“机器人学”课程教学改革与实践

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“机器人学”课程教学改革与实践 投稿：许寥實

摘要：机器人技术是一门融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等多学科交叉的综合性学科。以培养学生的创新精神和工程实践能力为目标，紧密结合工程实际，从教学内容、教学方法、考评方式三方面提出了“机器人学”课程的具体改革方案，并在教学工作中进行实践，取…

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　　摘要：机器人技术是一门融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等多学科交叉的综合性学科。以培养学生的创新精神和工程实践能力为目标，紧密结合工程实际，从教学内容、教学方法、考评方式三方面提出了“机器人学”课程的具体改革方案，并在教学工作中进行实践，取得了良好的教学效果。

　　关键词：机器人；课程建设；创新精神；工程实际
　　作者简介：韩建海（1961-），男，河南偃师人，河南科技大学机电工程学院，教授；刘延斌（1971-），男，吉林德惠人，河南科技大学机电工程学院，副教授。（河南 洛阳 471003）
　　基金项目：本文系河南科技大学研究生教学改革研究基金项目（项目编号：2011YJG-003）的研究成果。
　　中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）08-0081-02
　　机器人技术集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化技术的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。利用机器人技术提升我国工业发展水平，从制造业大国向强国转变，提高人民的生活质量成为全社会的共识。工业机器人在各个领域的应用迎来了快速增长的发展时期，对工业机器人技术人才的需求也急剧增加。机械电子工程学科研究生开设“机器人学”这门课程不仅是社会发展的需求，也是考虑到这门课程综合性和设计性强的特点，使学生在机电工程领域、理论与实践结合方面以及提高学生创新精神和工程实践能力方面起到很好的推进作用。[1-2]
　　“机器人学”课程是河南科技大学机械电子工程学科为研究生开设的一门专业课程，已有十几年的开设历史，每年选修的学生逐年增加，已达20人左右。过去主要采取教师课堂讲、学生听的灌输式教学方式，教学内容与工程实际结合不紧密，落后于机器人技术的快速发展，对学生创新精神和探索能力的培养缺乏。这种情况显然不符合我国新时期对研究生培养目标的要求，教学改革势在必行。本文结合河南科技大学的办学定位和硕士层次人才培养目标，就“机器人学”课程的教学内容、教学方法、考评方式三个方面的改革方案和设想进行介绍，意在抛砖引玉，共同提高。
　　一、课程内容改革
　　课程改革的设计和内容要与学校定位、专业人才培养目标相适应，与学科优势和专业特色相匹配。根据河南科技大学属于地方院校的办学定位和硕士层次人才培养目标制定了“机器人学”课程的教学目标：掌握工业机器人所需的基础理论知识，培养学生运用所学的基础理论知识解决工业机器人实际工程问题的能力，达到综合运用机电一体化知识解决工程实际问题的能力。
　　“机器人学”是一门多学科交叉的综合性学科，无论在基础理论方面还是在工程实践应用方面，其发展速度都十分惊人。在课程内容改革方面，提出了“淡化理论推导，注重工程实际应用”的指导思想。该课程教学内容可分为三方面：基础理论部分、机械结构设计部分和控制系统硬件电路及其轨迹规划与编程。下面针对上述三方面的内容就教学改革思想进行论述。
　　1.基础理论方面
　　以机器人三大矩阵为重点，围绕两个空间之间的映射关系进行正、逆运动学、微操作、静力平衡等理论内容的讲解。机器人三大矩阵指的是齐次坐标变换矩阵T、速度雅可比矩阵J和力雅可比力矩阵JT。两个空间指的是关节空间和作业空间。T矩阵反映了两个空间位置之间的关系，J矩阵反映了两个空间速度之间的关系，JT矩阵反映了两个空间力之间的关系。在讲解过程中，重心放在理论公式结论的完整性及实际应用上，不追求过多的理论公式推导，突出“学以致用”。这样既避免数学推导的枯燥和繁琐，也能让学生理解理论的来龙去脉和工程应用，保证学科体系的完整性。反映机器人位移、速度和力的三大矩阵围绕两个空间的映射关系可总结为如图1所示。
