机器人技术与应用项目式教学模式探索

李春玲 杨萍 郑海霞 张淑珍

摘 要 随着科学技术的发展，机器人技术在实践教学中要求实施“基础-综合-系统-创新”的培养体系，才能不断适应社会需求。本文分析了当前机器人技术教育教学中存在的问题，积极探索实践教学模式，实施机器人技术课程项目式教学，以激发学生学习兴趣，提高机器人技术与应用课程的教育教学质量。

关键词 工业机器人 项目式教学 机器人大赛

中图分类号：G642                                   文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2020.09.030

Abstract With the continuous development of "system based technology"， robot technology can adapt to the needs of society. This paper analyzes the problems existing in the current robot technology education and teaching， actively explores the practical teaching mode， implements the project-based teaching of robot technology course， in order to stimulate students' interest in learning and improve the teaching quality of robot technology and application course.

Keywords industrial robot; project teaching; robot competition

0 概述

近年来，智能制造在世界各国获得了迅速发展， 机器人技术作为制造领域的优势技术，其发展代表了一个国家人工智能的水平，社会对高层次机器人工程师的人才需求也越来越迫切。因此，机器人技术的教育教学也成为高等教育的重点关注之一。[1-3]目前，机器人技术呈现出“应用领域广泛、专业知识多样、设计精细化要求高、仿生高科技难”的趋势。[4]国内外许多高校都开设了机器人专业，相关机械专业开设了机器人方面的课程，传统教学讲授模式枯燥无味，已经不能完全符合新时期人才培养需求。如何培养符合新时代产业 “知识型、技能型、创新型”要求的机器人技术应用高素质技能人才成为最为紧迫目标。本文以机器人课程实验、全国大学生机器人竞赛作为实践环节训练平台，对机器人技术课程教学采用项目式教学。通过本课程的教学，使学生在熟悉机器人理论知识的同时，重点是多学科知识的综合应用，培养学生机器人技术应用能力，达到机械设计及制造自动化专业人才培养要求。

1 机器人技术教育教学中存在的问题

（1）机器人技术基础知识复杂，难以全面掌握。机器人技术课程主要内容包括：机械系统、运动学、动力学、轨迹规划以及控制等，涉及基础课程：机械原理、机械设计、机械制造，电子电路技术、自动控制原理、传感器技术等。在教学时间内，如果学生跨学科知识结构不全，难以全面掌握。对于机械类的学生来说，自动控制、机器人编程等基础知识较为薄弱，当学生主动性不强时，就导致学生对课程的学习失去积极性。

（2）机器人技术理论教学抽象枯燥，难以调动学生积极性。机器人运动学、动力学模型的建立较为复杂，以及抽象的微分运动分析等，很容易让学生望而却步，机器人运动学用来解决位置控制问题，而动力学研究机器人运动和机器人关节电机输出力之间的关系。大部分学生都认为只要学到基本操作知识就可以，不愿意再深入进行设计和研究，导致学生的实践动手能力弱，致使教育教学活动氛围不理想。求解机器人的逆运动学方程更为复杂，而这部分知识也是机器人课程中必须理解、掌握的重点。

（3）机器人技术传统教学模式，已不能完全适应人才培养模式。目前，机器人技术与应用采用传统理论教学模式，教学形式单一、枯燥乏味，知识苦涩难懂，没有与之对应的实践课程教学，学生缺少学习兴趣和热情。如果老师本身从学校毕业就开始任教，没有专业的实践工程经验，课程教学脱离实际工程背景，缺乏对学生相关动手操作方面的训练，学生对机器人核心内容的理解停留在概念方面。因此，采用传统的课程教育模式已经不能完全适应培养高素质专门人才。

（4）实践教学平台和实习实训基地不足，难以提升学生创新思维和实践能力。机器人技术教学在高校迅速发展，机器人技术实验室、实训基地等实践教学平台严重不足，教学仪器较少，学科知识交叉，学生的知识结构不够全面，致使机器人技术尚未形成系统的教学体系，学生对很多概念无法理解，缺少对与本课程相关的其他课程的串联和衔接，且课程方案中对实践教学环节突出不足。与一些理论概念课程不同，机器人技术是多学科专业知识的综合，如果学生缺乏实践实验活动的锻炼，就丧失了真正的教学意义，无法通过实践教学进一步理解理论教学的重难点。在选择具体的工业机器人平台实验时，应该寻求开放程度较高的品牌，有助于培养学生的创新能力。

2 机器人技术项目式教學设计方案

目前，机器人技术呈现出“应用领域广泛、专业知识多样、设计精细化要求高、仿生高科技难”的趋势。传统教学讲授教学模式枯燥无味，已经不能完全符合新时期人才培养需求。对机器人技术课程教学采用项目式教学，具体做法如下：

