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机器人运动控制课程教学方法改革探讨
发布时间:2020-08-28 点击: 发布:《教育教学论坛》杂志社
机器人运动控制课程教学方法改革探讨
       王涛  
(周口师范学院 物理与电信工程学院,河南 周口 466001)
 
[摘要] 为了主动应对新一轮科技革命,教育部积极推进“新工科”的建设,机器人工程专业应运而生。大多数高校都把机器人运动控制课程作为机器人工程专业的核心专业课程之一,由于机器人工程是新开专业,各高校机器人运动控制课程的教学体系、教学内容等参差不齐,不利于机器人工程专业的发展。本文首先结合机器人运动控制课程的教学大纲、教学内容等分析了其教学现状,然后从教材、理论教学以及实践教学等三个方面提出了教学改革设想,旨在完善机器运动控制课程的教学体系,提升教师的教学质量,调动学生理论和实践学习的积极性,进而促进机器人工程专业的发展。
[关键词] 机器人工程、机器人运动控制、教学改革、教育教学论坛
中图分类号:G642.4  文献标志码:A  

0 引言


为了满足国家建设的需要和顺应国际的发展趋势,教育部在2016年正式批准机器人工程成为新的本科专业。作为一门“新工科”专业,机器人工程以控制、机械、计算机、材料等多个学科领域涉及的机器人知识为研究对象,研究机器人的感知、人机交互、控制和系统设计等内容[1]。机器人工程是新兴专业,可以借鉴的相关优秀教材、教学经验较少,机器人运动控制作为专业核心课程之一,很多高校的教学体系参差不齐,为了提高机器人运动控制课程的教学质量,需要对其教材、教学等进行探索和改革。本文首先详细分析了机器人运动控制课程的培养目标、教学大纲、教学现状等,然后详细探讨了机器人运动控制课程的几点教学改革设想和建议,目的是完善机器人运动控制课程的教学内容,调动老师的教学积极性和学生的学习主动性,进而丰富机器人工程专业的教学体系。

1 机器人运动控制的课程特点

机器人是一个复杂的系统工程,而机器人运动控制一直是机器人研究的核心问题之一,其培养目标是通过本课程的学习,使学生掌握机器人运动控制系统的基本结构、基本理论、系统分析和工程设计方法,培养学生综合运用所学知识发现问题、分析问题、解决实际问题的能力,为学习后续的专业课和毕业后从事机器人相关工作打下必要的基础,其是一门以多学科、多门类知识为一体的综合性学科,其先修课程包括:矩阵论、高等数学、电子技术、自动控制、现代控制、机器人学、电机拖动基础、可编程控制、电力电子等,而这些先修课程学习难度较大,并且又涵盖了其他的先修课程,以上原因造成机器人运动控制课程具有知识涉及面广、理论性强、学习难度大的特点[2]
机器人的核心在于控制,就是让机器人按设计人员的意图进行有目的的运动,满足工业工程中的各种需求,例如:焊接、喷漆、搬运等,其涉及运动控制算法、电机驱动、轨迹规划、传感器信息获取处理等内容,因此从这个角度来看,机器人运动控制课程又是一门实践性很强、对学生逻辑思维能力、实践动手能力以及数学运算能力等要求很高的课程。综上所述,和其他课程不同,机器人运动控制是一门理论和实践紧密结合的综合性交叉学科,因此需要对其教学体系、教学方式等进行详细的探讨,完善机器人运动控制课程的教学体系。目前大多数高校的机器人运动控制课程主要讲述工业机器人,所以本文主要讨论工业机器人的运动控制。

