机器人机构学课程教学探索

摘  要 针对我国高校机器人专业刚刚起步的特点，结合学校开展机器人教育的现状进行分析研究，提出机器人工程专业机器人机构学课程教学内容的初步方案，并针对课程特点对教学方法进行初步探索，对机器人专业建设和机器人机构学教学研究有一定的指导意义。

关键词 机器人;机器人机构学;机器人工程;MATLAB

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）14-0063-03

Abstract In view of the characteristics of just beginning in the robo-tics specialty in Chinas colleges and universities， analyses and stu-dies the current situation of Robotics Education in our university， thispaper puts forward the preliminary plan of the teaching content of robotics mechanism course for robotics engineering specialty， and makes a preliminary exploration of the teaching method according to the characteristics of the course. This paper has certain guiding sig-nificance for the construction of robotics specialty and the teaching research of robotics mechanism.

Key words robot; robotics mechanism; robotics engineering; MATLAB

1 引言

機器人学是与机器人设计、制造和应用相关的科学，又称为机器人技术或机器人工程学，主要研究机器人的控制与被处理物体之间的相互关系。因此，机器人教育已经成为工程教育尤其是高校工程教育的重要发展方向。2016年，东南大学在国内首先开设了机器人工程本科专业，之后很多高校陆续新增机器人工程专业，仅2017年就有60所。但是相对于日益膨胀的对机器人专业人才的需求，高校对于机器人工程专业的专业体系设置和专业课程教学内容的设置还有很大不足[1]。

机器人机构学是一门研究机器人系统中构件和运动各自特点与相互连接的学科，是机构学在机器人这一研究本体上的具化。同时，由于机构学研究是机器人学研究的基础和重点，在机器人工程专业的专业体系设置中，机构学的课程设置就显得尤为重要。

本文在对国内外高校机器人学和机构学教学调研的基础上，以三江学院机械与电气工程学院机器人工程专业为例，提出一种针对机器人机构学这一专业课程设置和建设的探索思路。

2 国内外机器人及机器人机构学教学现状

虽然机器人工程专业的设置较晚，但对机器人学的教学研究已经持续很长一段时间，国内外很多高校在本科和研究生阶段开设了和机器人及机器人机构学相关的课程。

国内的机器人课程最早开设在研究生阶段，近年来很多高校在机械、自动化等专业的本科阶段也陆续开设此课程。这类课程多以机器人概论、导论为主，其主要教学目的是通过课程学习使学生掌握机器人机构学、运动学、控制学、人工智能等和机器人相关的各方面知识。但由于机器人学牵扯到的知识面较广，在单一课程内讲述机器人学往往不切实际，通常的做法是结合不同的专业背景和前置课程的设置，对机器人学进行有侧重点的教学[2]。

相对于机器人学课程，机构学课程的研究范畴则相对单一。国内外高校通常在机械工程相关专业的本科和研究生阶段会开设机构学相关课程。其中国内高校的机构学课程开设相对传统，一般情况下在本科阶段开始机械原理课程，在研究生阶段开始高等机构学课程。国外高校针对机械工程类本科教学与国内类似，通常在机械设计基础等课程内讲述初等机构学的相关知识;而在研究生阶段，除了有些高校开设的高等机构设计、高等动力学和机构学等课程以外，很多高校则选择把机构学和机器人学相结合，开设了类似于机器人机构学的课程，主要讲述和机器人相关的机构学知识[3]。

国内最早把机器人机构学作为单独的课程设置同样出现在研究生阶段，这类课程主要建立在机械原理、机械设计、机器人学导论甚至高等机构学之上，主要讲述工业机器人的空间机构学模型和空间连杆机构的运动学分析。这类课程要求学生有较为扎实的数学、力学、运动学和机构学基础。

3 机器人机构学教学内容设置

机器人专业课程设置  表1所示为三江学院机器人工程专业的学科专业课程设置，其中在第五学期开设48课时的机器人机构学课程，该课程是除了机器人导论这一专业导论课程外第一门真正意义上的专业课程。课程的前置课程有工程力学、MATLAB及应用、线性代数（通识课未见表1，开课学期为第三学期），后续为机器人系统设计课程服务。另外，专业基础课程中开设了机械设计，未开设机械原理。

由此可见，对于机器人工程本科专业而言，机器人机构学课程需要承担机构学基本概念、常见机器人机构分析与设计、机器人位姿描述、机器人运动学分析等多个模块，是机器人专业课程中唯一的对于机器人机构分析和设计的课程，课程重要性不言而喻。

机器人机构学课程教学设置  如上文所述，传统的机器人机构学课程多设置在研究生教学阶段，面向的是有一定机器人学和机构学知识的研究生，且课程内容主要包括机器人连杆机构及其运动学、动力学分析，课程并没有对机构学基础概念和理论以及机器人本身的位姿描述进行研究和阐述。而对于本科阶段机器人工程专业的机器人机构学课程来说，主要是对机构学、机器人学、常见机器人机构这三个方面的阐述和讲解[4]。因此，针对机器人工程本科专业机器人机构学的教学，应包括机构学基本概念和常见机构分析与设计、机器人学基础知识、臂型机器人（移动机器人）运动学与动力学分析这三大模块。

