机器人技术课程教学改革与探索

孙伏，侯红玲

机器人技术课程教学改革与探索

孙伏，侯红玲

（陕西理工大学机械工程学院，陕西汉中723001）

针对当前我校研究生机器人技术课程内容和教学方法存在的问题，从教学目的出发，根据课程重要地位、当前机器人技术发展现状和核心技术，提出课程内容和教学方法改革思路，教学内容丰富，教学体系完善。该改革强调思路引导的教学方法，结合项目式教学、主题式教学，机器人大赛以及网络资源，加强理论和实践结合，增加学习兴趣，从而提高教学质量。

机器人技术；教学体系；项目式教学；主题式教学

机器人技术是机械工程学科的一门重要研究生课程。由于我校开课时间短，教学条件有限，当前教学偏向于基本理论和基本分析技术，对当前机器人的研究问题和发展新技术涉及较少，学生在此基础上进行创新有一定难度。而机器人是中国制造2025中大力发展的重点突破领域，研究生毕业后继续从事研究的可能性很大。

本文通过分析机器人技术发展现状和核心技术，以提高学生掌握通用知识和提高应用创新能力为目标，在“以学生为中心”的思想指导下，完善和优化课程的教学内容，探索教学方法，完善课程教学中的教学实验条件。

1 当前机器人技术发展概述

1.1 机器人的分类和技术发展现状

按照技术发展，机器人分为第一代机器人，主要是指按预先示教的位置和姿态进行重复动作的机械；第二代机器人是指具有如视觉和触觉等外部感觉功能的机器人；第三代机器人除了具有如视觉的功能外，还具有规划和决策的功能，从而可以适应周围的环境变化而自主地进行工作；第三代机器人现在还主要处于研究阶段，实际应用还有一定的距离。

按结构特点，机器人可分为固定基础机器人，如直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、极坐标机器人、SCARA型机器人、移动机器人、仿人机器人等。

按照应用领域，可分为工业机器人、服务机器人、军用机器人和社会发展与科学研究机器人。工业机器人[1]主要集中在汽车、电子生产中，随着劳动力成本上升，已在各种生产加工中扩展开来。建筑、农业、采矿、灾难救援等非制造业行业，国防军事领域、医疗领域、日常生活领域等对机器人的需求越来越大。服务机器人[3]在老人、小孩的陪伴、助残、医疗、危险救灾方面快速发展起来，并不断向更高的智能化、模块化和网络化方向发展。

机器人的研究趋势如下[2]：

（1）机械电子结构的标准化、模块化、微型化及具有可重构性；

（2）新型传感器和多传感器融合技术；

（3）伺服驱动技术的数字化集成化及分散化；

（4）新型智能技术如虚拟技术；

（5）控制技术的开放化网络化及PC化。

1.2 机器人核心技术

机器人系统的五大要素为：本体与作业工具、规划编程、驱动控制、感知处理和人机交互。

根据历史研究文献，国内外对工业机器人的研究热点问题主要分为三个方面：仿生机器人与新型机构、机器人的定位与地图创建、机器人-环境交互。

仿生机器人如对人行走时的步态分析，双足步行机器人的复杂地面运动的研究，对动物如蛇、鱼的结构以及运动性能的研究。随着时代对机器人柔性程度和精度要求越来越高，可重构机器人和并联机构的研究成为了必然。

随着工业机器人技术的发展，由室内到室外，由结构环境到非结构的复杂环境，使机器人创建环境地图的同时进行自主定位和导航成为一大热点问题。

机器人-环境交互主要表现为机器人对作用对象的识别、路径规划，最后实现自主导航完成任务。机器人最重要的功能是辅助或完全替代人类完成作业任务，因而它的路径规划与导航问题也一直是研究的焦点。

2 教学内容与教学方法改革

本课程的主要内容是机器人基本知识和技能的构建，重点学习机器人结构设计、运动学、动力学、控制技术和路径轨迹规划等内容。当前偏重于机器人运动学和动力学，课时长，而路径轨迹规划、智能控制等课时少，动手能力差。理论讲解多，学生的兴趣有待提高。

机器人技术是光机电一体化的综合技术，经典的机械和电气控制系统设计理论是基础，而研究生已有了本科基础知识，教学内容应重视学生在科研和以后工作中的实际应用，从提高研究生的理论研究水平和解决实际问题能力等多方面培养学生，增强学生的学习动力与积极性，从而提高教学效果。

因此，教学改革的关键是在提炼当前机器人发展的共性核心技术基础上，对课程内容进行调整和改革，引入新的教学方法和技巧，其次为学生提供实验条件和方法。

2.1 教学内容改革

从教学内容调整的角度，以工业机器人技术为主，兼顾服务机器人技术、移动机器人、仿生机器人等。

机械结构设计部分，从选材的特点、常用典型传动和机构、串联机器人典型结构等几方面，分析的几大关键技术，如小型减速器、材料、并联机构等，引导学生针对新技术，查找相关文献。教学中增加精密减速器、并联机构以及可重构机构内容，了解基本知识，为研究打下基础。

增强机器人控制、视觉控制、触觉控制和机器人路径轨迹规划、避障方法、机器人导航技术、智能机器人技术的内容，力求通过该课程的学习让学生们既能比较深入地掌握机器人的运动学和动力学，同时对于其他相关的理论也有基本认识，完善知识体系。

