要：协作式机器人作为一种新型的机器人，在各个领域得到广泛的应用，在面向机械类本科的机器人学课程中，以实际生产为出发点，将协作式机器人实验教学平台应用到课程实验教学中。采用监督考核机制，开展基础理论验证实验、研究型创新实验和综合类实践项目。协作式机器人实验教学平台为学生深化理解课程理论知识，培养创新实践能力提供了重要的保障。

关键词：协作式机器人机器人学课程实验创新实践能力

Abstract： As a new type of robot， collaborative robots have been widely used in various fields. In the robotics course for mechanical undergraduates， taking the actual production as the starting point， the cooperative robot experimental teaching platform is applied to the course experimental teaching. It adopts the supervision and assessment mechanism to carry out basic theory verification experiments， research innovation experiments and comprehensive practical projects. The collaborative robot experimental teaching platform provides an important guarantee for students to deepen their understanding of course theoretical knowledge and cultivate innovative practical capabilities.

Key Words： Collaborative robots; Robotics; Course experiments; Innovative practical capabilities

機器人技术是一个多领域、多学科交叉的新工科方向，面对国家新工科建设的需求，各高校积极响应，相继为本科开展了机器人的相关课程[1-3]。机器人课程的开展能够为学生提供设计多学科工程技术学习和工程能力培养的平台。通过协作式机器人教学平的实验教学，可以培养学生的协作能力、问题解决能力、以及批判性思考的能力。

协作式机器人实验教学平台是面向机哈尔滨工业大学（深圳）机械类本科生，主要承担了工程训练中机器人模块、《机器人学》课程实验部分、机器人综合课程设计、课外创新实践活动等。实验平台在实际应用中兼顾了基础理论验证、前沿理论对比、综合实践项目[4-5]，对于机械类本科生的实践能力和创新能力的培养具有积极的意义。

本文通过哈尔滨工业大学（深圳）机电工程与自动化学院内协作式机器人实验教学平台在本科《机器人学》实验教学中的应用，希望能为面向新工科的机械类本科机器人实验教学提供有益的借鉴和探索。

1. 协作式机器人教学平台建设

结合新工科的方向，以及哈尔滨工业大学（深圳）机电工程与自动化学院机械类本科生培养的需求，着力提高实验教学和专业能力的培养，建设结合生产实际的协作式机器人教学平台。《机器人学》课程实验以机器人在当前工业领域的应用为核心内容，注重学生的基础训练，兼顾机器人发展的前沿方向，来拓展学生的视野，培养学生动手实践能力。

协作式机器人教学平台融合多传感器，以UR5e、UR3e、欧姆龙LD移动机器人为核心，将协作式机器人实际生产中抓取分拣、机床上下料、贴标签、电子器件装配与焊接、产品缺陷检测、点胶涂胶、产品装配、移动搬运等最常用的实际应用场景作为教学平台建设的依据[6]，如图1所示，开发了以下10套协作式机器人教学平台。

如图2所示，学生在UR5e协作式机器人实验平台可以开展基础理论验证实验、研究型创新实验、综合项目任务实验。在掌握机器人相关理论和应用的基础上，训练学生的动手能力、操作能力和故障检测与维护能力。同时机器人平台是一个开放性的平台，为学生提供了教学基础以外的协作式机器人二次开发与研究功能，也可以结合当前机器人研究热点开展相应的课题。

2. 协作式机器人实验方案

考虑到面向机械类本科生的机器人学课程的实际需求，为了让学生在掌握基础理论的基础上，能够熟练使用机器人完成特定的任务。协作式机器人教学平台为《机器人学》课程实验提供的实验包括：基础理论验证实验，研究型创新实验，综合类实践项目。

2.1基础理论验证实验

学生在学习了《机器人学》课程中相应的机器人理论知识，为了学生能够通过机器人验证这些理论，从而掌握这些理论知识，为后续综合类实验打下基础，开展基础理论的验证实验是非常必要的。基础理论验证实验主要包含：UR5e工业机器人基本操作实验、UR5e工业机器人示教操作实验，基于UR5e的D-H模型建立实验、正逆运动学求解及验证实验，以及机器人的轨迹规划。

通过UR5e工业机器人基本操作实验和UR5e工业机器人示教操作实验，让学生初步掌握机器人的基本操作，并能够通过机器人自带的示教器来完成目标点之间的运动规划。为学生讲解各种特殊情况下，如何安全操作机器人，从而保证学生的设备使用安全。

在学生掌握了机器人的基本操作之后，为学生开展D-H模型建立实验和正逆运动学求解及验证实验，这部分的实验项目是机器人学的基础理论的验证实验，是为后续开展机器人运动规划任务的基础。

之后进行轨迹规划实验，让学生分别在关节空间和笛卡尔空间内完成空间中的直线和圆弧轨迹规划，初步了解如何控制机械臂在空间中完成运动规划任务，为后续完成综合性的项目打下基础。

2.2研究型创新实验

学生在完成基础理论验证实验的基础上，为学生提供了研究型创新实验，其中包括不同D-H模型下运动学求解的对比、不同逆运动学求解算法以及求解效率对比、不同轨迹规划算法及规划效率的对比。为学生提供该类实验的目的是让其了解目前科研和生产实际中机器人基本理论的实际应用情况[7]，在基础理论的基础上，为了适应实际需求，使用者对其做了哪些改变。

不同D-H模型下运动学求解的对比，在机器人学中，通常由标准型和改进型D-H模型。对两种D-H模型的建立方式进行对比，分析其区别;同时在这两种D-H模型基础上，建立的运动学模型之间的区别。

