劉娣　劉坤　溫秀蘭

摘 要 針對(duì)應(yīng)用型本科院校自動(dòng)化（機(jī)器人）專(zhuān)業(yè)方向工業(yè)機(jī)器人控制課程的教學(xué)目標(biāo)和需求，對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制課程理論及實(shí)踐教學(xué)方法和考核方式進(jìn)行改革探索，對(duì)課程設(shè)置和實(shí)踐安排提出具體的改革措施，課程改革成果在教學(xué)應(yīng)用中取得較好的效果，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

關(guān)鍵詞 工業(yè)機(jī)器人控制；教學(xué)改革；課程建設(shè)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）04-0097-03

Abstract According to the industrial robot control course teaching goals and needs of automation-robot major for application-oriented

institute， the reform and exploration methods of theory teaching and

practical teaching for industrial robot control course is discussed. The optimization measures of curriculum and practical arrangements are given. The result of curriculum reform has been applied in tea-

ching and good effect is obtained. It is useful to cultivate the student

practice and innovation ability， and to stimulate the students learning

initiative.

Key words industrial robot control； teaching revolution； course con-

struction

1 前言

近年來(lái)，隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，勞動(dòng)力成本不斷提高，工業(yè)機(jī)器人在全球范圍內(nèi)的需求急速增長(zhǎng)，企業(yè)對(duì)高層次機(jī)器人專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才的引進(jìn)也將不斷增加，如何培養(yǎng)高質(zhì)量的機(jī)器人專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才成為相關(guān)高校所面臨的共同問(wèn)題[1-3]。南京工程學(xué)院在2013年招收了第一屆自動(dòng)化（機(jī)器人）專(zhuān)業(yè)方向的本科生，目的在于培養(yǎng)高層次機(jī)器人專(zhuān)業(yè)技術(shù)應(yīng)用型人才，能從事機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、技術(shù)集成，系統(tǒng)安裝、運(yùn)行、維護(hù)和技術(shù)管理等方面工作。在開(kāi)設(shè)的相關(guān)課程中，工業(yè)機(jī)器人控制是自動(dòng)化（機(jī)器人）專(zhuān)業(yè)方向的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課程，為進(jìn)一步提升教學(xué)品質(zhì)、完善教學(xué)策略。本文在對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制課程教學(xué)大綱及教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)以及課程考核方式進(jìn)行改革探索。

2 課程特點(diǎn)及教學(xué)目標(biāo)

課程特點(diǎn) 機(jī)器人控制系統(tǒng)在很大程度上決定了機(jī)器人的功能和性能。機(jī)器人控制涉及自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能、電子技術(shù)和機(jī)械工程等多學(xué)科的內(nèi)容。工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)的主要任務(wù)是控制機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)、軌跡、操作順序及動(dòng)作時(shí)間等。課程主要目的和任務(wù)是通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)基本理論和最新進(jìn)展的介紹，使學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人常用的控制方法以及智能控制方法。

相比于研究生階段開(kāi)設(shè)的相關(guān)課程，本科階段開(kāi)設(shè)的工業(yè)機(jī)器人控制課程更注重應(yīng)用實(shí)踐能力的提高，在一定程度上弱化理論研究；同時(shí)，與高職院校開(kāi)設(shè)的機(jī)器人控制實(shí)訓(xùn)課程也不同，應(yīng)用型本科階段開(kāi)設(shè)的工業(yè)機(jī)器人控制課程應(yīng)使學(xué)生在掌握控制理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，具備較高的提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力[4]。因此，在課程內(nèi)容設(shè)置上，要兼顧理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作的有效融合與滲透。

教學(xué)目標(biāo) 工業(yè)機(jī)器人控制課程的教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生掌握機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、機(jī)器人控制基礎(chǔ)、機(jī)器人的位置控制和力控制、機(jī)器人智能控制技術(shù)、機(jī)器人軌跡規(guī)劃等，要求學(xué)生不僅具備一定的理論分析能力，也要具備較高的解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生既不浮于理論之上而導(dǎo)致難以學(xué)以致用，也不會(huì)因?yàn)槔碚撝R(shí)儲(chǔ)備不足而導(dǎo)致難以具備以后繼續(xù)學(xué)習(xí)的能力。