2.2 教学方法改革

由于机器人技术涉及内容多，范围广，在教学方法上进行了以下改革。

（1）引入翻转课堂。研究生已经有了专业的基础理论，有一定的自学能力。教学方法上，翻转课堂形式对运动学分析和动力学分析较合适，可以先介绍运动学和动力学思路和方法，引导学生建立基本理论；再通过案例分析，以某机械手为研究对象，学生自学具体过程，完成推导计算和验证过程；最后上课检查和答疑，再补充其他情况的相关内容，这样一方面减少抽象的理论讲解，使学生针对具体问题寻找公式和思路，学生成为教学的主体，从而在体验中加深理解，另一方面节省课堂时间。

（2）引入专题式教学。例如两周集中学习视觉控制，结合实例学习相关传感器、信号采集与处理方法、控制方法，通过分析、讨论与讲解结合，形成完整系统的知识结构。

（3）以“专题论文”作业形式，查阅科技文献，收集专题论文资料，了解当前的发展现状和新技术。不仅培养了学生查阅文献的能力，而且扩展了知识面，锻炼科技论文的写作能力。

3 实践能力培养

机器人技术是一门综合性应用技术，理论要求高、发展快、实践性强。实物、实践过程可以促进学生对理论的理解和掌握，激发学习兴趣。

基本层次上，需要开发课程实验，提供一种能够在“做中学”的项目式教学环境[7]，增加应用体验，加强理论知识的理解和应用创新，如通过教学机器人RBT-6T认识六自由度关节型机器人；通过慧鱼机器人实验可练习机器人本体结构的构思和搭建以及控制编程；开展以虚拟机器人为平台的课程教学或虚实结合的课程教学，如ABB公司的虚拟综合平台RobotStudio.在老师的引导下，根据个人的兴趣，借助某一环境完成一次全面的实验。

较高层次上可以为学生提供相关模块，设计搭建机器人，进行动作控制[8]，此过程需要细致指导，工作量大。同时，还可以带领学生参加机器人各种层次的机器人大赛、编程大赛等，如国际机器人比赛如机器人足球竞赛（包括RoboCup和FIRA）、机器人灭火竞赛、机器人综合竞赛，国内的各种大学生机器人大赛等。

随着网络应用的普及，也出现了机器人主题网站、机器人网络教学、机器人竞赛网等数字媒体，可以辅助教学，扩展知识。

4 结束语

针对当前教学中课时少，课程内容多、理论技术要求高、发展快的问题，结合机器人的类型与发展现状、核心技术的分析，提出了课程教学内容和教学方法的改革思路，强调“以学生为中心”的教学过程，主要表现在：

（1）在理论性较强的运动分析和动力学分析中，引入翻转课堂教学，课堂上讲授基本思路和概念，学生课外针对实例分析，再答疑和评价补充。

（2）通过教学内容和方法改革，完善研究生的知识体系结构；

（3）通过专题式教学，集中较短的时间了解要解决的问题和方法思路，需要掌握基本知识后，通过查阅文献资料，了解发展现状，掌握基本技术。

（4）尽量给学生提供实践机会，提供可用的网站，增加学生的工程实践训练，有利于对理论的掌握和活学活用。

[1]赵杰.我国工业机器人发展现状与面临的挑战[J].航空制造技术，2012（12）：26-29.

[2]曹文祥，冯雪梅.工业机器人研究现状及发展趋势[J].机械制造，2011（558）：41-43.

[3]宋章军.服务机器人的研究现状与发展趋势[J].集成技术，2012，1（3）：1-9.

[4]王田苗，陶永.我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J].机械工程学报，2014（9）：1-13.

[5]王国彪，陈殿生，陈科位，张自强.仿生机器人研究现状与发展趋势[J].机械工程学报，2015（13）：27-44.

[6]程仙国，孙慧平，李占涛.《工业机器人技术》课程教学改革与实践[J].宁波工程学院学报，2015（4）：104-108.

[7]李霞，周强，魏敏.《机器人技术基础》课程教学探究[J].农业网络信息，2015（1）：132-135.

[8]陈虹.普通综合性高校开展机器人技术实践教学的初步探讨[J].计算机教育，2010（19）：132-135.

Teaching Reform and Exp lore of Robot Technology Course

SUN Fu，HOU Hong-ling
（Mechanical Engineering Dept.，Shaanxi Sci-Tech University，Hanzhong Shaanxi 723001，China）

In view of the current our school graduate curriculum content and teaching methods of robot technology problems，starting from the teaching objective，curriculum according to the important position，the current robot technology development status and key technology，and puts forward the thinking content and teaching method. Enrich the teaching content，improve the teaching system.Emphasize the teaching method of thinking guidance，combine project teaching,theme teaching，robot competition and network resources，strengthen the combination of theory and practice，increase interest in learning，improve teaching quality.■

robot technology；teaching system；project teaching；subject teaching

G642.0

A

1672-545X（2017）02-0207-02

2016-11-03

陕西理工学院研究生教改项目资助（编号：SLGYJG1510；SLGYJG1503）

孙伏（1969-），女，陕西富平人，副教授，工学硕士，主要研究方向：先进制造技术，机构设计与综合。