王 晶，姜 睿

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101300）

0 引言

數(shù)字化進(jìn)程推動(dòng)當(dāng)代工業(yè)制造業(yè)不斷向無人化、智能化發(fā)展，智慧工廠是將工廠自動(dòng)化與復(fù)雜信息技術(shù)集成的一種先進(jìn)工廠，是現(xiàn)代制造工業(yè)理念的重要體現(xiàn)[1]。機(jī)器人技術(shù)是服務(wù)智慧工廠的重要環(huán)節(jié)之一。在“新工科”背景的推動(dòng)下，一系列面向機(jī)器人產(chǎn)業(yè)、智能制造業(yè)等領(lǐng)域的工科專業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)器人工程專業(yè)作為一個(gè)交叉面較廣的新工科專業(yè)，目前在培養(yǎng)方案設(shè)置上更多的還是基于傳統(tǒng)專業(yè)課程的整合，針對(duì)人才培養(yǎng)需求層面的創(chuàng)新性實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置尚顯不足[2]。機(jī)器人學(xué)課程作為專業(yè)核心課程，具有理論性強(qiáng)的突出特點(diǎn)，如何面向需求端進(jìn)行課程實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)、充分的理論結(jié)合實(shí)踐是本文研究的關(guān)鍵。

通過總結(jié)當(dāng)前機(jī)器人學(xué)課程在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)授課經(jīng)驗(yàn)，綜合理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的課程特點(diǎn)，分析教學(xué)中存在的不足與問題，提出并設(shè)計(jì)新的實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)方案，探索面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)模型下的“機(jī)人器學(xué)”課程實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)改革方案，使學(xué)生在充分理解理論知識(shí)的同時(shí)能夠熟悉并掌握解決實(shí)際問題的方式與方法。

1 課程特點(diǎn)與實(shí)踐教學(xué)分析

1.1 “機(jī)器人學(xué)”課程特點(diǎn)分析

筆者學(xué)校的“機(jī)器人學(xué)”課程設(shè)置為48 學(xué)時(shí)，其中理論課為44 學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課為4 學(xué)時(shí)，現(xiàn)已完成兩屆學(xué)生的教學(xué)任務(wù)[3]。理論課程以賈瑞清教授編著的教材：“機(jī)器人學(xué)——規(guī)劃、控制及應(yīng)用”為主，輔助擴(kuò)展其他優(yōu)秀的機(jī)器人學(xué)相關(guān)書籍。主要的課程內(nèi)容包括：機(jī)器人基本概念及發(fā)展歷程（2 學(xué)時(shí)），機(jī)器人系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及類型（4 學(xué)時(shí)），機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理（4學(xué)時(shí)），機(jī)器人傳感器（4 學(xué)時(shí)），空間變換（6 學(xué)時(shí)），運(yùn)動(dòng)學(xué)（4 學(xué)時(shí)），動(dòng)力學(xué)（6 學(xué)時(shí)），軌跡規(guī)劃（4 學(xué)時(shí)）與控制（4 學(xué)時(shí)），新型機(jī)器人與智能控制（4 學(xué)時(shí)）。從課程總體學(xué)時(shí)安排來看，大綱的側(cè)重點(diǎn)在于學(xué)生基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握，如，在運(yùn)動(dòng)學(xué)中要求學(xué)生掌握標(biāo)準(zhǔn)、改進(jìn)以及SAHA 等三種坐標(biāo)系建立方法，充分理解DH參數(shù)在運(yùn)動(dòng)學(xué)建模中發(fā)揮的作用；在動(dòng)力學(xué)中要求學(xué)生掌握包括牛頓-歐拉遞推法以及拉格朗日公式法兩種動(dòng)力學(xué)建模方法。