2 机器人运动控制的教学现状

2.1缺乏专业的机器人运动控制教材

机器人工程作为新开专业,大部分课程并没有专门的教材可供使用,机器人运动控制课程的教材也大都仍然采用自动化、机械电子工程等相关专业的教材,甚至是一些研究生的教材,例如有的学校采用运动控制系统这本教材,该教材主要讲述直流电机、交流电机、伺服电机等各种电机的运动控制算法、控制方式和系统等,控制方式包括转矩控制、位置控制、速度控制等,控制系统包括开环、半闭环和闭环控制系统,控制算法包括矢量控制、直接转矩控制、单闭环和双闭环调速控制等,但是并没有涉及工业机器人的运动控制。而工业机器人作为机器人的典型代表之一,其常见结构是由多个电机串联组成,其控制不同于单个电机和多个电机复合成运动控制系统的控制,需要考虑多个电机之间离心力、耦合、重力等因素的影响;同时运动路径轨迹规划作为机器人运动控制的核心内容,运动控制系统教材也没有涉及该部分内容,因此运动控制系统并不能作为机器人运动控制的课程教材,只能作为该课程的基础内容。
有的学校采用机器人学这本教材,该教材将机器人运动控制的内容和机器人运动学、动力学等结合起来,而机器人运动控制只是作为其中的一章或两章,主要讲述机器人的路径规划、运动控制算法,限于章节篇幅,这些教材没有详细介绍机器人运动控制的基本算法理论,只是泛泛而谈,导致学生学起来比较吃力;另一方面,有些教材只是纯粹介绍机器人的各种复杂控制算法和原理,重在数学算法的推导和证明,并没有详细介绍机器人运动控制系统的结构,导致学生只是片面了解机器人的运动控制,缺乏对机器人运动控制系统的整体认识;最后,机器人运动控制的实质还是对各个电机进行控制,进而实现各种复杂的控制算法,但是这些教材并没有介绍如何对电机进行控制,造成学生对机器人运动控制的学习较为肤浅,不能够深入掌握机器人的运动控制算法,因此机器人运动控制的教材有待于完善,亟需编排专业教材[3]

2.2理论教学方法有待完善

机器人运动控制是一门理论和实践结合紧密的综合性学科,受传统教学方法的影响,其教学过程仍以机械的讲授理论知识为主,这种灌输式的机械教学方法降低了机器人运动控制课程的科学性、实践性,导致课堂气氛沉闷,降低了学生学习的积极性,不符合机器人运动控制课程的培养目标,造成重理论轻实践的教学局面;目前机器人工程专业的老师大都是博士学历,一直进行理论研究,对教材上的理论知识掌握很透彻,但是实践能力较为薄弱,在课堂上很少扩展教学内容,在指导学生如何将理论知识和工程实践紧密结合方面也较为欠缺,使得教学内容空洞化和理想化;机器人运动控制课程的先修课程较多,各种运动控制的算法推导和基本理论较为繁杂,造成课程学习难度较大。综上所述,需要对如何设计合理的教学方法、如何将教材上复杂的理论知识简单化、如何将理论知识和工程实践紧密结合等内容进行探索和改革。

2.3实践授课形式单一

目前机器人运动控制课程的实践教学方式主要是课内实验,即利用仿真软件、示教器等实验设备开展实验。仿真软件在虚拟环境中模拟真实机器人的运动控制,这种实验教学方法有两个弊端,一是三维仿真软件集成度较高,学生只能通过鼠标和键盘等进行相关操作,导致实践效果较差;二是软件仿真是在虚拟理想的环境中进行,忽略了一些干扰因素,故无法真实、可靠的设计和验证运动控制算法。示教器让学生通过按键、界面等设计程序,但是这种实验设备的集成度也相对较高。学生只需按实验指导书上的实验步骤按部就班,然后即可从示教器界面上观察到实验数据和结果,实验方式较为简单,且这些实验大都是验证性实验,很少涉及设计性和综合性实验,无法真正锻炼学生的创新实践能力。目前机器人运动控制实验没有涉及电机运动控制方面的实验,学生无法深入理解机器人运动控制过程中各个电机的运动方式,不能通过实验很好的巩固理论知识。目前机器人运动控制大都只局限于课内实践,缺乏相应的课外实践内容,导致实践内容与机器人的发展脱节。
综上所述,目前的实践教学方式、实验内容多流于形式,降低了学生学习的积极性,大都注重理论知识的学习,忽视实践能力的锻炼,因此需要对实践教学方式进行改革,做到理论和实践相结合。

