我校“机器人控制”课程建设的一些举措

王建文，何晓峰，沈 辉，马宏绪

(国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南 长沙 410073)

在高校开设“机器人控制”课程对学生的教育具有非常重要的意义。该课程是形象思维培养的媒介，也是动手能力和创新能力培养的平台，通过实践，能够让学生学到很多书本上没有的知识[1，2]。

1 机器人课程现状

为了解国内外高校开设机器人课程的现状，有必要介绍美国著名高校的机器人课程:①MIT的机器人课程是本科生必修课程，课堂讲解34个学时、实验教学22个学时;②Stanford大学的机器人课程也是本科生必修课程，教学形式是课堂讲解和阅读，总学时数为43个学时;③CMU的机器人课程也是本科生的必修课程，课堂讲解每周1.5个学时，实验教学每周1个学时;④UC-Berkeley的机器人课程是研究生的必修课程，课堂讲解每周3个学时，实验教学每周1个学时，课堂讨论每周1个学时;⑤CIT的机器人课程是本科生的必修课程，教学形式是课堂讲解、实验教学和课堂讨论相结合，总学时数为42个学时。此外，MIT的机器人课程教学还非常注重实践，学生在学习每门课程的过程中均要展示自己设计的机器人[3]。

在国内，哈尔滨理工大学对“机器人控制技术”课程的建设做了大量工作:①制作了丰富多样的多媒体教学课件;②设计了贯穿整个教学过程的教学案例;③利用交互式提问和类比等方式加强分析讨论，培养了学生研究性学习的理念;④开发了设计型、研究型实验，促进了研究式教学，为学生提供了理论联系实际的平台;⑤制定了合理的考核指标和监督体系，保证了课程建设的质量;⑥采用了现代信息技术支撑课程建设。

我校于1987年开始从事机器人研究工作，在仿人机器人、四足仿生机器人、履带地面移动机器人、足球机器人和无人飞行器等方面都取得了卓越成绩。其中，仿人机器人研究一直处于国内领先水平，履带地面移动机器人和足球机器人多次参加国内、国际机器人大赛，获得了多项大奖。在机器人课程教学方面，我校也开设了一系列机器人课程，如“机器人控制”课程是控制科学与工程学科研究生的选修课程，共计36学时。课程教学30学时，实践教学6学时。选用了文献[4]作为本课程教材。实践教学中，要求学生参观机器人实验室，安排与机器人专业高年级研究生及教师讨论机器人相关技术问题。

我校的“机器人控制”课程存在以下一些不足:①缺少适用于课程教学的多媒体教学课件;②缺乏适用于实践教学的实验设备和机器人运动仿真模拟设备。针对这一现状，我校从整体上提出了如下的课程建设方案。

2 “机器人控制”课程建设方案

2.1 课程教学方案

(1)系统组织课程教学内容—课程教学内容首先沿两条线进行组织。其中一条线讲解如何利用齐次坐标和齐次矩阵来描述刚体上一点的位置和速度，另一条线讲解如何利用旋量和矩阵指数来描述刚体上一点的位置和速度。通过上述类比，学生很容易接受旋量和矩阵指数这种描述形式。然后，课程教学内容以旋量和矩阵指数为数学工具逐步展开，从单刚体逐渐延拓到多刚体，分别描述了机械臂的运动学模型和动力学模型。最后，课程教学内容跳出刚体模型描述范畴，回归到控制学科的核心:控制问题上，以机械臂动力学模型为基础设计了三种控制算法。

(2)明确课程教学知识点—课程教学知识点主要包括刚体上一点的位置和速度描述、机械臂运动学建模、机械臂动力学建模和机械臂控制算法设计四部分，这四个教学知识点以串行方式进行组织。

(3)设计合理的课程教学案例—考虑到实践教学只有6学时，所以课程教学案例就以实验设备为对象进行设计。

(4)制作多媒体课件—在上述材料均准备充分后，利用PPT软件制作了多媒体课件。

2.2 实验设备建设方案

为了培养学生的动手能力和实践能力，我校研制了“机器人控制”课程所需的实验设备。该实验设备是一个四自由度的机械臂(重3千克，长0.65米)关节采用直流电机驱动，传动方式是谐波减速器和齿轮。其中，电机输出轴首先连接齿轮，然后齿轮再带动谐波减速器运动;机械臂前端装有快速夹持、剪切机构，能够快速响应、捕获、剪切目标，所有线缆均埋藏在机械臂连杆空腔内;关节控制器基于DSP自行设计，可以实现位置反馈、速度反馈和电流反馈控制;选用PC-104小板机作为主控器，关节控制器与主控器间通过Can总线进行通信;机械臂主控程序采用VC编写，预留运动规划算法接口和控制算法接口，供学生编写和调试运动规划算法和控制算法。

2.3 物理概念演示动画建设方案

“机器人控制”课程讲述的是刚体运动的表示方法及其应用，因此它与实际系统是紧密联系的。如果能够展示出实际系统的运动过程，那么学生对抽象物理概念和公式的理解将更加容易和直观。为了展示出实际系统的运动过程，在充分利用多媒体课件的基础上，使用3D Max软件制作了本课程所涉及到的物理概念的演示动画。

4)机器人仿真系统建设方案

“机器人控制”课程实践教学仅有6学时，我校研制了两套实验设备。为了保证每位学生均能独立完成实验，本课程采用了Matlab软件开发机器人仿真系统。该仿真系统中包含了大量的函数，这些函数涵盖了本课程所有知识点，使用时直接调用即可。另外，该仿真系统还提供了运动规划算法和控制算法集成验证环境，预留了运动规划算法接口和控制算法接口，并能以曲线、图形形式显示机械臂运动过程。这样，学生就可以首先利用它来验证运动规划算法和控制算法的正确性，然后再在实际系统上调试验证[5]，可节省实验调试时间。此外，机器人仿真系统还可以弥补动画演示的不足，用于演示复杂的机械臂运动过程和实现交互式仿真演示。

3 结语

2010年，我校“机器人控制”课程建设所取得一些成果已逐步引入到实际教学中。实践结果表明该课程建设方案是成功的，主要表现为:①学生选修该门课程的人数从2009年的14人增加到了2010年的19人;②课堂教学氛围明显好转，学生可以根据课程教学内容，自己动手推导公式;③利用课件授课可以节约板书时间，学生注意力能够集中在概念理解上;④学生通过动画演示，可以摆脱空间想象的束缚;⑤仿真系统和实验设备可以加深学生对机器人及其所包含的理论的理解。

[1]赵弘等.机器人学课程教育方法的探讨[J].北京:中国现代教育装备，2008，11

[2]郝卫东，李静，许敏.机器人技术综合实践课程建设研究[J].桂林:桂林电子科技大学学报，2009，29(4):

[3]王益，张剑平.美国机器人教育的特点及其启示[J].北京:现代教育技术，2007，17(11):pp.108-112.

[4]Richard M.Murray，Zexiang Li，S.Shankar Sastry.A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation.CRC Press，1994

[5]张佳，窦丽华，陈杰.机器人实验教学平台软件的设计与实现[J].北京:北京理工大学学报，2009，11(2):