搬运机器人对象的创新工程对象教学法

谭永丽

(湖北第二师范学院 物理与机电工程学院，武汉 430205)



搬运机器人对象的创新工程对象教学法

谭永丽

(湖北第二师范学院 物理与机电工程学院，武汉 430205)

针对目前大学生在传统的教学模式培养下，系统工程意识弱、创新能力不足、学习兴趣不浓的情况，提出在机器人教学中引入工程对象教学法，以搬运机器人为工程对象，按任务驱动的模式分解、整合知识点，以学生为中心，顺应其认知规律，运用“实践-归纳-推理-再实践”的方式引导讲授。本教学法能够最大程度地激发学生的学习兴趣，提高学生的系统工程意识和创新能力。

搬运机器人；工程对象；创新

1959年美国的英伯格和徳沃尔制造出世界上第一台工业机器人之后，世界各国都在争相开展机器人研究。机器人技术综合了多个学科的先进技术，涉及机械、电子、自动控制、计算机硬件、软件、通讯、生物等学科，是锻炼学生的实践能力、激发学生的创造精神和培养学生的科学素质的最好的技术平台之一。因此我国高校相继开设了机器人课程。

我国机器人课程的设置完善了教学体系，培养了学生的动手能力，但是与国外高校的机器人教学相比，还存在一定的差距，本人借鉴国外先进的教学理念，在搬运机器人教学中引入工程对象教学法，有利于优化教学策略，激发学生兴趣，挖掘学生潜力，培养学生的创新意识和系统工程意识。

1 机器人教学现状

机器人技术是多学科综合的先进技术，在制造业等领域有广泛的应用，因此是培养和提高学生科学素质的良好载体，国内外很多学校先后开设了机器人课程和机器人相关教学活动。

美国的麻省理工学院(MIT)，斯坦福(Stanford)，佐治亚理工学院(GIT)，卡内基梅隆大学(CMU)和佛罗里达理工学院(FIT)等诸多学校都开展了机器人教育。其教育形式主要有四种，第一种，是在学期中开设独立的机器人课程；第二种，是在讲授其他课程时，以机器人作为教学或研究工具来培养能力，传授机器人知识；第三种，是设立机器人实验室或实验中心，吸引学生参与项目研究；第四种，是开展机器人竞赛，鼓励学生团队参加比赛。

以佛罗里达理工学院为例，其工程学院的机械与航空工程系开设有机械工程专业，该专业研究生培养阶段，对从事机器人与控制研究方向的学生开设有机器人学和机器人控制课程。机器人课程中实验学时所占比例较高，学生将各部件组装搭建成实体机器人，编写程序，调试机器人，综合运用所学知识，增强了动手能力，体验了工程实践环境。另外，学生还可以进入Robotics and Spatial Systems Laboratory(机器人与空间系统实验室)参与机器人项目的学习与开发。其项目包括PantherBot, a Motoman SV3 XRC Robot, an Adept/Mobile Robotics PowerBOT等。同时该校还鼓励学生团队积极参加机器人大赛。2013年5月，NASA(美国国家航空航天局)举办月球机器人采矿车比赛，有来自澳大利亚，加拿大，印度，墨西哥，波兰等8个国家的50个国际团队参加，佛罗里达理工学院学生团队的Lunar Mining Vehicle Robot获得第五名的成绩。该校以赛促学，以赛促研，教学、科研、比赛全方位立体化的学习体系和以项目为主导的教学方法，使得该校的机器人教育蓬勃发展，学生的创造力得到极大地发挥。

2 工程对象教学法

工程对象教学法[1]是基于典型的工程对象，遵从合理的认知规律，将理论讲解、实验教学、实践教学与创新活动等融为一体的创新型教学方法。

采用该教学方法，首先是选取典型的工程对象。典型的工程对象可以分为三类：专业型、综合型、综合系统型。专业型主要服务于某类课程，例如用于自动控制原理课程的教学；综合型主要服务于某些专业课或综合素质训练，例如智能机器人，它是非常典型的机电一体化系统，融合了电路、电子技术、单片机、自动控制原理等课程的知识，可以作为自动化、机电一体化、计算机等专业的工程训练对象。综合系统型模拟建立各种工业和商业自动化缩微环境，帮组学生建立系统的专业综合能力。选取工程对象时，首先，根据专业训练目标和学生所学知识进行选择。其次，根据工程对象的任务要求将其分解为各个环节，将各环节所涉及的知识点有机地结合。最后，采用以学生为中心，以团队为活动单位的模式，顺应学生正常地认知规律，运用“实践-归纳-推理-再实践”的方式引导讲授，最大程度地激发学生的学习兴趣，提高学生的项目管理能力、小组协作能力和交流能力。

