《工业机器人》课程教学培养环节的改革与探索

赵雪峰

(贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

随着智能制造的发展需求，机器人的应用越来越广泛，广泛地应用于各个领域，掌握机器人技术是从事机械工程领域人员的必备技能[1]。为了保证大学本科生具备基本的机器人基础知识，《工业机器人》课程是高等院校开设的一门专业延伸课程，主要包括机器人的机械结构部分、运动学建模方法、动力学基本理论、非线性控制系统、传感系统、轨迹规划和编程等内容[2]。这门课程是符合智能制造的发展要求，涉及面广，综合性强，对于从事机电工程专业的学生，实现将理论分析和工程实践相结合，提高学生的创新能力。

《工业机器人》是机械专业的重要组成部分，是机械设计制造及自动化专业的一门重要课程，这门课程综合了机械设计、机械制造工艺、机械制图、非线性控制理论以及编程技术等多学科知识[3]。由于机器人技术本身就包含机械、电子、计算机等多学科的知识，因此，《工业机器人》课程需要学生在进入机器人课程学习之前，就需要具有一定的机械设计、机械制造、控制系统硬件设计、计算机编程、智能控制以及传感技术等相关知识。另一方面，学生通过具有学科交叉特点的《工业机器人》课程的学习，实现所学理论专业知识的实际应用，激发学生学习的兴趣，并为以后机电一体化产品的设计与制造奠定基础。

1 传统教学的问题

传统的课堂教学方法存在以下问题：(1)教学内容未能及时结合目前先进的机器人；(2)教学内容理论性部分居多；(3)学生的学习兴趣和自主性未能充分调动；(4)工程实践能力培养严重不足。如何将这门知识量需求巨大、运动变化复杂、概念繁多的课程变得直观生动，并且激发出学生的学习热情，培养学生自己动手科研以及创新能力，是作为本科生教学培养需要探索的问题。[4]

2 《工业机器人》课程教学探索与实践

为了更好地让学生具有关于机器人的相关理论知识储备，并且提高学生理论分析与工程实践相结合的能力，真正实现机器人知识的普及。需要对《工业机器人》课程的培养环节进行研究与改革实践。针对《工业机器人》这门课程的特点，并且对传统的课程培养环节中所存在的问题进行了分析和总结，本文提出了对课程培养环节的主要内容及教学方法进行改革。[5]

2.1 《工业机器人》课程教学内容探索

基于传统课程内容的教学特点，提出将理论分析和综合实践相结合的方法。该课程教学内容主要包括相关基础知识、机械结构设计、非线性控制系统以及多种轨迹规划方法与机器人编程语言。[6]

(1)基础知识。工业机器人学机器人基础知识包括齐次坐标变换以及机器人运动学分析通用的D-H建模方法、动力学分析通用的拉格朗日方程或者牛顿-欧拉方法。机器人与其他机电一体化产品不同的地方在与机器人具有两个空间，包括关节空间和作业空间(末端空间)，因此，就存在两个空间的相互转换。而机器人主要解决的三大问题是机器人的运动学、静力学和动力学，因此，这三大问题均存在正解和反解的情况，也就是机器人转动或移动关节和末端执行器的位移、速度、加速度和力之间的相互转换。针对这三大问题的求解，实际上对应的是三个矩阵即齐次变换矩阵T、速度雅可比矩阵J和力雅可比力矩阵JT。齐次变换矩阵T描述的是关节和末端之间的位移转换，速度雅可比矩阵J描述的是关节和末端之间的速度变换，力雅可比矩阵JT描述的是关节和末端之间的力变换。在讲解过程中，重心放在将两大空间和三大矩阵之间的讲解上，让学生理解机器人基础知识的知识体系，并且强调在推导过程注意变量相关性，而不是机械地推到公式，保证学科知识的完整性。

(2)机械结构设计。目前关节型机器人传统的机械结构主要讲述伺服电机和减速器配合的传动方案，减速器可以是谐波齿轮减速器或者RV减速器。实际上，除了上述传动方案，采用液压缸驱动的形式用于臂部设计以及采用气压驱动形式用于末端执行器的应用依然非常广泛，需要结合经典的和最先进的关节型机器人结构对机器人的机械结构部分进行讲解，并且要重点关注机器人的配置方案，尤其是传动链部分，让学生更好地掌握工业机器人的结构配置，为学生对以后设计和使用机器人提供一定的基础。