理論教學(xué)中涉及大量的公式遞推計(jì)算、坐標(biāo)變換、力學(xué)平衡公式、運(yùn)動(dòng)學(xué)公式等，教學(xué)的重點(diǎn)在以往側(cè)重于學(xué)生對(duì)于每個(gè)公式、坐標(biāo)系等細(xì)節(jié)上的理解，在這幾部分出現(xiàn)教學(xué)進(jìn)度較慢、學(xué)生理解難度大、考核形式較難把握等問題。如，考慮考試時(shí)長(zhǎng)，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的試題，只能基于簡(jiǎn)單的平面機(jī)構(gòu)出題；動(dòng)力學(xué)建模的試題，機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)數(shù)量往往不能多于2 個(gè)。對(duì)于從應(yīng)用層面鞏固學(xué)生知識(shí)并沒有太大宜處，同樣不利于知識(shí)的檢驗(yàn)。因此，考慮將這部分教學(xué)目標(biāo)的側(cè)重點(diǎn)放在實(shí)踐環(huán)節(jié)。

目前，實(shí)驗(yàn)課安排的主要任務(wù)內(nèi)容包括兩項(xiàng)：一是機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)與控制實(shí)驗(yàn)，二是機(jī)械臂軌跡規(guī)劃與控制。主要目標(biāo)為對(duì)理論環(huán)節(jié)中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)及控制律設(shè)計(jì)進(jìn)行演示驗(yàn)證，使學(xué)生加深對(duì)這部分理論知識(shí)的印象?？偟膩碚f，實(shí)踐環(huán)節(jié)在設(shè)計(jì)過程中，圍繞基礎(chǔ)課程為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的理解力，但在結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的過程中有所欠缺。具體表現(xiàn)為，一是學(xué)生對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用問題缺乏概念、實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)性不強(qiáng)，二是理論內(nèi)容的覆蓋面不足。

1.2 “智慧工廠”概念與課程融合

智慧工廠（Smart Factory）是指利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，幫助工廠生產(chǎn)設(shè)備、工藝流程、生產(chǎn)計(jì)劃、質(zhì)量控制、供應(yīng)鏈等系統(tǒng)具備數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化等特點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)高效、柔性化、可定制化的生產(chǎn)方式。智慧工廠也稱為數(shù)字工廠、工業(yè)4.0等[1]?！皺C(jī)器人學(xué)”課程培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生了解掌握機(jī)器人的基本原理、基本結(jié)構(gòu)、基本控制方式和基本建模及設(shè)計(jì)方法，建立完整的基礎(chǔ)理論體系，為深入學(xué)習(xí)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)等打下理論基礎(chǔ)[4]。因此，將所學(xué)的控制邏輯、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃等知識(shí)運(yùn)用到智慧工廠的特定環(huán)節(jié)中，結(jié)合智慧工廠的特定任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，不僅能夠運(yùn)用理論解決實(shí)際問題，更能夠鍛煉學(xué)生解決系統(tǒng)化工程問題的能力。

結(jié)合筆者學(xué)校煤炭能源背景，面向?qū)I(yè)實(shí)踐基地之一天瑪智控科技公司智能制造車間，以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用為需求背景，融合機(jī)器人學(xué)課程實(shí)踐設(shè)計(jì)，讓學(xué)生以實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)問題，充分增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)理論與實(shí)踐的貼合教學(xué)目標(biāo)。

2 “機(jī)器人學(xué)”課程實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

2.1 課題式“機(jī)器人學(xué)”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)前面對(duì)于課程特點(diǎn)及實(shí)踐教學(xué)的分析總結(jié)，面向“智慧工廠”的“機(jī)器人學(xué)”課程實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，要涵蓋重點(diǎn)理論知識(shí)，同時(shí)在有限的課時(shí)下設(shè)置更多解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)問題的任務(wù)內(nèi)容。因此，課程總學(xué)時(shí)計(jì)劃調(diào)整為40 學(xué)時(shí)理論授課以及8 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，針對(duì)8 學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)如下。

目標(biāo)一，重要知識(shí)點(diǎn)的強(qiáng)化。掌握機(jī)器人機(jī)構(gòu)的基本原理和建模方法，重點(diǎn)掌握空間變換、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)建模，通過實(shí)驗(yàn)演示幫助學(xué)生建立系統(tǒng)完整的基礎(chǔ)理論體系。

目標(biāo)二，理論知識(shí)的靈活運(yùn)用。能夠綜合專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、建模方法等對(duì)實(shí)際中的移動(dòng)機(jī)器人、機(jī)械手臂等進(jìn)行控制學(xué)建模。能夠運(yùn)用相關(guān)理論知識(shí)針對(duì)實(shí)際使用需求設(shè)計(jì)出解決方案，對(duì)機(jī)器人控制問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合分析和設(shè)計(jì)。

