機器人實驗教學(xué)論文

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1改革措施與實踐結(jié)果

1．1實驗平臺的建設(shè)

為了強化學(xué)生在機器人方面的實踐環(huán)節(jié)，首先需要構(gòu)建機器人實驗平臺。讓學(xué)生在課堂教學(xué)中了解機器人的基本組成、工作原理等，而學(xué)生的綜合分析能力和解決問題的能力只能通過實踐才能得到鍛煉及提升。學(xué)生通過課堂教學(xué)了解機器人的基本組成、工作原理等，通過實踐鍛煉提高綜合分析能力和解決問題的能力。依托西安交通大學(xué)機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心的資源，將現(xiàn)有的實驗教學(xué)機器人資源進行整合，構(gòu)建機器人實驗教學(xué)平臺，包括:開放源代碼的固高等國產(chǎn)機器人;具有示教手持盒的日本生產(chǎn)的商業(yè)機器人MOTOMAN－SK16、川崎RS10N等工業(yè)機器人;進行二次開發(fā)、能夠組合使用的博時機器人。在機器人實驗教學(xué)中，為學(xué)生的實踐環(huán)節(jié)提供了足夠的教學(xué)資源。

1．2改革實驗教學(xué)體系，豐富實驗層次

目前的實驗教學(xué)體系多數(shù)為實驗教師針對某一點進行實驗教學(xué)。但是機器人本身具有實踐性強、學(xué)科融合范圍廣的特點，機器人實驗已經(jīng)不能僅僅依靠單獨的一個實驗進行支撐，需要與機械結(jié)構(gòu)、軌跡規(guī)劃、系統(tǒng)控制、傳感器等技術(shù)進行融合。目前開展的機器人實驗往往著重于某一方面，不同的教師由于個人研究方向不同，或者專業(yè)限制，往往開展實驗項目側(cè)重自己的方向。但在本科教學(xué)中，還需要注重學(xué)生知識面的擴展，學(xué)生應(yīng)全面地了解各個方面，開拓學(xué)生的眼界，因此機器人實驗應(yīng)增加“廣度”。系統(tǒng)級的機器人實驗是一種全新的實驗形式，它將機械結(jié)構(gòu)分析、建模、傳感器技術(shù)、機械控制等多學(xué)科融合。在實驗項目實施中，學(xué)生以團隊形式進行實驗，分工明確，為學(xué)生應(yīng)用多種學(xué)科知識提供了平臺，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新和團隊協(xié)作能力。在結(jié)構(gòu)部分，小型的博時串聯(lián)機器人拆裝與建模分析、慧魚模型搭建機器人;在機器人結(jié)構(gòu)實驗方面，以六自由度模塊化可拆裝串聯(lián)機器人為平臺，學(xué)生可自由搭建2～6自由度五種組合方式機器人系統(tǒng)。該機器人各關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)多樣化，采用了同步齒形帶傳動、諧波減速傳動、行星減速傳動、錐齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動等多種傳動方式。每一模塊均為透明封裝，可直觀看到內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)及運動形式，并可將其拆裝至螺釘級。通過機器人本體裝拆實驗可以提高學(xué)生對機構(gòu)中各種傳動原理的直觀認(rèn)識，鍛煉學(xué)生的裝配能力，并以此了解零件加工工藝與特點，增強學(xué)生對機構(gòu)運動形式實踐的動手操作能力?；埕~模型是一套由機械構(gòu)件、傳感器、控制部件組成的機電產(chǎn)品。在控制部分，現(xiàn)有的實驗儀器分為商業(yè)機器人及科教公司研發(fā)機器人。商業(yè)機器人技術(shù)成熟，使用可靠，但控制源代碼不開放;科教公司研發(fā)機器人源代碼開放，但設(shè)備使用可靠性較差，因此實驗內(nèi)容需要對兩種實驗設(shè)備進行調(diào)整，克服兩類實驗設(shè)備各自的缺點，讓兩者互補，形成對學(xué)生的全面培養(yǎng)。學(xué)生在對已有的機械工業(yè)中常見機器人使用后，工業(yè)中的手持器可供學(xué)生直接操作，將教學(xué)理論與工業(yè)實踐并重，學(xué)生可以直接通過控制使用了解機器人的基本軌跡規(guī)劃等，將注意力集中到機器人實驗的主要問題中?？平坦狙邪l(fā)的機器人源代碼開放，學(xué)生在學(xué)有余力的情況下，能夠進行二次開發(fā)，將機器人控制技術(shù)與傳感器技術(shù)等相結(jié)合，提高學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1．3教學(xué)方法的改革，提高學(xué)生興趣

