地方本科院校《机器人技术基础》课程中重难点内容教学方法探讨

张学刚

(攀枝花学院 智能制造学院，四川 攀枝花 617000)

2015年5月，在国务院部署的《中国制造2025》中提到，从制造大国向制造强国转变，需要实行五大工程(制造业创新中心建设的工程、强化基础的工程、智能制造工程、绿色制造工程和高端装备创新工程)[1]，其中，实现智能制造工程的主要内容就是发展机器人工程[2]。为了响应国家的战略布局，为社会提供更多掌握机器人技术的人才。近年，在很多学校的本专科部分专业中都开设了《机器人技术基础》这门课。对于本科专业来说，这门课的教学不能泛泛而谈，需要有一定的理论深度，而且该课程属于交叉学科，涉及到机械学、力学、计算机科学、控制论、矩阵论等方面的知识[3]。因此，学生学起来较吃力，学习积极性较低，甚至部分学生存在畏惧心理。为了解决这个问题，很多高校一线教师分享了自己的教学经验，总结了优良的教学方法[2，4]。

赵弘等人[5]基于多伦多大学的教学模式，提出了提高学生学习兴趣的方法。战强等人[6-7]通过改善教学内容、教学方法、考评方式三个方面提升教学效果。王剑等人[8-9]着重从实验和竞赛角度分析了机器人课程的改革方案。程仙国等人[10]将焊接机器人作为学生学习的实验平台，通过任务驱动提高学习的积极性，旨在锻炼学生的实践能力。雷静桃等人[11]通过构建机器人教学和科研共享实验平台，在课程中加入实践环节来开展教学，培养学生的创新思维和实验技能。杜边境等人[12]提出了采用启发式教育、项目驱动式教学和仿真实验等方法来提升学生的学习兴趣。胡俊立等人[13-14]摒弃传统单调的教学模式，基于现代网络课程资源，采用慕课、微课和师生互动的方式来提高教学质量。许文燕[15]站在高职院校的角度，以社会需求为导向，弱化理论教学，着重培养学生的实践动手能力。张奔[16]将MATLAB软件穿插于理论教学过程中，用于简化课程中的繁杂数学运算，使学生学习的重心由基础运算转移到机器人当中来。毕建平等人[17]分析了现阶段实践教学中存在的问题，采用分组教学和项目分解的方式开展实践教学。刘良斌等人[18]将虚拟仿真软件Robotstudio运用于机器人的教学过程中，降低了实践教学的成本。谷明信等人[19]将理论深度较大的运动学、动力学分析等部分内容简化，并引入MATLAB虚拟仿真技术等手段开展教学，从而达到提升教学水平的目的。刘越等人[20]从机器人大赛的角度探讨了机器人控制系统和仿真软件在实践教学中的应用，进而提升学生的创新能力和学习热情。

从上述文献中可以看出，目前在机器人的理论教学方面还存在很多不足，并没有详细阐述如何解决机器人课程中的重难点问题。本文从课程的性质出发，根据我校机器人课程的教学现状，分别详细地探讨了课程中多个重难点内容的教学方法。

1 课程性质与特点

《机器人技术基础》是攀枝花学院机器人工程、机械设计制造及其自动化、机械电子工程等专业的专业课，总共2.5个学分，40学时，其中实验8学时。课程的主要任务是介绍串联机器人的位姿描述、雅可比矩阵、运动学建模、动力学建模、轨迹规划方法等。培养掌握机器人技术基础知识、初步具备机器人开发设计、应用和研究能力的善于理论联系实际的专业技术人才，并为现代化、自动化、智能化的企业培养优秀的技术和管理类骨干。

对于地方本科应用型院校来说，本课程的理论部分难度较大、知识较抽象、学时分配较少，而且课程中涉及到的知识面较广、较杂、计算量大，导致学生学习比较吃力。

2 教学现状分析

自从高考招生将二本和三本统一划线之后，对偏远地区的地方应用型本科高校招生质量有一定的影响。相对于高水平的本科院校来说，学生的基础差一些，而且师资力量和硬件设施在整体上存在一定的差距，不能很好地展开与理论匹配的实验教学。而且《机器人技术基础》这门课的理论深度较大，知识结构较复杂，学生学起来更加的困难。攀枝花学院从2015年才开始开设机器人这门课程，主要针对大学三年级或者四年级的学生，高年级的学生学习主动性和积极性有所下滑，而且教师的教学经验还不够丰富，因此，这门课的教学存在诸多不足，比如：教学形式单一、内容抽象乏味、实验设施不配套、学生自主学习的意识薄弱等。