3 教学改革的探索

3.1课程教材的改革

由上文可知运动控制系统是机器人运动控制的基础知识,机器人控制是机器人运动控制的核心内容,因此机器人运动控制课程要同时包括运动控制系统的知识和机器人控制方面的内容。在编写机器人运动控制教材时,需要以培养目标为指导思想、以教学大纲为编写基础,多参考其它相关课程的优秀教材,并且还要借鉴借鉴机器人运动控制的最新技术,保证教材的新颖性、发展性、前沿性。
本文认为机器人运动控制教材的内容可分为三个篇幅:基础理论知识、运动控制系统、机器人控制,基础理论知识主要包括:绪论、机器人运动控制的发展历程和研究现状、机器人运动控制系统的结构等;运动控制系统主要包括:直流调速系统、交流调速系统、伺服控制系统和其他常用电机(步进电机、舵机等)控制系统四大部分,由于运动控制系统的内容较多、难度较大,这四大部分可不全部介绍,可以选择与机器人运动控制联系较为紧密的知识进行讲解,例如:直流调速系统讲述直流PWM变换器-电动机系统、闭环控制的直流调速系统;交流调速系统讲述基于动态模型的异步电动机调速系统和同步电动机的矢量控制系统;伺服控制系统的内容可全部讲解;由于自适应控制、鲁棒控制等现代控制理论控制的内容大都在研究生期间学习,考虑到机器人运动控制应该贴合本科生的知识接受能力,所以和自适应控制、鲁棒控制等相关的机器人运动算法可以暂时不介绍[4];机器人运动控制部分包括:轨迹规划、机器人控制,轨迹规划主要包括:直线插补、圆弧插补、三次多项式以及五项多项式轨迹规划等内容;机器人控制主要包括:独立的PD控制、具有重力补偿的PD控制、计算力矩法和解出加速度控制等基本简单的机器人控制算法[5]。通过这三部分内容递进的学习,使得学生既了解了机器人运动控制系统的框架结构,掌握了各种电机的控制方法,也掌握了机器人运动控制算法的基本原理,为实践内容的学习打下了坚定的基础。

3.2理论教学方式的改革

传统的课堂教学方式以老师为中心,忽略了学生的主体能动性,造成学生学习积极性不高,致使教学水平和效率低下,好的理论教学方式应该是教师、学生、教材和多媒体等多方协调。在教学过程中要根据教学环境和课堂效果,实时改变学生和老师在课堂中的主体地位,例如:理论学习时,以教师为主,学生为辅;学习新技术、新应用时,应该以学生为主,老师为辅,教师只是引导学生独立的在实践过程中去发现、分析和解决问题。目前不少教师讲课按照PPT照本宣科,没有对难点、重点知识进行深入和扩展,导致学生学习效果不好,因此教师既要熟悉教材的内容,又要在授课过程中引导学生在掌握基本概念、原理的基础上深入的理解重点和难点,逐步学会分析和解决实际问题的能力。教师还要学会丰富教学方式,例如:在讲到机器人运动控制系统结构的时候,需要用到减速器的知识,由于减速器的机械结构复杂,学生很难单纯的从课本上搞清楚减速器的工作原理和过程,教师这时可以播放减速器工作原理的视频,可以加深学生对机器人运动控制系统的直观学习和了解。
机器人技术日新月异,作为一门工程应用性极强的课程,教师应该充分认识到时刻学习的必要性,不断提高理论知识水平,树立新的教学观念,在日常教学中加入最新的理论和技术,做到将理论知识和工程实践相结合,促进机器人运动控制理论教学方式的改革。课余时间中,可以多去公司、工厂进行实践和学习,把现代教育理念融入到实际的课堂教学中,避免理论教学和实践教学相脱节。

