陳修龍，盛永超，高順，張明輝

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島 266590）

《機(jī)器人技術(shù)》是眾多高校機(jī)械工程領(lǐng)域研究生的重要課程之一，它包括機(jī)器人結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人控制編程等諸多內(nèi)容，實(shí)踐性要求很強(qiáng)?！稒C(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)能有效地將教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合，提高課程質(zhì)量，因此亟待開(kāi)展《機(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)建設(shè)研究。

迄今眾多學(xué)者對(duì)《機(jī)器人技術(shù)》等相關(guān)課程改革進(jìn)行了深入的研究。周萌[1]針對(duì)機(jī)器人技術(shù)，提出“五位一體”的改革策略，完善了人才培養(yǎng)計(jì)劃。董霞[2]通過(guò)實(shí)踐教學(xué)，給出了如何培養(yǎng)學(xué)生處理復(fù)雜問(wèn)題的工程能力和創(chuàng)新力的具體做法。范良志[3]豐富了機(jī)器人課程的內(nèi)涵和知識(shí)邊界，提出了不同的課程知識(shí)體系和內(nèi)容建設(shè)策略。廖春麗[4]提出了不同的人才培養(yǎng)模式，改革了《機(jī)器人技術(shù)》的課程體系。任斌[5]對(duì)教學(xué)內(nèi)容和考評(píng)方式進(jìn)行改革，提高了教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。鄭明輝[6]對(duì)《機(jī)器人技術(shù)》課程進(jìn)行了實(shí)踐和探索，完善了教學(xué)內(nèi)容。

本文針對(duì)當(dāng)前《機(jī)器人技術(shù)》課程重理論輕實(shí)踐的現(xiàn)狀，開(kāi)展了《機(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)建設(shè)研究，通過(guò)具體的機(jī)器人案例，將《機(jī)器人技術(shù)》課程的理論與實(shí)踐相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生參與問(wèn)題的思考、分析、討論和表達(dá)等活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生解決專業(yè)問(wèn)題的綜合能力，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐融合的機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

1 案例教學(xué)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

案例教學(xué)被應(yīng)用于高校教育始自19世紀(jì)70年代的哈佛大學(xué)法學(xué)院，這種將實(shí)際問(wèn)題與理論研究相結(jié)合的教學(xué)方法幾經(jīng)完善和修正，已成為以美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家高校的一種重要教學(xué)方法。高校最明顯的是停止對(duì)固定知識(shí)的強(qiáng)調(diào)，轉(zhuǎn)而強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生不斷獲取知識(shí)和理解知識(shí)的能力。這個(gè)轉(zhuǎn)變意味著更加強(qiáng)調(diào)學(xué)術(shù)研究的基本方法，掌握這些方法是獲得大量知識(shí)的途徑。因此哈佛大學(xué)大部分課程都采用案例教學(xué)的方式，已成為哈佛大學(xué)教學(xué)的突出特色和特有模式。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于案例庫(kù)建設(shè)起步較晚，尚未形成比較系統(tǒng)完善的案例庫(kù)體系，特別是目前針對(duì)《機(jī)器人技術(shù)》的案例庫(kù)還鮮見(jiàn)。目前許多高校都在探索機(jī)械工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位研究生案例庫(kù)教學(xué)，針對(duì)某些課程建立了案例庫(kù)。例如在《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法》課程中引入“工程遺傳算法”“反求工程設(shè)計(jì)”等案例，在《振動(dòng)工程》課程中引入“電動(dòng)機(jī)隔振”“大型發(fā)電機(jī)組動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)”等案例，在《微機(jī)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用》課程中引入“基于微機(jī)的振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)”“利用光柵尺進(jìn)行位移和速度的檢測(cè)”等案例。這些案例的運(yùn)用，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，采用工程實(shí)踐案例教學(xué)，將工業(yè)界先進(jìn)的工程實(shí)踐教學(xué)引入課堂。通過(guò)實(shí)踐教學(xué)實(shí)例分析開(kāi)展案例教學(xué)，有效發(fā)揮了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提高其研究能力和實(shí)踐能力。