(3)控制系统方面及其轨迹规划与编程部分。控制系统目前主要讲述“IPC+多轴运动控制卡”的开环运动控制系统方案。实际上，机器人运动控制主要包括位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力和位置混合控制等多个控制策略，需要对这些控制策略进行详细讲述。尤其对于位置控制里面的PID控制，如何获得KP、KI和KD三个参数，以及看到电机阶跃响应曲线如何调节这三个参数，需要进行详细讲述，由于PID控制在机器人实际应用中最为广泛。另外关于力和位置混合控制，仍需要讲述力和位置的各自混合策略，并且求解出相应参数，才能使学生能够真正明白如何进行控制，而不是仅仅概念上讲述控制策略，需要从具体实例出发。

2.2 《工业机器人》课程教学方法研究与实践

(1)案例式。由于这门课程既有经典基础理论，又有技术前沿性的特点。在本课程的教学过程中需要采用典型案例教学和实验相结合的方法[7]。工业机器人相对于其他类型的机器人来讲自由度较少，通常为3～6个。首先，在讲述机器人前言部分，需要引入目前世界最新机器人的研究成果，不仅仅局限于工业机器人。比如目前比较先进的大狗(Bigdog)机器人，通过观看该机器人视频，对其机械设计、驱动方式、运动学及动力学分析、轨迹规划和编程等方面进行讲解。不仅提高学生对机器人的兴趣，而且让学生对机器人的相关专业知识进行一定的了解，进而在学习工业机器人的过程中能够举一反三。其次，对于《工业机器人》中的核心内容齐次坐标变换、D-H建模法、运动学和动力学等，采用典型的工业机器人进行讲解，比如PUMA机器人或者莫托曼机器人等，对工业机器人的基本知识和基础理论进行相应的深入讲解。在理论知识讲解的过程中，采用PPT、板书和视频等相结合的教学方式。最后，采用实验平台的形式，让同学对实际的机器人进行轨迹规划和编程，并根据其相应运动，进行修改轨迹和程序，使学生清楚运动学和动力学方程或数学模型、力或位置的控制策略是如何融入到轨迹规划和程序当中的，而不是实现各个环节的相互脱节。

该门课程搭建了相应的创新实验和工程实践平台，以实现工业机器人相关基础知识的融合，并提高学生的实际动手能力和创新能力，如图1所示。实验平台由广州数控六自由度RB08机器人、机械人末端、控制系统等组成，该平台能够进行机械结构本体、电气控制硬件和软件、机器人轨迹规划和编程等综合性创新实验，也可组织学生参加工业机器人大赛等。

(2)比拟式。由于工业机器人具有直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式、关节型以及SCARA型等多种结构形式以及工作空间均各有不同，学生在理解的过程中存在一定困难，可以将工业机器人比拟成人或者人的手臂进行讲解。人类具有行走机构、腰转部分、大臂、小臂、手腕和手部，实际上对应于6自由度工业机器人在机械结构上具有腰转关节、大臂、小臂和手腕三个自由度，而手部实际上对应于工业机器人的末端执行器。人类手部的任务实际上对应对于末端执行器的工作任务。人类的大脑就对应于工业机器人的控制系统，手部的触觉和滑觉等感知系统，对应对工业机器人的传感器部分。因此，在该门课程的讲述过程中，需要将工业机器人的机械结构、控制和传感部分比拟成人类或者手臂进行讲述，便于学生接受以及理解掌握，而不是生涩地照搬。

(3)研讨式。在课程进展到一定程度，可以布置一些相关课题，进行研讨教学活动。例如，布置内容以机器人为主的自动化装备(整机)为例，深入总结分析控制技术相关要点，包括装备应用背景、机构运动分析、动力学分析和控制策略制定等。学生能够通过查阅相关资料了解码垛机器人、焊接机器人或者喷漆机器人等工业机器人的相关知识，并且在查阅资料的过程中，提出对该机械结构有哪些改进的地方提出自己的方案，并可以通过MATLAB进行工作空间分析。也可以对目前存在的控制策略进行相应改进，采用MATLAB中的Simulink进行控制仿真模拟，验证控制策略是否满足要求。或者对某种类型的工业机器人进行ADAMS进行仿真，对各个关节的位移、速度、加速度和力等进行分析。这样学生在准备PPT的过程中，既掌握了国内外研究现状，也掌握了机器人所需要的基本分析软件，结合所学知识进行一定的应用，促进学生勤于思考，并提出自己的想法，培养学生的主动性和创造力。当然，教师需要针对学生的相关内容进行详细评价，对于存在的问题提供相应的解决方案，使学生更加牢固地掌握相关知识。

3 结语

未来机器人必将代替人类完成许多工作，尤其是工业机器人完成重复和繁冗的工厂任务。我国的机器人教育仍然存在需要改革的地方，作为机器人的教育者应该在教学的过程中不断地根据技术前沿、学生存在的问题、教师课题项目等提出新的教学方法和教学理念，提高学生的主动能力和创新能力，使学生真正掌握工业机器人的相关基础理论知识和专业技能，为推动我国机器人的发展培养可用人才。