3 以搬运机器人为对象的创新工程对象教学法

搬运机器人是软件和硬件的有机统一，其制作过程是一项复杂而系统的工程。不同的设计者可以设计出不同结构外形和功能的机器人。图1是其中一种，图形中小车采用的是履带轮，适用于搬运重物的场合，同学们也可以设计为用四个轮子代替履带轮。该搬运机器人由小车及机械手组成，小车的启动和停止由传感器或碰撞开关控制，四轮小车是搜救比赛、巡线比赛等场合常用的构型。机械手是典型的工业机器人形式，在自动化生产线上，能够代替人类完成焊接、搬运等工作。搬运机器人是典型的机电一体化系统，涵盖了机械、电子、计算机、控制等学科领域，是工程培训及课程教学的良好载体。

图1 搬运机器人

搬运机器人的软硬件功能与人体功能的对应关系可以由图2表示出来。

图2 搬运机器人的软硬件部分与人体功能对应图

向学生介绍了搬运机器人软硬件功能与人体功能的对应关系后，学生对搬运机器人的架构及各部分的逻辑关系有了整体的概念。接下来，分析机器人的任务要求，明确实施环节。

3.1 任务要求

(1)通过拍手或按钮启动小车；

需要指出的是,由属性产生论域的一个覆盖可以通过在该属性上定义二元关系对论域粒化产生,也可由集值的属性产生[9]。

(2)前进5s，前进过程中0号灯亮；左转900，转弯时1号灯亮；再前进5s，0号灯亮；停止前进，所有灯灭。

(3)机械手接近物体，所有灯亮，机械手张开3s后夹持住。

(4)后退5s，2号灯亮；左转900，1号灯亮；前进5s，0号灯亮；停止前进，所有灯灭。

(5)机械手张开，所有灯亮，放下物体，完成所有任务，机械手恢复原状，等待。

3.2 实施环节

充分了解搬运机器人的应用场合和需要完成的任务后，对机器人进行结构和策略规划，确定一个合理的方案，按下面环节实施。

(1)搬运机器人的搭建

(2)软件安装及舵机设置

(3)编写、调试程序

3.3 环节的知识模块和实施方法

(1)搬运机器人的搭建

这一环节综合运用到《机械原理与设计》、《空间机构学》、《机器人学》等课程的内容。我们将这些课程中与搬运机器人相关的知识整合到一起，用到哪些就学习哪些，不求全只求精确和实用。根据任务分析，搬运机器人的搭建包括机械手搭建和小车搭建，通过搭建过程，学生对机器人产品设计、安装会有一个较全面的了解，为学生下一步专业课学习及今后毕业设计打下较好的基础。搭建过程中，首先，学生利用多种机械结构套件，例如：连杆、齿轮、各种结构件、履带、履带轮、全向轮等自主搭建小车模型，模拟机械运动，复现机构工作原理。其次，安装控制卡、数字舵机、碰撞传感器、红外接近传感器和声音传感器等，用杜邦线连接。最后，搭建机械手，机械手的搭建包括机械臂和手指，制造业中常用6自由度机械臂，工程训练中根据任务不同可以搭建出不同的机械臂和手指，安装于小车上，下面给出一种简单的机械手搭建方法，易理解并且所需知识典型。

搭建机械手时，先向学生分析人类如何完成物品的抓取和转移动作，再规划到机械手上，用一个舵机做“轴”关节，执行机械手相对于底盘的运动；用一个舵机做“腕”关节，执行“手掌”旋转的运动；再用一个舵机作为手掌，执行“手指”张合的动作。这样只需3个舵机就可以搭建出一个机械手。学生搭建好实物机械手后，会小有成就感，再由实物讲解理论更易理解，对照此机械手画出各个关节之间运动关系和约束关系图，讲解机构简图和机械学方面的知识，讲解力学系统的自由度知识。进一步，还可以引导学生揭示机械手使用过程中，经常碰到的两个问题，激发学生探求新知识的兴趣，然后讲解解决问题的重要知识——正向运动学和逆向运动学。

上述机械手的知识，分散在不同的常规课程中，单独讲授，学生学习后不容易整合在一起应用到实际工程中。而机械手的搭建和控制让学生有目的学习，按照工程对象教学法的“实践-归纳-推理-再实践”的模式，反复在理论学习和实践操作中研究学习、互相检验，再深邃的理论学生都能深入的掌握。

小车搭建时，可以向学生传授舵机、减速器、电池、各类传感器、编码器、轮子、电机与底盘的运动关系等知识。在面积有限的底盘上安装多个部件，难免出现空间拥挤，工具施展不开的问题，所以安装先后顺序及安装位置非常重要，学生往往出现多次拆卸重建的情况，而学生的工程实践能力也因此得到提高。