2 《機(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)建設(shè)的必要性

《機(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)的建設(shè)，不僅豐富教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)質(zhì)量，而且能夠通過(guò)引進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)品、組建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室來(lái)強(qiáng)化基礎(chǔ)條件，讓學(xué)生理論知識(shí)與實(shí)際操作相結(jié)合，提高能力培養(yǎng)的有效性。《機(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)的建設(shè)能夠幫助學(xué)生開(kāi)闊自己的學(xué)習(xí)領(lǐng)域，研究探討更深層次的知識(shí)，形成自己的學(xué)習(xí)模式和學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)可以建立更加優(yōu)良、開(kāi)放性更好的學(xué)習(xí)平臺(tái)，將更多的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源傳授于學(xué)生，促進(jìn)學(xué)生全方位發(fā)展。《機(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)的建設(shè)，是專業(yè)性基礎(chǔ)知識(shí)與前沿科研領(lǐng)域的多元化融合。目前《機(jī)器人技術(shù)》課程在機(jī)械工程專業(yè)研究生的教學(xué)實(shí)踐中，主要存在以下問(wèn)題：（1）注重概念和原理的課堂講解，缺少讓學(xué)生有身臨其境感受的實(shí)際教學(xué)案例，容易使學(xué)生感覺(jué)過(guò)于理論和抽象；（2）課堂中以教師單向授課為主，學(xué)生被動(dòng)接收，教師與學(xué)生缺少互動(dòng)；（3）缺乏有效的學(xué)后建議、反饋和修改渠道。因此，需要針對(duì)《機(jī)器人技術(shù)》課程的教學(xué)內(nèi)容，編寫緊跟學(xué)科前沿和教學(xué)內(nèi)容豐富的教學(xué)案例，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建體系功能完備的《機(jī)器人技術(shù)》課程教學(xué)案例庫(kù)。

《機(jī)器人技術(shù)》案例教學(xué)將學(xué)生作為主體，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，能夠引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探索?！稒C(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)的建設(shè)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高將理論知識(shí)應(yīng)用到科研實(shí)踐中并解決實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題的能力，通過(guò)師生互動(dòng)討論、分析案例，找出解決實(shí)際問(wèn)題的思路，為提高學(xué)生的創(chuàng)新能力打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。目前山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院的機(jī)械類相關(guān)專業(yè)的500 余名本科生和研究生均開(kāi)設(shè)與《機(jī)器人技術(shù)》相關(guān)的專業(yè)課程，該案例庫(kù)可以服務(wù)于這些專業(yè)的學(xué)生教學(xué)工作，有效地提高他們的學(xué)習(xí)質(zhì)量，提高創(chuàng)新實(shí)踐能力?！稒C(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)的建設(shè)能夠提升教學(xué)質(zhì)量，通過(guò)《機(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)編寫，教師能夠及時(shí)更新案例庫(kù)的內(nèi)容，保持教學(xué)內(nèi)容的時(shí)效性。結(jié)合案例庫(kù)實(shí)例，可大大提高學(xué)生的理解能力，提升案例教學(xué)效果。案例的收集有利于開(kāi)展校企之間的合作，校企深度融合，有利于提升研究生的培養(yǎng)質(zhì)量。

3 《機(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)的特色及創(chuàng)新性

本案例庫(kù)的特色和創(chuàng)新性如下：

（1）以加強(qiáng)研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)培養(yǎng)為目標(biāo)，將機(jī)器人技術(shù)的相關(guān)理論與工程項(xiàng)目密切結(jié)合，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授與工程實(shí)踐的一體化融合，構(gòu)建《機(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)。

（2）依托行業(yè)工程應(yīng)用背景，緊扣企業(yè)的工程實(shí)際，結(jié)合當(dāng)前企業(yè)對(duì)機(jī)械制造領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人、煤炭機(jī)器人等研發(fā)的理論技術(shù)需求，精選案例內(nèi)容，突出案例的行業(yè)特色，以及案例的先進(jìn)性、實(shí)用性和原創(chuàng)性，提高研究生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

（3）針對(duì)《機(jī)器人技術(shù)》課程的知識(shí)點(diǎn)，以問(wèn)題為導(dǎo)向，案例設(shè)計(jì)采用“分項(xiàng)”與“綜合”相結(jié)合的方式，即對(duì)知識(shí)點(diǎn)比較單一的內(nèi)容，采用分項(xiàng)案例設(shè)計(jì)，對(duì)于需要綜合運(yùn)用機(jī)器人相關(guān)理論解決的工程問(wèn)題，采用綜合案例設(shè)計(jì)。

4 《機(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)的建設(shè)內(nèi)容

《機(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)以“覆蓋核心知識(shí)點(diǎn)、凸顯理論的工程應(yīng)用，提高研究生實(shí)踐與創(chuàng)新能力”為建設(shè)目標(biāo)，針對(duì)《機(jī)器人技術(shù)》《機(jī)器人學(xué)》等研究生課程，擬建設(shè)10 個(gè)案例，既有機(jī)器人基本知識(shí)的運(yùn)用，也有綜合運(yùn)用機(jī)器人理論解決實(shí)際工程問(wèn)題。具體案例如下：

（1）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

講述坐標(biāo)變換、齊次坐標(biāo)變換、機(jī)器人手部位姿的描述方法，機(jī)器人連桿D-H 參數(shù)、連桿坐標(biāo)系的建立方法、連桿坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換、機(jī)器人正/逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析，運(yùn)動(dòng)學(xué)中的數(shù)值方法以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的其他表示方法，并以工業(yè)機(jī)器人手臂為例進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