不同逆运动学求解算法以及求解效率对比，在逆运动学的求解上，通常由两种方案，即数值法和解析法。让学生在不同D-H下对比两种不同的逆运动学求解算法的优缺点，深入理解逆运动学求解的机理。同时对比目前常用的机器人逆运动学求解库，如KDL、TRAC-IK、IKFAST等，充分了解目前科研和实际常用的运动学求解库的求解过程，以及求解效率等。

不同轨迹规划算法及规划效率的对比，机器人在关节空间和笛卡尔空间下，两点之间运动的轨迹规划。以及目前常用的RRT、PRM、优化算法、可视图法、栅格法、人工势场法等方法，对比不同的轨迹规划算法之间的优缺点和实际规划的效率。

2.3综合类实践项目

综合类实践项目的开展，是课程实验的重要补充，让学生以小组的形式参与到项目中，充分锻炼学生实践能力和创新能力。在创新实践能力的培养地进行研究型的实践项目类活动，通过主动探索的方式进行实践项目研究，可以有效的增加学生课程实验的参与度，对于本科生工程实践能力和创新能力的培养具有重要的意义。

综合类实践项目主要包括基于机器人示教器的项目任务和基于C++＼Python在线编程的机器人项目任务，其中在线编程的机器人项目任务有基于2D视觉、3D视觉、多传感器的三类项目，学生可以在Window下或者在Ubuntu下利用ROS完成项目任务。学生在完成综合类实践项目的过程中，对相关知识得到了充分的应用，对其综合能力的提高有着显著的帮助。

3. 协作式机器人相关实验的开展

《机器人学》课程实验是《机器人学》课程中一个重要的环节，对学生进一步巩固理论知识有着很大的帮助。《机器人学》课程是哈尔滨工业大学（深圳）机械类本科生的专业必修课，主要是面向大三的机械类本科生，课程的实验部分分为课内实验和综合课程设计两部分。课内实验包含基础理论验证实验和研究型创新实验，综合课程设计部分主要是以小组为单位完成一个综合类的实践项目。

3.1开展形式

实验的开展通过课前预习-教师讲解-完成实验模式开展，教师把上课所需的材料提前发给学生，学生在课前提前进行预习，这样可以有效地提高课堂的效率，使得学生有充足的时间进行实验操作。基础理论验证实验为必做实验，研究型创新实验为选做实验，学生在完成必选实验部分，可以根据学生的能力和兴趣，选择完成研究型创新实验。最后综合类实践项目作为《机器人学》课程的延续，在综合课程设计的课程上学生将以小组的形式，自由选题，完成选定的项目。

3.2考核方式

《机器人学》课程实验强理论与实践相结合，在学生完成基础验证实验的基础上，完成综合类实践项目，同时引入成绩综合考核机制，对学生的实验成果进行考核。为了有效地提高学生的参与度，引入考核监督机制，督促学生完成实验项目[7-8]。

实验的最终成绩包含“平时表现、实验方案设计与实驗报告、实验成果展示与答辩汇报”等部分组成。实验前给学生下达实验任务书以及实验指导书，根据任务书和指导书完成指定的实验项目。学生的平时表现占实验成绩的20%，实验方案设计与实验报告占实验成绩的40%，实验成果展示与答辩汇报占实验成绩的40%。

学生在完成实验后，需要现场演示与答辩交流。学生需要完整的讲述自己实验项目的完成情况，展示自己的实验流程，教师根据展示情况，现场进行提问。课程结束后，选出优秀的实验项目进行交流分享，有相关学生对于自己完成项目过程中，是如何解决各类问题，对于课程中的理论是如何应用等，这样学生可以深化对课程知识的理解，同时对实践能力也有一定的提高。

4.结语

本文中，协作式机器人实验教学平台为哈尔滨工业大学（深圳）机械类本科《机器人学》课程群提供了重要的平台支撑。在实验教学过程中，课程的实验部分分为课内实验和综合课程设计两部分。课内实验包含基础理论验证实验和研究型创新实验，综合课程设计部分主要是以小组为单位完成一个综合类的实践项目。最后通过演示和答辩的形式最终进行考核。通过把协作式机器人引入到机械类本科实验教学中，不仅开拓了学生的视野，使学生可以接触到前沿的机器人技术，同时对学生创新实践能力的培养有着非常积极的作用。目前基于协作式机器人实验教学平台开展的各类实验项目取得了良好的实验教学效果，满足了从理论到实践，从虚拟仿真到实物操作的教学实践要求，辅助学生将知识融会贯通，培养了学生工程综合能力;同时为机器人相关课程的实验项目建设开拓了实验教学的新途径。

参考文献

[1] 钟登华. 新工科建设的内涵与行动[J]. 高等工程教育研究， 2017（3）：1-6.

[2] 杨立， 倪文彬， 朱润峰. 新工科背景下课程教学改革与探索——《工业机器人技术》课程[J]. 低碳世界， 2019.

[3]王晶， 薛光辉. "新工科"背景下机器人学课程教学改革与探索[J].科技创新导报，2020（8）：180-181.

[4]李颀， 强华. 工业机器人实验教学平台[J]. 实验技术与管理， 2018， 260（4）：172-176.

[5]张波涛， 王坚， 吴秋轩. 机器人技术的实验教学改革与实践[J]. 实验技术与管理， 2017， 34（3）：199-201，205.

[6] 李艳生，杨美美，刘想德，等.智能制造背景下机器人技术实验课程改革探索[J].科学咨询（科技·管理），2018（10）：34-35.

[7]方记文， 李冲， 赵忠，等. 机器人前沿技术在实验教学中的探索[J]. 科教导刊（上旬刊）， 2018（34）：38-39.

[8] 王帅，张云洲，吴成东.以科研项目为依托建设机器人操作系统实践课程[J].实验技术与管理，2019，36（1）：188-191，248.