3.3实践教学方式的改革

机器人运动控制作为一门专业应用极强的课程,实践教学也是其中的重要环节,理论教学必须做到时刻与实践教学相结合。通过实践教学,可以巩固学生的理论知识,培养学生的动手实践、分析和解决问题的能力,实践教学方式包括课内教学和课外教学两种形式。
3.3.1课内实践教学的改革
课内实践教学包括:实验设备和实验内容,根据机器人运动控制教材内容的安排,机器人运动控制课程的实验设备包括:运动控制系统实验设备、机器人控制实验设备。
(1)课内实践教学设备的改革
利用仿真软件可实现实验教学不受时间、实验环境的限制,具有很大的灵活性;同时也可以弥补硬件实验设备因受财力、物力限制而不能及时更新不足的缺点,但是通过软件仿真搭建的机器人是一个理想化模型,忽略了外界环境和自身因素对其运动控制造成的影响,导致无法验证运动控制算法的真实性和可靠性,并且学生无法直观看到机器人的真实运动情况。硬件实验设备可以实现机器人在真实环境下的运动控制,具有较高的实验精度,但是这种方式需要有一定的实践知识基础,不适用于初学者;其次,机器人日新月异的发展导致实验设备更新换代的频率较快和成本较高。因此综合考虑,机器人控制可选择软、硬件结合的实验设备,前期先进行软件仿真教学,等具有一定的实践基础之后,后期再进行硬件或者软、硬结合教学,可以充分结合软、硬件的优点,例如:瑞典ABB公司开发的机械臂平台,既有仿真软件—RobotStudio,期可以进行虚拟机械臂模型的搭建,也可以通过仿真软件或者示教器等控制真实环境中的机械臂[6];而考虑运动控制系统理论知识的特点,其可以只选择硬件实验设备,目前市面上比较成熟的运动控制系统实验箱种类有很多,可以根据学院和实际情况进行选择。
硬件实验设备可以采购比较流行的机器人本体(工业机器人“四大家族”的机械臂)、运动控制实验箱等,也可以组织教师并让学生参与,自主研发驱动器模块、编码器模块、连杆模块、电机模块、控制器模块和传动装置等基本模块,并使这些模块系列化、标准化和模块化。学生根据实验教学内容的不同,可以自由选择所需要的模块搭建和组装机器人运动控制系统或者实验平台,进而可以让学生更深入理解机器人的体系结构和实验内容,也锻炼了动手能力。
(2)课内实践教学内容的改革
机器人运动控制具有知识面广、难度大、综合性高、实践性强等特点,实验内容必须依据教学大纲、教材以及机器人的发展精心设计实验教学内容,认真梳理理论教学体系,精心选择实验教学内容,突出本课程的知识重点。以往的机器人运动控制课程实验以验证性实验为主,较少涉及综合性、探究性实验,而综合性和探究性实验对学生创新能力的培养更为重要,因此要摒弃传统实验缺乏创新性和综合性实验的弊端,不但要注重巩固学生对理论知识的掌握和应用,而且要关注学生分析解决、动手实践能力的培养。
本文将机器人运动控制实验内容分为三个部分:验证性实验、探究性实验、综合性实验,所占的比重依次升高,突出探究性实验和综合性实验的重要性。运动控制系统内容的实验主要以探究性实验为主,根据运动控制系统的理论教学内容,运动控制系统实验可以按照如下内容安排:转速单闭环和双闭环直流调速系统实验、异步电机转速开环变压变频调速系统、异步电机矢量控制调速系统实验、异步电机直接转矩控制调速系统实验、永磁同步电机转速开环变压变频调速系统实验等,学生通过这些探究性实验不仅可以巩固理论知识,培养其发现、分析、解决问题的能力,同时也为接下来学习机器人运动控制的相关知识奠定基础[7]。机器人运动控制实验可以按照如下内容安排:工业机器人的认知、工业机器人模型的搭建、机器人示教编程与再现、机器人点位和CP运动等为验证性实验,机器人轨迹规划、机器人工作站的建立等为探究性实验,机器人焊接、机器人喷漆、机器人码垛、机器人装配等为综合性实验,通过软、硬件相结合以及验证性、探究性和综合性实验逐步递进的实验方式,不仅巩固学生对机器人运动控制理论知识的掌握和运用程度,还可以培养学生的实践动手能力,教师可以根据实际情况对上述实验内容做合理的安排和补充。
在编排实验内容时,教师还应注意发掘每个实验内容的深度,加强实验内容与理论知识的联系,让每个学生通过实验都可以提高对课堂理论知识的理解和掌握程度,并且有利于相关课程群的知识互相渗透、互相融合,培养学生系统设计的能力。例如:在做机器人模型的搭建实验时,既让学生通过仿真软件搭建一个机器人模型,同时也让学生根据仿真软件所搭建的模型去搭建真实的机器人本体,这样既让学生学会了如何用仿真软件去搭建机器人模型,有使得学生进一步通过实物搭建了解了实际机器人的内部结构和组成部分,起到一举两得的效果,实验深度明显提高。
3.3.2课外实践教学的改革
课内实验课可以锻炼学生的实践动手能力,但是受于实验设备更新换代成本较高的限制,导致实验设备经常落后于机器人的发展,因此还应该积极开展课外实践教学。课外实践教学的方式多种多样,学校或者教师可以联系机器人的相关企业,安排学生到企业见习、实习等,通过现场观看有关机器人的设备和技术,并与经验丰富的技术人员沟通交流,可以使学生了解目前先进的机器人技术;也可以鼓励学生通过网络资源学习有关机器人的最新技术,并让学生以论文、讨论、课程设计等作为课外作业,不但开拓学生的视野,对学生实践能力的提升也大有裨益,同时也促进学生课外学习能力和资料搜集水平能力等的提高。教师还可以鼓励和指导学生参加各种电子设计竞赛、机器人比赛等创新性实践活动,不但可以让学生巩固所学的理论知识,而且还可以通过在比赛过程中培养学生发现、分析和解决问题的能力,对学生综合素质和能力的培养也是具有很好地提高促进作用[8]