　　2.机械结构方面
　　删去内容陈旧的动力传递传统机械机构部分，重点讲解目前采用交流伺服电机+谐波齿轮减速器或RV减速器的主流传动方案，对通用型6轴机器人关节的现代流行配置方案的特点（尤其是传动链的特点）进行详细介绍，使学生能够对机器人的机械结构特点有充分的掌握。目前各大工业机器人厂商提供的6轴关节机器人结构从外观上看大同小异，相差不大，从本质上来说其结构基本上都是一致的，总结为如图2所示，其结构特点如下：
　　机器人的前3个轴确定了手部在空间的位置。第1轴腰关节的电机倒置在机身上，小型机器人电机轴线与减速器轴线同轴，大型机器人电机轴线与减速器轴线背离大臂方向偏置，中间需增加一级齿轮传动。第2轴肩关节的电机向前水平固定在机身上，形成向前的肩宽。小型机器人电机轴线与减速器轴线同轴，大型机器人电机轴线与减速器轴线向上偏置，中间需增加一级齿轮传动。第3轴肘关节的电机水平固定在小臂尾部而不是大臂上，小型机器人电机轴线与减速器轴线同轴，大型机器人电机轴线与减速器轴线向下偏置，中间需增加一级齿轮传动。机器人后3个轴实现小臂的旋转、手腕俯仰和手部旋转3个运动，用于确定手部在空间的姿态。第4轴小臂旋转关节电机通常后置，第5轴手部俯仰关节和第6轴手部旋转关节电机通常放置在小臂内部。但对于大型机器人3个电机通常一起后置，尽量减少重力的不平衡。无论3个电机如何布置，最终3个关节轴线应相交于手腕的中心。
　　3.控制系统方面
　　控制系统包含硬件电路和软件编程两方面的内容。硬件电路方面，在传统的教材中该部分内容几乎不作介绍，考虑到机器人是一个典型的多轴半闭环伺服控制系统，所以应该给学生增加该部分的内容。着重介绍现代流行采用的“IPC+多轴运动控制卡”构建的开放式多轴运动控制系统方案。在实际控制中，虽然伺服控制器中也有位置控制环，但控制器参数在线调整困难，一些智能控制算法受到限制。所以通常采用多轴运动控制卡实现电机的位置环控制。交流电机伺服驱动器实现电机的电流环控制和速度环控制。电流环主要实现电流控制和功率放大。速度环主要提高抗负载扰动能力，抑制速度波动。位置环用于保证动态跟踪性能和稳态跟踪精度。 　　机器人通过由IPC发出运动指令，控制驱动器使机器人运动，并从串口测量板不断地接收机器人新的实际位置数据输入位置调整器中，与目标位置数据进行比较和放大，输出新的位置和速度控制参数。由于机器人是串连机构，运动中的惯性对机械系统性能影响较大，所以要考虑机器人的动力学特性，即控制系统会根据运动时的重力、转动惯量的变化和轴之间的相互耦合作用采取一定的控制策略不断计算和优化调整参数，从而提高机器人的运动速度和控制精度。
　　软件编程方面主要内容包括轨迹规划和编程方式。轨迹规划的主要目的就是使机器人的运动轨迹平滑、准确、稳定。在实际操作中，机器人电机要经常地在短时间内频繁地快速启动﹑停止和间歇运动。要想使机器人运转得更快﹑定位更精确和更平稳可靠，那么，当它启动和停止时就必须是平缓的，而不是猛然加速和骤然减速。所以选择一个合适的速度曲线函数至关重要，这就是轨迹规划的核心。目前，使用较多的速度曲线函数有T型速度曲线函数和S型速度曲线函数。
　　目前，示教编成是一项成熟的技术，操作简单、易于掌握，是目前工业机器人的主要编程方式。各大厂商都提供有如MOVJ、MOVL和MOVC的运动指令，方便操作者在示教过程中选择使用。这些运动指令不仅要会用，，但更重要的是理解轨迹规划实现的原理。MOVJ是关节空间规划运动指令，仅能保证末端操作器从起始点到目标点的准确运动，不能对两点之间的实际运动轨迹进行控制，所以这种规划方法仅适用于PTP作业的轨迹规划。但该规划效率最高，无特殊要求，应尽量使用。MOVL和MOVC是作业空间规划运动指令，末端操作器在作业空间按照一定的路径轨迹运动，适用于CP作业的轨迹规划。由于给出的是末端操作器在作业空间的位置和速度，所以要不断地计算关节空间角度和角速度的瞬时值，计算量大，效率低。
　　二、教学方法的改革
　　1.案例法
　　以学生能力驱动为目的，采用典型案例教学为主线，并贯穿于整个教学内容和实验过程中。以在工业界和高校科学研究中广泛使用的MOTOMAN-SV3型机器人为典型教学案例，结合每章的讲解内容对该机器人机械结构、电动机驱动、运动学分析、运动规划及其编程控制和应用等方面进行系统讲解。
　　在教学方式上，采用多媒体与板书相结合的教学方式，通过师生互动激发学生主动学习的积极性。对机器人概述、机械结构、驱动控制和传感器等内容则借助多媒体教学手段进行动态演示，引入目前世界最新机器人的研究成果和自己学校的科研成果，激发学生的学习兴趣，提高听课质量；对课程的难点（如齐次坐标变换、D-H参数法、运动学和动力学）的描述利用板书进行详细的推导和示例讲解，便于学生理解和掌握。