3 重难点内容教学方法探讨

对于上一节中所分析的问题，最主要的原因还是课程理论深度太大造成的，从而导致学习效果差。目前，很多地方本科高校为了解决这个问题，主要是通过删减课程理论深度较大的内容，并结合新颖的教学方法(慕课、任务驱动型教学等)，来达到提升教学效果的目的。这样的改革，不能达到标本兼治的目的，达不到国家对本科教育的要求，使学生对机器人的了解停留在肤浅的表层，不能完全满足社会对机器人人才的需求。要从根上解决这门课的教学质量问题，必须要想办法解决课程中的重难点知识，并各个击破。

3.1 位姿描述与齐次变换

齐次变换的主要目的在于描述机器人中某个特定点(一般在指机械手上)的位置和姿态。位姿的基本概念、特殊矩阵旋转变换等可参照麻省理工John J.Craig教授的教材《机器人学导论》展开教学，该书对机器人位姿部分讲解非常详细，学习理解非常容易。基本概念讲完之后可以引入二连杆平面机构来讲解位姿描述和矩阵变换，让学生熟练位姿描述的实际应用和分析计算。

引入算例：分别用中学几何知识和齐次变换来求解图1所示平面二连杆机构末端点P的位置。

图1 二连杆平面机构 图2 KUKA 6自由度机器人仿真模型

(1)采用中学几何知识，很容易求得点P的位置，表达如下：

(1)

(2)采用齐次变换求解。假设，坐标系S2(x2，y2)固定于连杆2左端，坐标系S1(x1，y1)固定于连杆1右端，全局坐标系S0(x0，y0)固定于连杆1左端。

P点表达在坐标系S2中为

(2)

坐标系S2到坐标系S1的变换矩阵为

(3)

坐标系S1到坐标系S0的变换矩阵为

(4)

因此，P点表达在全局坐标系中为

(5)

在以上实例中，可将两种解法求得结果进行对比，让学生知道解决复杂空间机构问题还需用矩阵变换法求解更简单。此外，还可以给学生解释3阶矩阵必须转化为4阶矩阵计算的理由，这样的讲解方式更形象具体。

3.2 D-H参数法与机器人运动学

D-H参数法部分需要给学生反复强调关节坐标系的构建方法，以及四个关节量(杆长、扭角、偏距、关节角、)的定义。若这些基本的定义不能理解，后面的运动学部分就没办法理解，而且容易思维混乱。此外，相邻连杆间的坐标变换，需要强调推导过程，一旦理解了推导过程，机器人运动学方程的构建便迎刃而解。

关于机器人运动学计算部分的内容，可以借助KUKA6自由度机器人模型(图2所示)，进行计算，主要让学生了解D-H参数是如何影响机器人运动的，使学生更直观的理解机器人运动学和雅克比。

为了使学生的学习更轻松，专门为学生提供了正运动学、逆运动学和雅克比的MATLAB程序包，便于验证自己的计算是否正确，同时，也可使学生从源代码中理解运动学和雅克比的计算过程。

3.3 机器人动力学

由于开设机器人课程的几个专业均没有开设机械动力学这门基础课，因此，机器人动力学中难度较大的微分运动和牛顿-欧拉动力学方程可适当删减，仅保留拉格朗日动力学部分。拉格朗日动力学基本理论较简单，只是计算较复杂，希望学生借助计算机进行求解，重点使学生掌握求解机器人动力学问题的方法。此外，在课堂上可以借助ADAMS仿真软件向学生展示关节力(矩)与机械手负荷之间的联系，让学生知道动力学对机器人结构设计的重要性。

3.4 机器人轨迹规划

这部分内容对于绝大部分学生来说不算难点内容，绝大部分学生在学完轨迹规划之后都能够很好的完成练习题。但是，学生很难理解规划规划在机器人工作中的作用。因此，借助ADAMS仿真软件和国家仿真实验室(http：//www.ilab-x.com)模拟机器人手部和关节的轨迹规划问题，让学生直观的看到轨迹规划的作用。

4 教学效果

本课程从2016年开始，对课程大纲作了微调，删减了微分运动、四元数以及牛顿-欧拉动力学方程这部分的内容，增加了机器人运动学这一章的教学学时，并结合网络教学资源、自主编写的MATLAB程序、ADAMS机器人运动学和动力学模型等，使课堂教学形式更丰富，成绩也得到了明显的提高。表1为本课程近年考试成绩情况。

表1 近几年课程教学效果情况

5 结语

文章仅对《机器人技术基础》这门课的理论部分进行了探讨，未涉及到实践教学。通过改进课程中重难点内容的教学方法，来达到提升教学质量的目的。经近年的教学实践表明，大纲、教学方法的调整、虚拟机器人模型的引入，使枯燥乏味的机器人理论变得更直观易懂，对机器人的理解更深入，成绩也有明显的提升。