以培养工程实践能力为目标的机器人课程设置模式

张明德

（重庆理工大学机械工程学院，重庆 400054）

机器人技术一直处于一个国家科学与经济发展的前沿地位。据联合国欧洲经济委员会（UNECE）和国际机器人联合会（IFR）的不完全统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度达到了惊人的数字，年增长率平均在10%左右，其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。图1为现代机器人发展的几个主要阶段，国际上工业发达国家机器人技术已日趋成熟，无论是在机器人控制方法还是在承载能力方面都总体优于国内很多。我国机器技术发展相对较晚，加之流入国内的相关文献资料甚少，尚处于发展阶段。集自学习、自我修复、自主化作业多功能于一体的机器人研究正以极快的速度在机器人领域大面积铺开。鉴于此，国外多数知名高校如麻省理工学院、哈佛大学、剑桥大学、耶鲁大学等正以一个全新的视角将机器人教学切入到学生的教学实践中。

因此，培养具有机器人操作、设计、编入程序等综合能力的学生以服务社会迫在眉睫。为加快我国高校乃至中小学学生与发达国家学生能力培养的同步，结合我国高校的机器人教学课程的实际状况，架构成套全新的机器人课程设置方案，将理论课时与实验课时的比重进行了重新调整，期望对提升我国高校学生的综合能力及适应快速发展的社会提供有益的借鉴。

图1 机器人主要发展阶段

一、国内外机器人教学课程设置对比

（一）国外机器人教学课程设置

国外多数高校对机器人教学课程设置已有一个系统的覆盖，课程体系较为健全。采用模式非常科学:以讲解、实践、讨论为主要方式，让学生充分了解机器人的诞生与发展，并对机器人的操作有了一个深入的了解，颇有“授之以渔”之意，贯彻了知识传授的完整过程。

（1）美国麻省理工学院机器人教学课程的讲解与实验占用比例分别为61%和39%。基本上所有的学生都认为课程设置比较合理，能够激发学生的学习兴趣。

（2）英国剑桥大学机器人教学课程的讲解、实验和讨论占用比例分别为56%、17%和17%。巧妙地分配了讲解、实验和讨论的课时。通过详细的讲授，学生能够对机器人这个抽象的概念更加具像化，而对机器人运动学、机器人动力学、机器人的空间描述与坐标变换、机器人控制方式和机器人程序设计等系列机器人知识体系有了更为深入的了解。

（二）国内机器人教学课程设置

国内多数高校可能受限于教学条件，普遍采用较为单一的教学模式。单纯依靠教师在前面讲，学生在下面听。而教师采用的教材多半还是20世纪系列教材，已远跟不上现代工厂大规模采用的最新型号机器人。在教师授课的过程中，普遍采用课堂授课方式，较为单一的PPT授课方式更容易让学生在听课的过程中走神，处于游离状态，无法达到最终教学目的。笔者通过在网上查找资料，查询了多所高校机器人教学课时设置情况。对清华大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、北京航空航天大学、重庆大学5所高校的机器人课程设置情况进行了解，发现这几所学校的机器人课程理论课占用比例都高于70%，实验课占有学时相对于理论课较为匮乏。

笔者随机访问了本校大一至大三阶段的多名学生，从学生的反馈情况来看，90%以上的学生希望能够亲自操作一下机器人以能够使他们对机器人这个概念有更为详尽的了解。至于授课方式，多数学生希望采用课堂授课与实验教学同时进行的方式。这也证实了单一的课堂授课方式已远跟不上时代的步伐，如何有效提高学生实践能力以适应高速发展的社会是各个高校需要深思的问题。

二、课程设置方式

国内多数高校采纳的机器人方面相关教材主要为蔡自兴所编的《机器人学》、霍伟编著的《机器人动力学与控制》、国外Saeed B.Niku所编的《机器人学》翻译过来的版本。而关于机器人教学课程设置方面，多数高校只在本科阶段选修课程有机器人相关课程，可见现阶段机器人相关课程并未得到国内高校的普遍重视。根据国内高校的实际情况，调整涉及“机器人”相关课程的设置，主要面向机械制造及其自动化专业、机械电子工程专业及其他相关专业的研究生开设相关课程，针对机器人在机械工程与物流工程领域的特点培养学生在工程领域对机器人的实践训练与应用能力。以《机器人学》为例，首先在理论教学过程中讲解机器人运动学、运动正反解、空间坐标变换等相关知识，让学生对机器人控制及运动方式有一个初步的了解。其次，在UG软件里面按实验机器人1∶1比例建好机器人相关模型导入VERICUT里面进行运动仿真如图2所示，并进行对应的实际实验加工。再次，组织学生对其进行讨论，交流怎样利用机器人相关知识来实现对机器人的控制并进行系列轨迹规划。最后对应学生所遇到的相应问题进行讲解，从而让学生对机器人相关知识有一个深刻的了解，具体课程体系框架如图3所示，机器人教学课程设置如表1所示。

图2 机器人运动仿真及实验

图3 课程设置具体框架

表1 机器人教学课程设置及考核方式

在高校里面举办类似创新大赛或机器人应用于各个领域的讲座，对于学生的成长与发展有着极大的帮助。这样，可以更容易激发学生创新的意识，对机器人领域的认知有一个更为系统的掌握，为实现“中国梦”奠定扎实的基础。国内举办的许多类似的创新大赛如“挑战杯”“数学建模”等，都是学生学习机器人知识的很好的平台。学校应该鼓励学生多去参加、多去历练。如果能够有机器人领域应用方面相关灵感，都可以应用在这些平台之上。这对于一个学校将一个崭新的课程作为新的必修课做了一个较好的铺垫。

三、机器人教学模块设置

根据市场的详细调查，机器人课程可对教学重点进行相应调整，以符合当前工业技术研发和生产的实际需求。目前工厂应用较热门的机器人类型涵盖搬运机器人、打磨机器人、装配机器人、激光切割机器人、焊接机器人、自动供料机器人等。机器人研究的热点集中于三大模块，因而，可以将机器人课程的教学重点倾向于以下3个子模块，如图4。

图4 机器人教学模块划分

（1）“独立制造”机器人实训系统包括:六自由度工业机器人、机器人打磨单元、机器人抛光单元、MES系统、生产管理系统、三维扫描快速成像系统。

（2）“生产装配”机器人实训系统包括:工业机器人装配单元、自动供料单元、PLC控制系统、监控系统。

（3）工业机器人生产综合实训系统包括:机器人打磨单元、自动供料单元、数控加工中心单元。

按此模式培养，高校培养出的学生可以和工厂所需要的人才更加匹配。

四、结论

机器人技术是近几年发展起来的前沿技术，是集机械、电子、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备技术。如何将此前沿技术渗透到高校教学工作中，是各高校所要关心的核心问题。通过机器人实训平台教学与实际操作的开展，可培养学生对机器人的操作能力。并可提高高校培养适应制造业转型升级与制造业发展的高技术人才的能力。本文针对国内高校的现实情况对机器人课程教学提出了系统课时调整措施，有利于提高学生的综合应用能力。

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