機器人實驗教學論文

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1改革措施與實踐結果

1．1實驗平臺的建設

為了強化學生在機器人方面的實踐環(huán)節(jié)，首先需要構建機器人實驗平臺。讓學生在課堂教學中了解機器人的基本組成、工作原理等，而學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。學生通過課堂教學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。依托西安交通大學機械基礎實驗教學中心的資源，將現(xiàn)有的實驗教學機器人資源進行整合，構建機器人實驗教學平臺，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。在機器人實驗教學中，為學生的實踐環(huán)節(jié)提供了足夠的教學資源。

1．2改革實驗教學體系，豐富實驗層次

目前的實驗教學體系多數(shù)為實驗教師針對某一點進行實驗教學。但是機器人本身具有實踐性強、學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，需要與機械結構、軌跡規(guī)劃、系統(tǒng)控制、傳感器等技術進行融合。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重自己的方向。但在本科教學中，還需要注重學生知識面的擴展，學生應全面地了解各個方面，開拓學生的眼界，因此機器人實驗應增加“廣度”。系統(tǒng)級的機器人實驗是一種全新的實驗形式，它將機械結構分析、建模、傳感器技術、機械控制等多學科融合。在實驗項目實施中，學生以團隊形式進行實驗，分工明確，為學生應用多種學科知識提供了平臺，培養(yǎng)了學生創(chuàng)新和團隊協(xié)作能力。在結構部分，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;在機器人結構實驗方面，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)。該機器人各關節(jié)內(nèi)部結構多樣化，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)部傳動結構及運動形式，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生對機構中各種傳動原理的直觀認識，鍛煉學生的裝配能力，并以此了解零件加工工藝與特點，增強學生對機構運動形式實踐的動手操作能力?；埕~模型是一套由機械構件、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，但設備使用可靠性較差，因此實驗內(nèi)容需要對兩種實驗設備進行調(diào)整，克服兩類實驗設備各自的缺點，讓兩者互補，形成對學生的全面培養(yǎng)。學生在對已有的機械工業(yè)中常見機器人使用后，工業(yè)中的手持器可供學生直接操作，將教學理論與工業(yè)實踐并重，學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，學生在學有余力的情況下，能夠進行二次開發(fā)，將機器人控制技術與傳感器技術等相結合，提高學生興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

1．3教學方法的改革，提高學生興趣

機器人廣泛應用在各個工業(yè)領域，實驗教學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，提高學生興趣，增強學生對于傳動知識的理解。工程應用是互相聯(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)中應聯(lián)系工程背景，提高學生興趣。實驗體系包括常見的機器人運動學實驗、動力學分析實驗、軌跡規(guī)劃實驗，并且需要讓學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計類教師應聯(lián)合開發(fā)機器人實驗，使學生將課程中學習的知識運用到實驗中，加強理論與實踐的結合。在學生使用中，學生可以先從柔性制造系統(tǒng)進行認知機器人廣泛應用在各大工業(yè)領域，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。在學生全面了解機器人知識后，在綜合實驗中，學生可以選擇偏結構方面的實驗，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);也可將二者結合，設計出新的機器人結構、系統(tǒng)等。這是一個從認知到實踐的過程，符合人的一般認知規(guī)律。機器人學科具有更新快的特點，作為教師在教學時不僅需要給學生技術指導，更應該著重培養(yǎng)學生對機器人技術發(fā)展趨勢的了解，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，讓學生盡可能參與實驗的各個環(huán)節(jié)，增加學生的主觀能動性，包括實驗問題的提出、實驗機器人的確定、實驗程序(路線)的設計以及分析總結等。只有在實驗過程中，學生團隊精神、創(chuàng)新能力、動手能力等素質才能得到培養(yǎng)。

1．4考評方法的改革，突出培養(yǎng)學生能力

目前對學生的考核較為單一，僅是考核學生最終的實驗結果，不僅不能督促學生對實驗結果等進行合理分析，而且對于學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。機器人結構分析實驗可以培養(yǎng)學生空間想象的能力，關注細節(jié)的能力，機器人軌跡規(guī)劃則涉及到數(shù)學在實際生活中應用的能力，而軟件編程涉及規(guī)劃能力。它反映了學生的空間想象和規(guī)劃能力，對新事物的敏感度、以及完成任務的執(zhí)行力。因此改革學生的實驗考評體系非常必要。合理的考評方式不僅能使學生掌握機器人的相關知識，而且能對學生在后期機器人研究中起到一個引導作用。目前機器人實驗教學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生評價體系中不應該規(guī)定學生的研究范圍，而應該對學生綜合能力進行考察，這就需要一個多元化和標準化的考核方式。在機器人實驗中，學生以小組為單位，互相配合實驗，在考核過程中，學生在實驗中的過程考評應該占到非常重要的地位。為了避免教師的主觀影響，學生應該進行互評，將學生互相之間的評價納入考核方法。

2結語

經(jīng)過機器人實驗教學改革，學生普遍反應良好，增加了學生的動手實踐能力。機器人實驗教學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質量，在實際教學中需要重視實踐性環(huán)節(jié)，注重激發(fā)學生的學習主動性，培養(yǎng)學生的研究開發(fā)興趣和科學創(chuàng)新精神，激勵創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新設計能力。

作者：郭艷婕 桂亮 金悅 單位：西安交通大學