(2)软件安装及舵机设置

这一环节是计算机、电工基础、电子技术和电机知识的综合应用。搬运机器人使用博创公司的机器人模块，其核心硬件包括MultiFLEX2控制器，多功能调试器，舵机等。核心软件包括NorthStar软件开发环境，调试器驱动程序，RobotServoTerminal。学生在此重点学习软件和硬件的操作、连接，共同使用。

首先，学生在电脑中安装上述软件，熟悉软件的界面及使用方法。其次，连接硬件和软件，将编好的软件下载到硬件中。小车由MultiFLEX2控制器中的程序控制，程序与传感器通讯并给舵机发送指令带动轮子转动。MultiFLEX2控制器的程序在NorthStar软件开发环境中编写，再通过多功能调试器下载。此外，使用舵机前要通过RobotServoTerminal软件，对舵机的基本参数和标识号进行设置。

(3)编写、调试程序

这一环节主要锻炼学生的编程能力。搬运机器人采用C语言程序，该机器人程序的特点是输入输出设备较多，程序要快速地根据输入信号，做出逻辑判断，并对舵机的运动进行控制。程序的调试是编程过程中最重要的一部分，学生们会发现调试程序花费的时间要远远超过编程所用的时间，因为要让机器人适应环境，就要修改各个参数和程序结构，例如，舵机的速度或延时时间，传感器的阈值等；机械手夹持物体的动作，可能会出现夹持过松或过紧，这需要修改舵机模块的属性，然后编译、下载、运行程序，查看机器人运行效果的过程是机器人程序调试中必不可少的环节，需要反复进行，直至机器人实现规定的任务。

在各环节实施中，可以采用分组的形式，四个学生一组，一方面，弥补搬运机器人数量不足的问题；另一方面，同学之间还可以相互讨论问题，交流搬运机器人构型的想法，编程的方法等，甚至让他们互相辩论，老师作为裁判对讨论的结果加以总结。

4 结语

以搬运机器人为对象的创新工程教学法的特点在于，围绕工程对象，整合多门课程的相关内容，将教学和实践放到工程对象的环境中，形成实用化、系统化的知识体系。教学形式灵活，既有集中讲授，又有分组讨论，学生在讲中做，做中学，讲练结合，并贯彻“实践-归纳-推理-再实践”的模式，对知识理解深刻，掌握牢固，同时提高了学生协作能力和交流能力。该教学法符合学生的认知规律，让学生接触到实际的系统工程，有利于调动学生的积极性，激发学生的创造精神，培养学生的系统工程意识。

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[2] 蒋华平. 基于机器人综合实训平台工程对象教学法的实践[J].职教通讯，2013,(3):71-72.

[3] 王军,李明. 面向机器人工程对象的“创新研究型实验”课程建设[J]. 实验室研究与探索,2013,(1):279-282.

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

[5] 王剑,马宏绪,黄茜薇,刘建平. 关于本科教育机器人教学的思考[J].电气电子教学学报,2011,(4):19-21.

[6] 杨晓兰,胡雪原,赵旭东,等. 探索教学研究型实验室开放,培养创新型人才[J].实验室研究与探索,2011,(30):371-374

[7] 张辉,冯晓宁,李积武,等．《机器人技术》课程实践教学研究—基于项目任务的教学法[J].包头职业技术学院学报，2010,(2):69-71.

[8] 柳翠寅，蒋 斌，欧方平． 软件工程专业实行“项目教学法”的研究与实施[J].煤炭技术，2012,(3):246-247．

[9] 邵芬红.计算机基础“精讲多练”教学改革研究与实践[J].煤炭技术,2012,(8):222-224．

[10]王咏梅,葛建宏,王炳谦.机器人创新开放实验室建设[J].实验室研究与探索,2009,(10):4-5．

Innovative Engineering Object Teaching Methods for Transfer Robot

TAN Yong-Li

(School of Physics and Mechanical Electrical Engineering, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)

In view of the present situation of the weakness of engineering consciousness, the lack of innovation ability and the less interest in studying, this paper proposes introducing engineering object teaching methods into robot teaching. With the transportation robot of the engineering object, this method decomposes and integrates the knowledge according to the task driven mode, taking the students as the center and conforming to the cognitive law, which teaches students by the way of “practice-induction-reasoning-re-practice”. This teaching method can stimulate students’ interest in learning and also improve students’ awareness of system engineering and innovation.

transportation robot; engineering object; innovation

2016-06-11

湖北省教育厅科学技术研究项目(B2015026)

谭永丽(1973-)，女，湖北武汉人，副教授，博士，研究方向为自动控制、多机器人系统。

G642

A

1674-344X(2016)08-0086-04