新工科背景下高校机器人控制课程的实验教学研究及探讨

代爱妮 刘竞 王蕊

摘要：为适应新工科背景下高校对机器人实践教学内容的要求，本文基于产、学、研新模式，设计了适合本校《机器人控制与应用编程》课程的系统化实践教学内容。主要包括基于STM32单片机的教学机器人控制实验、基于Matlab的教学机器人的运动仿真实验，基于RobotStudio的ABB工业机器人控制实验。本研究所设计实验内容具有开放性及拓展性，经本校实验教学验证，可加深学生对于机器人专业理论知识的理解和实践动手能力的培养。本文研究可为开设该课程的同类院校提供一定的参考。

引言

目前我国机器人领域人才供求失衡严重，机器人的需求增长与企业缺乏技术人才的矛盾日益凸显，社会亟需培养具有机器人相关专业知识和实践能力的专业人才。研究如何在新工科背景下发展机器人教育，以及如何规划机器人控制类课程的实验内容，并由此探讨适合本校学生特点的实验教学方法，从而形成系统的机器人实践教学流程，增强学生动手实践能力具有非常重要的意义。

1 国内外研究现状

目前，我国高校机器人专业教育仍然处于初步发展阶段，较多研究者提出了机器人教育策略和对学生创新能力、科学素养和工程意识等方面的积极影响。辽宁大学物理学院的许超等学者通过搭建模块化机器人教学平台分层次地引导学生进行机器人创新实践，可使学生快速了解并学习机器人。中国矿业大学沈刚等为并联机器人在机械工程实验教学中的应用提供了一种新的方法。沈红芳、印松等学者开发了一套工业机器人综合训练平台，教学效果良好。吉林大学王林等学者探索了基于Labview的LEGO NXT机器人在控制类教学中的应用。上海工程技术大学王晓军老师根据本校学生特点把服务机器人和工业机器人有机结合在一起对该课程设计了8个综合实验，共60学时。南京大学金陵学院吕琴老师对如何上好机器人技术与实验课程进行了探讨。但部分高校的课程实验方案品牌专业性强，不利于普通高校机器人教育形成系统的教学流程。

针对以上调研，本文结合本校学生特点及课程性质，提出探讨适合本校学生的《机器人控制与应用编程》课程的实验内容及规划，以期给开设该课程的同类院校提供一定的参考。

2 教学机器人实验平台

本课程采用的教学机器人实验平台为青岛英谷教育科技有限公司研制。其主体是一个六轴机械手臂，以STM32F103RB单片机为控制系统核心，通过对该单片机编程，可以实现机械手臂的伸缩、旋转和上下移动等动作。

该平台不仅能使学生了解机器人的关节结构，而且硬件接口丰富，可方便二次开发，教学针对性强，使学生能快速掌握机器人的关节变化及运动轨迹等，提高实践动手能力。

3 研究内容与研究路线

《机器人控制与應用编程》是我校面向机器人、机械电子等专业的本科生新开设的一门专业基础课，理论学时32学时，实验学时24学时。针对我校学生学习特点，本研究基于产、学、研新模式，设计了六轴教学机器人的单片机控制与Matlab仿真实验、以及基于RobotStudio的工业机器人控制与仿真实验（9个实验项目，共24学时）。

第一部分实验内容1～3是基于教学机器人实验平台设计的机器人控制实验，培养学生熟悉并理解机器人硬件结构及机器人舵机控制原理，进一步提升学生对PWM控制原理和舵机控制程序的优化编程能力，同时掌握上位机与机器人控制器通信。

第二部分实验4～5是关于机器人坐标变换、D-H参数、运动学及动力学分析仿真，通过仿真，学生可更形象的理解本教材中的相关理论知识。例如，学生比较难理解的矩阵变换过程，以及机器人手腕结构。尽管教师可以按课本讲解的很详细，但大部分学生还是不能很好地理解机器人手腕的翻转、俯仰、偏转的具体位置和方向，想象不出关节旋转角度为 360°是怎样的。通过第一部分基于教学机器人的实验，利用实物立体展现所学内容，使学生对机器人系统有一个整体认识，再进行第二部分基于Matlab的机器人系统建模与控制仿真实验，进一步加深理解教学机器人的结构及控制。通过仿真实验可以辅助学生正确地理解理论教学中的机器人运动学正问题及逆问题的方程推导。

第三部分实验内容5～7基于RobotStudio的工业级机器人仿真实验，着重培养学生关于工业机器人的控制、设计和应用方面的能力。

最后阶段学生再去企业进行工业机器人的控制实训。

通过硬件操作，再进行机器人仿真，然后再到企业实训，这种由浅入深、循序渐进、有实物有理论的实验方法可以避免空洞的理论讲解，通过亲自实践有效提高学生掌握机器人编程和应用技术的能力，达到用人企业对相关人才的要求。

4 总结

本研究基于教学机器人实验平台，设计了《机器人控制与应用编程》课程的实践教学内容，加深了学生对于理论教学内容的理解。另一方面，工业机器人设备昂贵，通过ABB工业机器人控制与示教编程实验设计，可有效解决我校当前实验室工业机器人设备不足的问题。在实践教学过程中，本课程所设计的实验使理论过程及实践结果“情景再现”，可有效巩固学习效果。此外，无论是教学机器人的开源代码，还是Matlab及ABB工业机器人的控制仿真实验均具有开放性及拓展性，该研究内容不仅为课程实验、也为课程设计和毕业设计增加很多动手实践机会，从而可有效培养学生创新思维。

参考文献

[1]《机器人控制器编程与应用》：青岛英谷教育股份有限公司著，西安电子科技大学出版社，2018.2

[2]陈鑫.机器人工程专业多平台协同教学的实践与研究[J].科技经济导刊，2018（18）：2.

[3]许超，单晶，宋飞，等.模块化机器人平台的创新实验设计与实现[J].辽宁大学学报：自然科学版，2018，45（2）：4.

[4]沈红芳，印松，王廷军.基于工程教育认证的《工业机器人项目综合训练》课程改革与探索[J].中国教育信息化，2021（12）：4.

资助项目：青岛农业大学实验技术研究课题资助（ SYJK19-05）

*第一作者及通讯作者简介：代爱妮（1977-），女，青岛农业大学讲师，研究方向：智能控制、机器人，E-mail：daiaini@qau.edu.cn