机构学基本概念和常见机构分析与设计是机构学的基本内容，在此模块中要求阐述机构学中关于机构的结构分析、运动分析和力分析的方法，介绍连杆机构设计与分析方法，齿轮及齿轮系机构设计与分析的方法。其中关于机构的结构分析、运动分析和力分析是机构学的基础，也是机器人结构设计的基础，对认识机器人以至其他一般机械机构有指导性意义，是本模块的重点。连杆机构设计与分析以平面四杆机构和空间开式链为例，附以并联机构，由简入难，逐步介绍了机器人学中常见的机构连杆类型及分析设计方法，对后期对机器人机构的认识有很大帮助。最后简单介绍齿轮和齿轮系机构设计分析的方法，对理解机器人减速机构有一定的指导意义。

机器人学基础知识主要包括机器人的位置与姿态描述、运动与时间关系这两部分内容，其中机器人的位置与姿态描述是机器人连杆分析的基础，牵扯到和机器人相关的空间数学表示，是传统机器人学的重点，也是本课程第三部分的基础。而运动与时间的关系则从时域的角度考虑机器人运动学，讨论和运动学相关的坐标系、轨迹等相关概念。

臂型机器人机构运动学与动力学分析以工业臂型机器人为研究对象，首先对臂型机器人进行空间机构描述，并在此基础上介绍工业机器人的运动学和轨迹分析方法，介绍机械手的速度关系、动力学分析方法并由此引出关节控制的方法。在主要介绍臂型机器人机构的同时，介绍移动机器人的常见机构类型及设计方法、移动机器人的导航与定位[5]。

4 机器人机构学教学方法探讨

机器人工程是一门新兴的专业学科，由于国内在2016年才开设此专业，因此，针对本科教学的机器人机构学课程从课程内容安排和要求上，都没有太多成熟的经验借鉴。同时，机器人机构学也是一门多学科交叉、内容庞杂、难度较高的课程。所以，对于本科教学尤其是应用型本科教学而言，机器人机构学课程教学一定是在覆盖知识面的同时降低课程难度，才能获得更好的教学效果。

强调基础与实践并行  机器人机构学是一门理论性较强的课程，而同时兼具实践指导意义。机器人学中的数学基础、机构学中的力学基础等都是理论性较强的内容，也是本课程乃至整个专业的重点，所以在课程教学过程中一定要抓住重点，夯实基础。同时，在讲述课程时还要注意和实践相结合，多举实例，让学生明白理论基础在机器人机构设计与分析中的作用。

以专业为背景，强调课程间的交叉结合  机器人机构学是机器人学中的重要专业课程，是专业基础课向专业课的迈进和衔接。在课程教学过程中一定要注重此课程对后续课程的影响和对整个专业的作用，让学生在学习过程中不但理解学了什么，而且理解为什么学和学了以后干什么。同时，在教学过程中还要穿插数学、力学等基础学科的复习和补缺，使学生在专业学习的整个体系中理解相互关系。

强调MATLAB等计算机工具在教学中的作用  机器人机构学中牵扯大量的矩阵及其他数学运算，学生在学习过程中经常会本末倒置，把精力放在运算上。但实际的机器人机构学研究中早就利用了各种工具来代替基础运算，尤其是MATLAB软件除了基础数学运算以外，还有针对机器人学开服的模块，在机器人机构学乃至整个专业教学过程中，都应主动使用此类工具来简化运算难点，突出教学重点。

突出以项目为导向的教学方式  传统的专业教学往往是先讲述基础概念，再讲述计算和分析方法，最后进行实例分析。而以项目为导向的教学方法则与此相反，往往是先抛出和课程密切贴合的实例项目，分析项目的需求，再针对需求寻找解决方法。对于机器人机构学课程来说，首先对经典的臂型机器人和移动机器人进行分析，抛出机构学在此问题中所能起到的作用，紧接着在介绍每一章节的内容时阐述对整个项目的作用。这种以项目为导向的教学能够很好地让学生理解课程内容开始的意义和彼此之间的相关性。

5 总结与展望

本文对机器人机构学的教学内容和教学方法进行了分析和探索，提出针对机器人工程这一本科专业的机器人机构学教学应包括的主要内容和重点，并以此为基础，指出在机器人机构学教学过程中应注意的教学方法。

机器人机构学是一门新兴的学科，对课程内容的把握还应随着教学实践加以修正。如何在后期的课程教学中通过教师、学生以及用人单位的反馈，修改教学内容和改进教学方法，是该课程教学改革探索的方向。

参考文献

[1]战强，闫彩霞，蔡尧，等.机器人教学改革的探索与实践[J].现代教育技术，2010，20（3）：144-146.

[2]张奔.以实践为导向的机器人教学改革探索[J].中国教育技术装备，2017（6）：91-92.

[3]吴宇列，吴学忠，席翔.机构学研究生课程中美大学比较分析[J].高等教育研究學报，2016，39（3）：64-70.

[4]马香峰.机器人机构学[M].北京：机械工业出版社，1991.

[5]Corke P.机器人学、机器视觉与控制：MATLAB算法基础[M].北京：电子工业出版社，2016.