目標(biāo)三，發(fā)散性工廠任務(wù)解決方案設(shè)計(jì)。了解機(jī)器人行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，學(xué)習(xí)了解機(jī)器人行業(yè)內(nèi)的新技術(shù)新方法，能夠系統(tǒng)靈活的運(yùn)用所學(xué)知識(shí)提出創(chuàng)新性分析和見解，設(shè)計(jì)完成演示實(shí)驗(yàn)。

2.2 “機(jī)器人學(xué)”課程實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

結(jié)合教學(xué)目標(biāo)以及機(jī)器人工程實(shí)驗(yàn)室配套設(shè)備，設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)包括如下內(nèi)容：

（1）基礎(chǔ)理論演示環(huán)節(jié)。機(jī)器人工程實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有六足機(jī)器人（如圖1a）和移動(dòng)平臺(tái)機(jī)器人，用于完成基于移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)及控制學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，以及智能機(jī)械手臂（如圖1b）用于空間變換、軌跡規(guī)劃動(dòng)力學(xué)建模等教學(xué)內(nèi)容演示實(shí)驗(yàn)。設(shè)備配有基于Linux 系統(tǒng)的上位機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過演示環(huán)節(jié)加深對(duì)于理論中關(guān)節(jié)參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)以及算法邏輯的理解。

圖1 演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

（2）課題形式的實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)制造中機(jī)械臂發(fā)揮著舉足輕重的作用，常出現(xiàn)單機(jī)械臂的精加工作業(yè)或多機(jī)械臂的協(xié)作任務(wù)。針對(duì)本課程在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室布置了多臺(tái)開放式機(jī)械臂，用于學(xué)生進(jìn)行基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的任務(wù)模擬及設(shè)計(jì)。學(xué)生可選工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)如汽車零件裝配（圖2）、象棋智造生產(chǎn)線（圖3）等。

圖2 汽車裝配實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖3 象棋智造生產(chǎn)線

課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容有多項(xiàng)，見表1。通過現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)的設(shè)計(jì)，如智能分撿設(shè)計(jì)、汽車組裝流水作業(yè)、精加工路徑規(guī)劃等，學(xué)生可根據(jù)興趣分組選擇完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)面向智慧工廠的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，融合課程核心理論，運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制及軌跡規(guī)劃，更能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的掌握和理解。在未來，還需要擴(kuò)展更多的配套課題，如數(shù)字孿生、機(jī)器視覺等，為學(xué)生提供更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目表

3 教學(xué)效果分析

在新一輪教學(xué)任務(wù)開始之前，分別選出若干名已修過“機(jī)器人學(xué)”課程的2020 級(jí)學(xué)生以及未開始課程學(xué)習(xí)的2021 級(jí)以及2022 級(jí)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)合理性考核。主要檢驗(yàn)自主設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的可操作性，在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生結(jié)合具體工廠任務(wù)自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)線。如圖4 所示，學(xué)生搭建的物流分撿工作臺(tái)。

圖4 學(xué)生自建分撿工作臺(tái)

在演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生基本在4 個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)可以完成軟件基礎(chǔ)操作學(xué)習(xí)以及2 項(xiàng)機(jī)器人平臺(tái)的操作演示；在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生利用1 個(gè)學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)軟件操作，另用3 個(gè)學(xué)時(shí)可完成1 項(xiàng)工廠任務(wù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。因此，本實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)具備操作性，并且能夠涵蓋重點(diǎn)理論知識(shí)的應(yīng)用。

4 結(jié)語

通過分析當(dāng)前“機(jī)器人學(xué)”課程及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)特點(diǎn)，總結(jié)出實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在的突出問題，提出了以“智慧工廠”為需求任務(wù)背景的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)改革方案，完善了當(dāng)前“機(jī)器人學(xué)”課程教學(xué)體系建設(shè)，使教學(xué)任務(wù)更加貼合以為智能制造行業(yè)提供創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，為學(xué)生牢固掌握并應(yīng)用理論知識(shí)提供創(chuàng)新平臺(tái)。