　　2.比拟法
　　最早的PUMA工业机器人就是模仿人类手臂设计的，所以在整个课程的教学中始终可以以自身为例进行一些内容的讲解。从机电一体化系统四部分的构成、机械结构的特点、各部分所起的作用、人手在空间位置的求解到机器人的控制和传感器等方面均可及时地将机器人与人自身相比较来进行讲解，从而提高学生的学习兴趣，便于理解与掌握。
　　3.研讨式
　　随着课程的进展，可设定某些问题进行专项讨论，如手腕关节的诱导运动分析、奇异点分析、多轴协调控制等，开展研讨式教学活动。把学生分成若干小组，针对某个主题事先确定某一小组学生作主题发言，谈谈对所论述的主题的见解、遇到的
　　问题，提出下一步解决问题的方法和设想等。然后同学们就发言内容展开讨论。要经得起教师和同学们的考问的确也不是件容易的事。这就迫使学生们不仅能够提出新观点、新见解，而且找资料证明自己的观点和见解，难度较大。这种方式不仅能够促进学生勤于阅读、勇于思考，敢于提出自己的独立见解，又能使学生在相互探讨中拓展创新思维，培养创新意识和创造能力。在研讨会上，教师仅起一个主持和引导的作用。当然，教师在最后应当对研讨情况进行总结，对学生们的观点进行点评，以使学生掌握知识的真谛。[3]
　　三、改革考试方式
　　“机器人学”的课程内容涉及到机械电子工程学科研究生所学的各门主干课程。为了提高学生综合运用所学知识的能力和主动学习的意识，该课程改变传统的闭卷考试方式，采用了“以项目为中心的考试模式”，即第一节上课时就介绍本学期的课程项目，项目的制作贯穿在整个课程教学过程中，课程结束时完成项目，最后提交一份报告。
　　对报告的撰写要提出明确的要求：论文的题目自拟，但要与所学课程相关，可根据本人的兴趣就机器人的某一方面进行深入的论述，如一款机器人的设计、机器人外观、动画/仿真、新型机构、新型传感器等。当然，也可结合自己未来的研究方向撰写。内容需包括前言、方案设计、总结等部分，报告字数不少于3000字。
　　同时，要把报告的评分标准明确告诉学生。报告的评分标准如下：概念的正确性，占10%；独立完成的内容，占15%；论述的综合性、完善性，占25%；有自己的想法（见解、方案、观点等），占50%。对于多个同学协作完成的报告可采用面试方式进一步确定各自完成的工作量和在团队中所起的作用，使成绩的给定更具合理性和公平性。最后，课程总成绩的给定为平时成绩30%（出勤+作业=20%，实验=10%）+报告70%。
　　该报告撰写的目的主要是培养学生综合运用所学知识的能力，鼓励同学主动思考、查资料，变被动学习为主动学习，同时也为硕士毕业设计论文的撰写打下基础。每年同学们都能提交一些水平较高的优秀报告，如七自由度机器人运动学方程的推导、基于Pro/E的机器人三维动画设计、三维悬吊式“飞行”摄像平台设计等。
　　四、结束语
　　“机器人学”课程作为河南科技大学机械电子工程学科研究生的一门专业课程，在培养学生的设计能力、创新能力、动手能力和专业知识的综合应用能力中占有重要地位。本文结合河南科技大学的办学定位和硕士层次人才培养目标在教学内容、教学方法、考评方式三个方面就“机器人学”课程提出了一些教学改革的方案和建议，并在教学实践中进行了尝试，取得了良好的教学效果，受到了同学们的欢迎，选修该门课程的学生逐年增加。下一步将进一步探索如何利用洛阳市周边企业的工业机器人资源开展校企合作的机器人实验教学工作，使学生尽可能多地接触工程实际的应用实例，提高实验教学的效果。
　　参考文献：
　　[1]战强，王东月.《机器人学》课程教学改革探讨[J].北京航空航天大学学报（社会科学版），2010，23（2）：117-121.
　　[2]赵弘，赵毅鑫，等.机器人学课程教育方法的探讨[J].中国现代教育装备，2008，（11）：81-83.
　　[3]韩建海，田军营，等.机电专业开展课外机器人制作的实践[J].理工高教研究，2006，25（2）：73-74.
　　（责任编辑：王祝萍）

摘要：机器人技术是一门融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等多学科交叉的综合性学科。以培养学生的创新精神和工程实践能力为目标，紧密结合工程实际，从教学内容、教学方法、考评方式三方面提出了“机器人学”课程的具体改革方案，并在教学工作中进行实践，取…

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