3 課程改革措施

南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院的工業(yè)機(jī)器人控制課程共48學(xué)時(shí)，其中理論教學(xué)40學(xué)時(shí)，實(shí)踐教學(xué)8學(xué)時(shí)，是自動(dòng)化（機(jī)器人）專(zhuān)業(yè)方向本科生的必修課程。工業(yè)機(jī)器人控制課程兼具理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作的教學(xué)要求，針對(duì)這一特點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中，理論上應(yīng)以引導(dǎo)為主，突出重點(diǎn)，做到深入淺出；而不是要求學(xué)生全盤(pán)推導(dǎo)復(fù)雜公式，否則可能導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)之初便難以理解而失去學(xué)習(xí)興趣。在實(shí)踐操作環(huán)節(jié)，應(yīng)結(jié)合已講授過(guò)的理論知識(shí)幫助學(xué)生理解機(jī)器人動(dòng)作的原理與含義，將相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制方法、軌跡規(guī)劃、傳感器等知識(shí)有效滲透在實(shí)踐操作過(guò)程中，而不是僅僅要求學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)步驟完成機(jī)器人動(dòng)作。理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作的相互滲透、相互結(jié)合，可幫助學(xué)生更深入理解機(jī)器人理論知識(shí)，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力[5]。

理論教學(xué)方法改革 在40課時(shí)的時(shí)間里要完成工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃、位置控制、力控制、智能控制等方面的教學(xué)內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)繁多，且其中不乏煩瑣的公式推導(dǎo)。因此，要能夠在有限的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生掌握關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，教學(xué)內(nèi)容的合理安排尤為重要，可從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行理論教學(xué)的改革探索。

1）架構(gòu)課程知識(shí)體系?？梢栽诰w論部分通過(guò)給學(xué)生簡(jiǎn)單介紹工業(yè)機(jī)器人的工作過(guò)程，將后續(xù)要學(xué)習(xí)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)都容納進(jìn)來(lái)，給學(xué)生提供一條學(xué)習(xí)的主線，首先架構(gòu)出完整的知識(shí)體系。如對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的工作過(guò)程，簡(jiǎn)言之，就是通過(guò)規(guī)劃，將要求的工作任務(wù)變?yōu)槠谕牧瓦\(yùn)動(dòng)，由控制環(huán)節(jié)根據(jù)期望的力和運(yùn)動(dòng)信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，以使機(jī)器人輸出實(shí)際的力和運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而完成期望的工作任務(wù)；工業(yè)機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)的情況通常還要反饋給規(guī)劃級(jí)和控制級(jí)，以便對(duì)規(guī)劃和控制的結(jié)果做出適當(dāng)?shù)男拚齼?yōu)化。工業(yè)機(jī)器人的這一工作過(guò)程如圖1所示。

在上述概念中，自然地涵蓋了課程的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，如何才能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上述動(dòng)作過(guò)程？這一問(wèn)題的提出，可大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，若能配合相關(guān)的視頻、動(dòng)畫(huà)、框圖進(jìn)行講解，可進(jìn)一步幫助學(xué)生了解課程內(nèi)容與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)之間的關(guān)系，進(jìn)而架構(gòu)更完整的知識(shí)體系。

2）打牢數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)涉及多種坐標(biāo)系以及復(fù)雜的姿態(tài)變換、坐標(biāo)變換等，這部分內(nèi)容是課程重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。一些重要概念一定要講解透徹，如旋轉(zhuǎn)矩陣的多種表示方法、齊次變換矩陣的含義等，可借助多媒體課件加深學(xué)生對(duì)各種變換的掌握。具體的公式不要求學(xué)生記住，但是一定要理解其含義，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步講解通過(guò)MATLAB仿真軟件完成相關(guān)計(jì)算的方法。也就是說(shuō)，這部分內(nèi)容要側(cè)重講解變換方法與MATLAB實(shí)現(xiàn)方法，弱化具體的運(yùn)算。

3）控制方法要具體可行。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成包括中心控制器、驅(qū)動(dòng)電路、電動(dòng)機(jī)、減速器、傳感器、相關(guān)硬件和軟件等組成部分，對(duì)于多變量、非線性、耦合的復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)，其控制方式也與一般伺服系統(tǒng)不同，控制方法的好壞是系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。盡管很多研究者對(duì)機(jī)器人的高級(jí)控制方法進(jìn)行了很多研究，如變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制、智能控制等，但這些更多地偏重于理論與仿真研究，對(duì)于應(yīng)用型本科院校的學(xué)生來(lái)說(shuō)，在工業(yè)機(jī)器人控制這門(mén)課程的教學(xué)過(guò)程中，切不可讓學(xué)生脫離機(jī)器人本體而僅浮于理論研究之上進(jìn)行學(xué)習(xí)，應(yīng)緊密結(jié)合機(jī)器人本體進(jìn)行教學(xué)，從模型建立、模型簡(jiǎn)化、電動(dòng)機(jī)伺服控制原理、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整、單關(guān)節(jié)控制、多關(guān)節(jié)控制的耦合與補(bǔ)償?shù)雀鱾€(gè)方面講解工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理。可以講解經(jīng)典機(jī)器人案例的控制方法，如PUMA機(jī)器人，其伺服控制組成結(jié)構(gòu)、位置控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理、單關(guān)節(jié)控制、多關(guān)節(jié)控制等各個(gè)方面的內(nèi)容都與機(jī)器人本體緊密相關(guān)，這種具體性、可實(shí)現(xiàn)性也可在一定程度上增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的信心。在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)一些機(jī)器人高級(jí)控制算法，并通過(guò)MATLAB對(duì)算法性能進(jìn)行仿真對(duì)比，進(jìn)一步掌握機(jī)器人各種控制方式的特點(diǎn)與控制算法的優(yōu)劣。