4结束语

机器人工程作为一门新兴专业,随着机器人技术的革新而不断发展,机器人运动控制作为专业的核心课程之一,其课程改革是一个长期的、不断深化的过程,离成熟化和规范化还有很长的路要走,需要各方不断努力和探索。本文结合机器人运动控制的教学现状分析了存在的一些缺点,从教材、理论教学和实践教学三方面探讨了机器人运动控制的改革设想,首先应该根据教学目标和课程特点,编写专业教材;在讲授理论知识的过程中,要对理论知识进行扩展深入,同时教师还应不断改进和丰富自己的教学方法,充实和完善课堂教学内容;在课内实践教学中,要设计一定数量和质量的实验内容,提高探究性和综合性实验的比重,以使学生的实践能力逐步得到提高;为了更好的锻炼学生的实践能力,还需要通过多种方式进行课外实践。在机器人运动控制课程的改革中,既要重理论也要重实践,应贯彻知行合一的教育理念,避免轻视实践教学,只有经过多方共同努力,充分发挥教师和学生的能动性和创造性,才能将理论和实践充分结合起来,促进和推动我国机器人行业的发展。


参考文献
[1] 张宪民.机器人技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,2006.
[2] 万佑红,蒋国平.机器人教育与大学生创新能力培养的探索[J].电气电子教学学报,2005,27(4) : 6-8.
[3] 雷静桃,刘亮,张海洪.“机器人学”课程教学改革与实践[J].实验室研究与探索,2013,32(5):179.
[4] 褚健,俞立,苏宏业.鲁棒控制理论及应用[M].北京:机械工业出版社,2005
[5] 霍伟.机器人动力学与控制[M].北京:机械工业出版社,2005
[6] 刘军,郑喜贵.工业机器人技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2017
[7] 阮毅,陈维钧.运动控制系统[M].北京:清华大学出版社,2006.
[8] 张彤,赵国昌,李萍.论教学模式与培养模式的关系[J].宝鸡文理学院学报,2013,(12):67-69.
 
Discussion on teaching method reform of robot motion control courses
WANG Tao
(School of Physics and Telecommunication Engineering, Zhoukou Normal University, Zhoukou 466001, China)
Abstract: In order to take the initiative to respond to a new round of scientific and technological revolution, the Ministry of Education actively promoted the construction of New Engineering Discipline, and the robot engineering profession came into being. Most universities take the robot motion control course as one of the core professional courses of robot engineering major. However, due to that the robot engineering is a new major, the teaching system and teaching content of the robotic motion control courses of various universities are uneven, which is not conducive to the development of the robot engineering major. This paper firstly analyzes the teaching status quo of the robot motion control course with its syllabus and teaching content, and then proposes the idea of teaching reform from the three aspects of teaching materials, theoretical teaching and practical teaching, aiming to improve the teaching system of the machine motion control course, improve the teaching quality of teachers, mobilize the enthusiasm of theory and practice learning of students, and then promote the development of robot engineering major.
Key words: Robot engineering; robot motion control; teaching reform
 
作者简介:王涛(1990 — ),男,河南郑州人。硕士,研究方向为图像处理、目标识别。