《机器人技术》案例库的建设研究

陈修龙，盛永超，高顺，张明辉

（山东科技大学 机械电子工程学院，山东青岛 266590）

《机器人技术》是众多高校机械工程领域研究生的重要课程之一，它包括机器人结构、运动学和动力学、机器人控制编程等诸多内容，实践性要求很强。《机器人技术》案例库能有效地将教学与实践相结合，提高课程质量，因此亟待开展《机器人技术》案例库建设研究。

迄今众多学者对《机器人技术》等相关课程改革进行了深入的研究。周萌[1]针对机器人技术，提出“五位一体”的改革策略，完善了人才培养计划。董霞[2]通过实践教学，给出了如何培养学生处理复杂问题的工程能力和创新力的具体做法。范良志[3]丰富了机器人课程的内涵和知识边界，提出了不同的课程知识体系和内容建设策略。廖春丽[4]提出了不同的人才培养模式，改革了《机器人技术》的课程体系。任斌[5]对教学内容和考评方式进行改革，提高了教学效率和教学质量。郑明辉[6]对《机器人技术》课程进行了实践和探索，完善了教学内容。

本文针对当前《机器人技术》课程重理论轻实践的现状，开展了《机器人技术》案例库建设研究，通过具体的机器人案例，将《机器人技术》课程的理论与实践相结合，引导学生参与问题的思考、分析、讨论和表达等活动，培养学生解决专业问题的综合能力，实现理论和实践融合的机器人技术创新人才的培养。

1 案例教学国内外发展现状

案例教学被应用于高校教育始自19世纪70年代的哈佛大学法学院，这种将实际问题与理论研究相结合的教学方法几经完善和修正，已成为以美国为代表的发达国家高校的一种重要教学方法。高校最明显的是停止对固定知识的强调，转而强调培养学生不断获取知识和理解知识的能力。这个转变意味着更加强调学术研究的基本方法，掌握这些方法是获得大量知识的途径。因此哈佛大学大部分课程都采用案例教学的方式，已成为哈佛大学教学的突出特色和特有模式。在机械工程领域，由于案例库建设起步较晚，尚未形成比较系统完善的案例库体系，特别是目前针对《机器人技术》的案例库还鲜见。目前许多高校都在探索机械工程领域专业学位研究生案例库教学，针对某些课程建立了案例库。例如在《现代机械设计方法》课程中引入“工程遗传算法”“反求工程设计”等案例，在《振动工程》课程中引入“电动机隔振”“大型发电机组动力吸振器设计”等案例，在《微机控制系统及其应用》课程中引入“基于微机的振动信号检测”“利用光栅尺进行位移和速度的检测”等案例。这些案例的运用，改变了传统的教学模式，采用工程实践案例教学，将工业界先进的工程实践教学引入课堂。通过实践教学实例分析开展案例教学，有效发挥了学生学习的主观能动性，提高其研究能力和实践能力。

2 《机器人技术》案例库建设的必要性

《机器人技术》案例库的建设，不仅丰富教学内容、提高教学质量，而且能够通过引进机器人产品、组建机器人实验室来强化基础条件，让学生理论知识与实际操作相结合，提高能力培养的有效性。《机器人技术》案例库的建设能够帮助学生开阔自己的学习领域，研究探讨更深层次的知识，形成自己的学习模式和学习网络，同时可以建立更加优良、开放性更好的学习平台，将更多的优质教学资源传授于学生，促进学生全方位发展。《机器人技术》案例库的建设，是专业性基础知识与前沿科研领域的多元化融合。目前《机器人技术》课程在机械工程专业研究生的教学实践中，主要存在以下问题：（1）注重概念和原理的课堂讲解，缺少让学生有身临其境感受的实际教学案例，容易使学生感觉过于理论和抽象；（2）课堂中以教师单向授课为主，学生被动接收，教师与学生缺少互动；（3）缺乏有效的学后建议、反馈和修改渠道。因此，需要针对《机器人技术》课程的教学内容，编写紧跟学科前沿和教学内容丰富的教学案例，并在此基础上创建体系功能完备的《机器人技术》课程教学案例库。

《机器人技术》案例教学将学生作为主体，将理论教学和实践教学相结合，能够引领学生进行科学探索。《机器人技术》案例库的建设，可以激发学生的学习兴趣，提高将理论知识应用到科研实践中并解决实际复杂问题的能力，通过师生互动讨论、分析案例，找出解决实际问题的思路，为提高学生的创新能力打下坚实基础。目前山东科技大学机械电子工程学院的机械类相关专业的500 余名本科生和研究生均开设与《机器人技术》相关的专业课程，该案例库可以服务于这些专业的学生教学工作，有效地提高他们的学习质量，提高创新实践能力。《机器人技术》案例库的建设能够提升教学质量，通过《机器人技术》案例库编写，教师能够及时更新案例库的内容，保持教学内容的时效性。结合案例库实例，可大大提高学生的理解能力，提升案例教学效果。案例的收集有利于开展校企之间的合作，校企深度融合，有利于提升研究生的培养质量。

3 《机器人技术》案例库的特色及创新性

本案例库的特色和创新性如下：

（1）以加强研究生实践创新能力和工程素养培养为目标，将机器人技术的相关理论与工程项目密切结合，实现知识传授与工程实践的一体化融合，构建《机器人技术》案例库。

（2）依托行业工程应用背景，紧扣企业的工程实际，结合当前企业对机械制造领域工业机器人、煤炭机器人等研发的理论技术需求，精选案例内容，突出案例的行业特色，以及案例的先进性、实用性和原创性，提高研究生解决工程实际问题的能力。