實(shí)踐教學(xué)方法改革 在實(shí)踐教學(xué)部分，南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是匯博六自由度模塊化可拆裝串聯(lián)機(jī)器人，該設(shè)備6個(gè)自由度的每個(gè)模塊可以獨(dú)立運(yùn)行操作，并能按照統(tǒng)一接口任意組合成2～6自由度機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人控制課程的實(shí)踐側(cè)重于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)研究、驅(qū)動(dòng)源電氣參數(shù)的設(shè)置、機(jī)器人程序的編寫(xiě)、基于控制卡鏈接庫(kù)和機(jī)器人鏈接庫(kù)的VC編程等方面。

1）拓展實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

首先，常規(guī)的示教、搬運(yùn)裝配等實(shí)驗(yàn)是大綱中要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為進(jìn)一步提升學(xué)生對(duì)機(jī)器人工作原理、工作方式的認(rèn)知程度，應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)一步拓展實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。6個(gè)模塊多樣化的結(jié)構(gòu)均體現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)，涉及諧波減速、行星減速、同步帶傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)以及齒輪傳動(dòng)等工業(yè)機(jī)器人常用的結(jié)構(gòu)形式，因各模塊均為透明封裝，便于了解其具體結(jié)構(gòu)原理，故可將其與實(shí)驗(yàn)室已有的搬運(yùn)、焊接等工業(yè)機(jī)器人結(jié)合起來(lái)進(jìn)行講解，幫助學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)原理。

其次，產(chǎn)品設(shè)備提供了控制卡鏈接庫(kù)函數(shù)和機(jī)器人動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，因此，要求學(xué)生在掌握控制卡鏈接庫(kù)函數(shù)和機(jī)器人鏈接庫(kù)函數(shù)的功能及調(diào)用方法基礎(chǔ)上，能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人復(fù)位、單軸運(yùn)動(dòng)、狀態(tài)檢測(cè)等多種控制，而不僅限于能操作設(shè)備自帶的軟件界面。

最后，實(shí)踐環(huán)節(jié)還應(yīng)設(shè)置相關(guān)的MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)，將一些控制算法與工業(yè)機(jī)器人對(duì)象相結(jié)合，借助MATLAB軟件對(duì)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的仿真控制，通過(guò)直觀的圖文可以加深學(xué)生對(duì)控制算法的理解，動(dòng)畫(huà)仿真結(jié)果也可大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2）實(shí)踐考核方式多樣化。在實(shí)踐環(huán)節(jié)，教師應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)踐考核評(píng)價(jià)體系，各環(huán)節(jié)的考核方式均應(yīng)靈活多變，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。雖然大綱上已安排了具體的實(shí)驗(yàn)，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，仍然應(yīng)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力對(duì)其進(jìn)行引導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生積極思考，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備提高自己對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，而不受限于僅完成已有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。同時(shí)，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生參加各種機(jī)器人大賽，在實(shí)踐中綜合運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)，提升知識(shí)應(yīng)用的能力。將這些納入實(shí)踐環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)體系中來(lái)，可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制課程理論環(huán)節(jié)和實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)方法及考核方式的不斷改革創(chuàng)新，在教學(xué)過(guò)程中取得一定的效果，改革成果在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用為培養(yǎng)自動(dòng)化（機(jī)器人）專(zhuān)業(yè)方向的優(yōu)秀人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展及企業(yè)對(duì)高層次機(jī)器人專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才的大量需求，南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院將進(jìn)一步完善工業(yè)機(jī)器人課程創(chuàng)新教學(xué)平臺(tái)，進(jìn)一步突出素質(zhì)教育和工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，注重學(xué)生學(xué)科知識(shí)、工程能力和專(zhuān)業(yè)素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，讓學(xué)生能以工程項(xiàng)目為背景，在工程應(yīng)用中更深刻理解機(jī)器人控制理論知識(shí)，提升解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。

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