（2）機(jī)器人靜力/動(dòng)力學(xué)分析。

以串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人和3-RRR 平面并聯(lián)機(jī)器人為例，闡述多自由度機(jī)器人的速度雅可比矩陣和力雅可比矩陣的求解方法、如何借助雅可比矩陣進(jìn)行機(jī)器人的速度和靜力學(xué)分析、第一類和第二類采用拉格朗日方程對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模和分析。簡(jiǎn)單講述機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析的其他方法，如牛頓-歐拉方法、Kane方法及常用的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams。

（3）機(jī)器人軌跡規(guī)劃。

講述如何在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃，重點(diǎn)講述三次多項(xiàng)式插值和五次多項(xiàng)式插值的方法，簡(jiǎn)單闡述非多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃和高次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃。對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的生成方式和軌跡實(shí)時(shí)生成的方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。以KUKAKR5 機(jī)器人和SCARA 機(jī)械手為例，分別在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間進(jìn)行規(guī)劃。

（4）機(jī)器人控制系統(tǒng)。

以工業(yè)機(jī)器人為例，重點(diǎn)闡述機(jī)器人控制系統(tǒng)與控制方法，重點(diǎn)講述控制系統(tǒng)的硬件選型，相關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)，軟件操作系統(tǒng)的選擇和功能模塊化劃分及程序編寫調(diào)試、PID 控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制和模糊控制等控制方法。

（5）機(jī)器人感知系統(tǒng)。

以FUNC 工業(yè)機(jī)器人為例，簡(jiǎn)單闡述機(jī)器人感知系統(tǒng)的構(gòu)建、多傳感器信息的交互融合、傳感器的定義和分類、傳感器的性能指標(biāo)、視覺(jué)系統(tǒng)的組成、圖像處理技術(shù)及應(yīng)用、典型傳感器。重點(diǎn)講述位置和位移傳感器、視覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器、力覺(jué)傳感器的工作原理、特點(diǎn)及使用場(chǎng)合。

（6）并聯(lián)機(jī)器人。

闡述并聯(lián)機(jī)器人的定義、并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)、典型并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用、并聯(lián)機(jī)器人的位置正解/逆解的計(jì)算方法、并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)、并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合及并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)/力性能分析及評(píng)價(jià)。簡(jiǎn)單講述并聯(lián)機(jī)器人的尺度綜合、并聯(lián)機(jī)器人的奇異性分析與評(píng)價(jià)。以Delta 高速抓取機(jī)器人和Stewart 6 軸機(jī)器人為例進(jìn)行介紹與分析。

（7）移動(dòng)機(jī)器人。

以輪式移動(dòng)機(jī)器人為例，重點(diǎn)講述輪式移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)方式、移動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、路徑規(guī)劃技術(shù)及控制系統(tǒng)框架。簡(jiǎn)單講述履帶式移動(dòng)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、履帶式移動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn)及履帶布局方式、步行式行走機(jī)構(gòu)的工作原理、典型足式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及其他形式的行走機(jī)器人。

（8）服務(wù)機(jī)器人。

以服務(wù)機(jī)器人為例，重點(diǎn)闡述服務(wù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程、服務(wù)機(jī)器人的特點(diǎn)及工作原理、服務(wù)機(jī)器人的無(wú)障礙路徑規(guī)劃、避障路徑規(guī)劃、定位方法。簡(jiǎn)單講述帶有語(yǔ)音交互的服務(wù)機(jī)器人、人臉識(shí)別的服務(wù)機(jī)器人，對(duì)服務(wù)機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分布、網(wǎng)絡(luò)通信功能、多智能體協(xié)調(diào)控制技術(shù)和自主導(dǎo)航研究進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

（9）工業(yè)機(jī)器人。

以工業(yè)焊接機(jī)器人為例，簡(jiǎn)單介紹機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)伺服單元、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、輸入/輸出系統(tǒng)接口及應(yīng)用領(lǐng)域。重點(diǎn)講述機(jī)器人的安全作業(yè)事項(xiàng)、坐標(biāo)系與手動(dòng)操作、系統(tǒng)設(shè)定、示教編程器的使用、離線編程、機(jī)器人的控制柜故障診斷和日常維護(hù)、機(jī)器人本體的維護(hù)。

（10）煤礦機(jī)器人。

以噴漿機(jī)器人、救援機(jī)器人和掘進(jìn)機(jī)器人為例，詳細(xì)講述煤礦機(jī)器人的分類、本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、交控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)、可靠性分析與優(yōu)化技術(shù)及交互式虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。簡(jiǎn)要介紹煤礦機(jī)器人的通信技術(shù)、能源動(dòng)力技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、多機(jī)器人技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)以及發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從《機(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)建設(shè)的必要性、特色和創(chuàng)新、建設(shè)內(nèi)容等方面開(kāi)展了《機(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)建設(shè)研究，通過(guò)案例庫(kù)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)和實(shí)踐的有機(jī)融合，豐富了教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，通過(guò)課堂具體實(shí)踐，案例庫(kù)的建設(shè)能夠引導(dǎo)學(xué)生積極參與問(wèn)題的思考、分析和討論，提高了教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力，為理論和實(shí)踐融合的機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供了支撐。