（3）针对《机器人技术》课程的知识点，以问题为导向，案例设计采用“分项”与“综合”相结合的方式，即对知识点比较单一的内容，采用分项案例设计，对于需要综合运用机器人相关理论解决的工程问题，采用综合案例设计。

4 《机器人技术》案例库的建设内容

《机器人技术》案例库以“覆盖核心知识点、凸显理论的工程应用，提高研究生实践与创新能力”为建设目标，针对《机器人技术》《机器人学》等研究生课程，拟建设10 个案例，既有机器人基本知识的运用，也有综合运用机器人理论解决实际工程问题。具体案例如下：

（1）机器人运动学分析。

讲述坐标变换、齐次坐标变换、机器人手部位姿的描述方法，机器人连杆D-H 参数、连杆坐标系的建立方法、连杆坐标系之间的坐标变换、机器人正/逆运动学、机器人运动学特性分析，运动学中的数值方法以及机器人运动学方程的其他表示方法，并以工业机器人手臂为例进行运动学分析。

（2）机器人静力/动力学分析。

以串联工业机器人和3-RRR 平面并联机器人为例，阐述多自由度机器人的速度雅可比矩阵和力雅可比矩阵的求解方法、如何借助雅可比矩阵进行机器人的速度和静力学分析、第一类和第二类采用拉格朗日方程对机器人进行动力学建模和分析。简单讲述机器人动力学分析的其他方法，如牛顿-欧拉方法、Kane方法及常用的机器人动力学仿真软件Adams。

（3）机器人轨迹规划。

讲述如何在关节空间和笛卡尔空间中对机器人进行轨迹规划，重点讲述三次多项式插值和五次多项式插值的方法，简单阐述非多项式轨迹规划和高次多项式轨迹规划。对机器人运动轨迹的生成方式和轨迹实时生成的方法进行简要介绍。以KUKAKR5 机器人和SCARA 机械手为例，分别在关节空间和笛卡尔空间进行规划。

（4）机器人控制系统。

以工业机器人为例，重点阐述机器人控制系统与控制方法，重点讲述控制系统的硬件选型，相关硬件电路设计，软件操作系统的选择和功能模块化划分及程序编写调试、PID 控制、自适应控制、鲁棒控制和模糊控制等控制方法。

（5）机器人感知系统。

以FUNC 工业机器人为例，简单阐述机器人感知系统的构建、多传感器信息的交互融合、传感器的定义和分类、传感器的性能指标、视觉系统的组成、图像处理技术及应用、典型传感器。重点讲述位置和位移传感器、视觉传感器、触觉传感器、力觉传感器的工作原理、特点及使用场合。

（6）并联机器人。

阐述并联机器人的定义、并联机器人的特点、典型并联机器人的结构及应用、并联机器人的位置正解/逆解的计算方法、并联机器人运动学优化设计、并联机器人机构的构型综合及并联机器人的运动/力性能分析及评价。简单讲述并联机器人的尺度综合、并联机器人的奇异性分析与评价。以Delta 高速抓取机器人和Stewart 6 轴机器人为例进行介绍与分析。

（7）移动机器人。

以轮式移动机器人为例，重点讲述轮式移动机器人行走机构的特点及驱动方式、移动方式、运动学分析、路径规划技术及控制系统框架。简单讲述履带式移动机器人国内外发展现状、履带式移动机器人的特点及履带布局方式、步行式行走机构的工作原理、典型足式机器人的结构及其他形式的行走机器人。

（8）服务机器人。

以服务机器人为例，重点阐述服务机器人的结构设计过程、服务机器人的特点及工作原理、服务机器人的无障碍路径规划、避障路径规划、定位方法。简单讲述带有语音交互的服务机器人、人脸识别的服务机器人，对服务机器人的传感器系统的设计与分布、网络通信功能、多智能体协调控制技术和自主导航研究进行简要介绍。

（9）工业机器人。

以工业焊接机器人为例，简单介绍机器人的本体结构、驱动方式、驱动伺服单元、计算机控制系统、传感系统、输入/输出系统接口及应用领域。重点讲述机器人的安全作业事项、坐标系与手动操作、系统设定、示教编程器的使用、离线编程、机器人的控制柜故障诊断和日常维护、机器人本体的维护。

（10）煤矿机器人。

以喷浆机器人、救援机器人和掘进机器人为例，详细讲述煤矿机器人的分类、本体结构设计、运动学分析、动力学分析、液压驱动系统设计、交控制系统的研究与设计、可靠性分析与优化技术及交互式虚拟样机系统的开发。简要介绍煤矿机器人的通信技术、能源动力技术、导航技术、多机器人技术、多传感器信息融合技术以及发展趋势。

5 结语

本文从《机器人技术》案例库建设的必要性、特色和创新、建设内容等方面开展了《机器人技术》案例库建设研究，通过案例库实现了教学和实践的有机融合，丰富了教学内容和教学方式，通过课堂具体实践，案例库的建设能够引导学生积极参与问题的思考、分析和讨论，提高了教学质量，培养了学生解决实际问题的综合能力，为理论和实践融合的机器人技术创新人才的培养提供了支撑。