機器人廣泛應(yīng)用在各個工業(yè)領(lǐng)域，實驗教學(xué)與其中機械部件包括連桿、齒輪、馬達、渦輪等，一般工程機械制造所需要的零部件在模型中都能找到，模型中的零件可以在短時間內(nèi)插裝和拆卸，為學(xué)生想象力插上了翅膀，在對實際機器人拆裝后，組建屬于自己的機器人，提高學(xué)生興趣，增強學(xué)生對于傳動知識的理解。工程應(yīng)用是互相聯(lián)系，密不可分的。以實驗室中固高柔性制造系統(tǒng)為例，機器人在中間起到了倉儲、上下料作用，完全實現(xiàn)了自動化控制，因此在機器人實驗的開發(fā)中應(yīng)聯(lián)系工程背景，提高學(xué)生興趣。實驗體系包括常見的機器人運動學(xué)實驗、動力學(xué)分析實驗、軌跡規(guī)劃實驗，并且需要讓學(xué)生明白機器各個部分的組成，因此在實驗授課時，控制類教師與機械設(shè)計類教師應(yīng)聯(lián)合開發(fā)機器人實驗，使學(xué)生將課程中學(xué)習(xí)的知識運用到實驗中，加強理論與實踐的結(jié)合。在學(xué)生使用中，學(xué)生可以先從柔性制造系統(tǒng)進行認(rèn)知機器人廣泛應(yīng)用在各大工業(yè)領(lǐng)域，然后進行機器人的拆裝，了解機器人的各個組成部分，隨后進行自己控制機器人的運動軌跡，對運動軌跡進行規(guī)劃。在學(xué)生全面了解機器人知識后，在綜合實驗中，學(xué)生可以選擇偏結(jié)構(gòu)方面的實驗，如用慧魚模型搭建機器人;也可選擇偏控制方面實驗，如機器人的視覺系統(tǒng)的開發(fā);也可將二者結(jié)合，設(shè)計出新的機器人結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)等。這是一個從認(rèn)知到實踐的過程，符合人的一般認(rèn)知規(guī)律。機器人學(xué)科具有更新快的特點，作為教師在教學(xué)時不僅需要給學(xué)生技術(shù)指導(dǎo)，更應(yīng)該著重培養(yǎng)學(xué)生對機器人技術(shù)發(fā)展趨勢的了解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，讓學(xué)生盡可能參與實驗的各個環(huán)節(jié)，增加學(xué)生的主觀能動性，包括實驗問題的提出、實驗機器人的確定、實驗程序(路線)的設(shè)計以及分析總結(jié)等。只有在實驗過程中，學(xué)生團隊精神、創(chuàng)新能力、動手能力等素質(zhì)才能得到培養(yǎng)。

1．4考評方法的改革，突出培養(yǎng)學(xué)生能力

目前對學(xué)生的考核較為單一，僅是考核學(xué)生最終的實驗結(jié)果，不僅不能督促學(xué)生對實驗結(jié)果等進行合理分析，而且對于學(xué)生在實驗中的操作也忽略了，這對于機器人實驗考評而言是不合理的，機器人實驗作為一門實踐性很強的課程，沒有一個唯一確定的答案。機器人結(jié)構(gòu)分析實驗可以培養(yǎng)學(xué)生空間想象的能力，關(guān)注細(xì)節(jié)的能力，機器人軌跡規(guī)劃則涉及到數(shù)學(xué)在實際生活中應(yīng)用的能力，而軟件編程涉及規(guī)劃能力。它反映了學(xué)生的空間想象和規(guī)劃能力，對新事物的敏感度、以及完成任務(wù)的執(zhí)行力。因此改革學(xué)生的實驗考評體系非常必要。合理的考評方式不僅能使學(xué)生掌握機器人的相關(guān)知識，而且能對學(xué)生在后期機器人研究中起到一個引導(dǎo)作用。目前機器人實驗教學(xué)的成績評定中遇到的突出問題，即做為項目存在的機器人實驗在學(xué)生評價體系中不應(yīng)該規(guī)定學(xué)生的研究范圍，而應(yīng)該對學(xué)生綜合能力進行考察，這就需要一個多元化和標(biāo)準(zhǔn)化的考核方式。在機器人實驗中，學(xué)生以小組為單位，互相配合實驗，在考核過程中，學(xué)生在實驗中的過程考評應(yīng)該占到非常重要的地位。為了避免教師的主觀影響，學(xué)生應(yīng)該進行互評，將學(xué)生互相之間的評價納入考核方法。

2結(jié)語

經(jīng)過機器人實驗教學(xué)改革，學(xué)生普遍反應(yīng)良好，增加了學(xué)生的動手實踐能力。機器人實驗教學(xué)改革是一個需要長期積累、不斷深化的過程，需要在不斷探索中提高總體教學(xué)質(zhì)量，在實際教學(xué)中需要重視實踐性環(huán)節(jié)，注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)學(xué)生的研究開發(fā)興趣和科學(xué)創(chuàng)新精神，激勵創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。

作者：郭艷婕 桂亮 金悅 單位：西安交通大學(xué)