2.1 明确机器人技术课程教学目标

根据新时代产业对人才培养的需求，本文结合本校的实验以及实训平台，设计项目式教学任务，以提高学生的实践能力为核心，制定的主要教学内容如下。

（1）工业机器人的认知，如工业机器人基本参数组成及技术参数，工业机器人各组成部分，了解机器人技术发展过程和前沿技术，培养学生积极发现问题、并初步具有分析问题的能力，通过课堂理论学习，使学生了解机器人的基本概念，本部分的实验内容在机器人实验室进行，学生主要观察机器人的组成部分，查看技术参数。

（2）掌握工业机器人机械系统组成，尤其是典型六自由度关节型机器人的结构特征，以及并联机器人结构，能根据应用要求设计简单构型机器人结构;掌握机器人常用的驱动装置，减速装置，如谐波减速器，RV减速器的结构和工作原理，具备综合运用理论和技术手段设计机器人机械系统的能力。本部分的实验内容主要有并联机器人的结构特点分析，并熟知六自由度机器人的机械结构。

（3）掌握典型机器人运动学分析方法，独立建立多自由度串联机器人位姿方程、运动学、动力学方程，并进行求解。掌握机器人位置控制方法，会设计与选择适用的机器人控制器。掌握机器人常用的控制方法及控制特点，能简单编写部分电路，具备设计机器人基本控制系统的能力。本部分的实验内容主要有六自由度机器人正、逆运动学分析及求解，串联机器人的手动控制实验，在机器人实验室进行。

（4）掌握工业机器人的运动仿真，掌握机器人三维模型建立方法、数据管理、三维模型的装配，进行关节运动仿真分析。本部分主要在CAD/CAM实训室完成，要求学生建立六自由度机器人模型，并能进行装配，运动仿真，并观察机器人的运动范围和运动特点。

（5）掌握工业机器人机械结构的拆装，机械部分装配工艺、熟知安全规范，机器人整体结构调整等。主要对六自由度机器人进行拆装，观察减速器结构，分析主要部件的装配工艺，在机器人实验室完成。

（6）掌握工业机器人的编程技术，会应用Matlab进行机器人运动学仿真，按照指定任务，完成机器人程序编写。以六自由度机器人为例，在运动学分析的基础上，据不同的轨迹规划任务，进行运动学仿真。

2.2 以机器人大赛培育过程作为项目式教学平台

依托机器人大赛及教师拓展的科研项目，利用现代化教育技术，主张先练后讲，先学后教，强调学生的自主学习，主动参与，从尝试入手，从练习开始，调动学生学习的主动性。

（1）以机器人大赛为依托和导向。根据全国机器人大赛要求，注意挖掘并丰富项目的内容，拓展项目的形式。近年来，组织并指导校内比赛，“机器人创意设计与实践大赛”，指导教师对报名参赛学生进行组队，分工，引导学生自己思考，创新，设计，管理，整个机器人从设计，编程，测试到实施等都由学生自主完成。对于基础较好，动手能力较强的同学，推荐参加“高校智能机器人创意大赛”“RoboMaster全国大学生机器人大赛”，“全国大学生恩智浦杯智能汽车竞赛”。

（2）从参赛机器人设计和开发过程出发，充分利用网络技术，参考中国大学MOOC，学银在线，学堂在线等线上平台的优质资源，建设本校机器人课程的MOOC，课程分为线上和线下教学两部分，可以及时了解学生的学习动态，学习兴趣。根据举办的机器人大赛，进行制定计划、活动探究、作品制作、成果交流，活动评价等。

（3）对课程考核方式进行改革，动员学生先参加校内比赛，比赛成绩可作为课程实践成绩的一部分，实践成绩占50%，理论考试成绩占30%，其余20%，包括一个项目设计中，个人表现、设计方案和实训报告等，使学生感到任务的实施与评判是有尺度的，以充分调动学生的积极性。

3 結束语

传统的机器人技术课程教学中，不可避免存在一定的缺陷，结合本校机器人实验和实训平台，对本校机器人技术项目式教学模式进行了探索和实践，以期望通过这种教学方式，学生将所学理论知识付诸实践，并结合新工科建设理念，进一步明确教育教学目标，完善实践平台支撑，补齐短板，强化特色，全方位提升教育教学水平，激发学习主动性和探索科技技术的积极性，提高了机器人技术专业人才培养质量。

参考文献

[1] 马志敏.项目式教学在《工业机器人技术》课程中的技术应用[J].教育现代化，2016.26：230-231，235.

[2] 李智，陈帆，胡菡，等.项目式教学在工业机器人专业教学改革中的应用[J].武汉工程职业技术学院学报，2018.30（2）：97-101.

[3] 张辉，王庆泉，陈燕.机器人技术实践教学方法的研究[J].机器人教育，2010.10：56-57.

[4] 李佳玉，彭见辉.基于“理虚实一体化”的“工业机器人技术”课程改革[J].新课程研究，2017.10：18-19.