機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)論文

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1改革措施與實(shí)踐結(jié)果

1．1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)

為了強(qiáng)化學(xué)生在機(jī)器人方面的實(shí)踐環(huán)節(jié)，首先需要構(gòu)建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。讓學(xué)生在課堂教學(xué)中了解機(jī)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(shí)踐才能得到鍛煉及提升。學(xué)生通過課堂教學(xué)了解機(jī)器人的基本組成、工作原理等，通過實(shí)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(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的資源，將現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)機(jī)器人資源進(jìn)行整合，構(gòu)建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，包括:開放源代碼的固高等國產(chǎn)機(jī)器人;具有示教手持盒的日本生產(chǎn)的商業(yè)機(jī)器人MOTOMAN－SK16、川崎RS10N等工業(yè)機(jī)器人;進(jìn)行二次開發(fā)、能夠組合使用的博時(shí)機(jī)器人。在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)提供了足夠的教學(xué)資源。

1．2改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，豐富實(shí)驗(yàn)層次

目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系多數(shù)為實(shí)驗(yàn)教師針對(duì)某一點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。但是機(jī)器人本身具有實(shí)踐性強(qiáng)、學(xué)科融合范圍廣的特點(diǎn)，機(jī)器人實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能僅僅依靠單獨(dú)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行支撐，需要與機(jī)械結(jié)構(gòu)、軌跡規(guī)劃、系統(tǒng)控制、傳感器等技術(shù)進(jìn)行融合。目前開展的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)往往著重于某一方面，不同的教師由于個(gè)人研究方向不同，或者專業(yè)限制，往往開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)面的擴(kuò)展，學(xué)生應(yīng)全面地了解各個(gè)方面，開拓學(xué)生的眼界，因此機(jī)器人實(shí)驗(yàn)應(yīng)增加“廣度”。系統(tǒng)級(jí)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)是一種全新的實(shí)驗(yàn)形式，它將機(jī)械結(jié)構(gòu)分析、建模、傳感器技術(shù)、機(jī)械控制等多學(xué)科融合。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施中，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分工明確，為學(xué)生應(yīng)用多種學(xué)科知識(shí)提供了平臺(tái)，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在結(jié)構(gòu)部分，小型的博時(shí)串聯(lián)機(jī)器人拆裝與建模分析、慧魚模型搭建機(jī)器人;在機(jī)器人結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方面，以六自由度模塊化可拆裝串聯(lián)機(jī)器人為平臺(tái)，學(xué)生可自由搭建2～6自由度五種組合方式機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)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(dòng)、諧波減速傳動(dòng)、行星減速傳動(dòng)、錐齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)等多種傳動(dòng)方式。每一模塊均為透明封裝，可直觀看到內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)形式，并可將其拆裝至螺釘級(jí)。通過機(jī)器人本體裝拆實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)中各種傳動(dòng)原理的直觀認(rèn)識(shí)，鍛煉學(xué)生的裝配能力，并以此了解零件加工工藝與特點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式實(shí)踐的動(dòng)手操作能力。慧魚模型是一套由機(jī)械構(gòu)件、傳感器、控制部件組成的機(jī)電產(chǎn)品。在控制部分，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器分為商業(yè)機(jī)器人及科教公司研發(fā)機(jī)器人。商業(yè)機(jī)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(jī)器人源代碼開放，但設(shè)備使用可靠性較差，因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，克服兩類實(shí)驗(yàn)設(shè)備各自的缺點(diǎn)，讓兩者互補(bǔ)，形成對(duì)學(xué)生的全面培養(yǎng)。學(xué)生在對(duì)已有的機(jī)械工業(yè)中常見機(jī)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(shí)踐并重，學(xué)生可以直接通過控制使用了解機(jī)器人的基本軌跡規(guī)劃等，將注意力集中到機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的主要問題中。科教公司研發(fā)的機(jī)器人源代碼開放，學(xué)生在學(xué)有余力的情況下，能夠進(jìn)行二次開發(fā)，將機(jī)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(jī)器人廣泛應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與其中機(jī)械部件包括連桿、齒輪、馬達(dá)、渦輪等，一般工程機(jī)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(shí)間內(nèi)插裝和拆卸，為學(xué)生想象力插上了翅膀，在對(duì)實(shí)際機(jī)器人拆裝后，組建屬于自己的機(jī)器人，提高學(xué)生興趣，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于傳動(dòng)知識(shí)的理解。工程應(yīng)用是互相聯(lián)系，密不可分的。以實(shí)驗(yàn)室中固高柔性制造系統(tǒng)為例，機(jī)器人在中間起到了倉儲(chǔ)、上下料作用，完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，因此在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的開發(fā)中應(yīng)聯(lián)系工程背景，提高學(xué)生興趣。實(shí)驗(yàn)體系包括常見的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)力學(xué)分析實(shí)驗(yàn)、軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)，并且需要讓學(xué)生明白機(jī)器各個(gè)部分的組成，因此在實(shí)驗(yàn)授課時(shí)，控制類教師與機(jī)械設(shè)計(jì)類教師應(yīng)聯(lián)合開發(fā)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生將課程中學(xué)習(xí)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)中，加強(qiáng)理論與實(shí)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(jìn)行認(rèn)知機(jī)器人廣泛應(yīng)用在各大工業(yè)領(lǐng)域，然后進(jìn)行機(jī)器人的拆裝，了解機(jī)器人的各個(gè)組成部分，隨后進(jìn)行自己控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃。在學(xué)生全面了解機(jī)器人知識(shí)后，在綜合實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以選擇偏結(jié)構(gòu)方面的實(shí)驗(yàn)，如用慧魚模型搭建機(jī)器人;也可選擇偏控制方面實(shí)驗(yàn)，如機(jī)器人的視覺系統(tǒng)的開發(fā);也可將二者結(jié)合，設(shè)計(jì)出新的機(jī)器人結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)等。這是一個(gè)從認(rèn)知到實(shí)踐的過程，符合人的一般認(rèn)知規(guī)律。機(jī)器人學(xué)科具有更新快的特點(diǎn)，作為教師在教學(xué)時(shí)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(duì)機(jī)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(shí)，讓學(xué)生盡可能參與實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，增加學(xué)生的主觀能動(dòng)性，包括實(shí)驗(yàn)問題的提出、實(shí)驗(yàn)機(jī)器人的確定、實(shí)驗(yàn)程序(路線)的設(shè)計(jì)以及分析總結(jié)等。只有在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生團(tuán)隊(duì)精神、創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力等素質(zhì)才能得到培養(yǎng)。

1．4考評(píng)方法的改革，突出培養(yǎng)學(xué)生能力

目前對(duì)學(xué)生的考核較為單一，僅是考核學(xué)生最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不僅不能督促學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果等進(jìn)行合理分析，而且對(duì)于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的操作也忽略了，這對(duì)于機(jī)器人實(shí)驗(yàn)考評(píng)而言是不合理的，機(jī)器人實(shí)驗(yàn)作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，沒有一個(gè)唯一確定的答案。機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)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(jī)器人軌跡規(guī)劃則涉及到數(shù)學(xué)在實(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)考評(píng)體系非常必要。合理的考評(píng)方式不僅能使學(xué)生掌握機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)，而且能對(duì)學(xué)生在后期機(jī)器人研究中起到一個(gè)引導(dǎo)作用。目前機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成績?cè)u(píng)定中遇到的突出問題，即做為項(xiàng)目存在的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)在學(xué)生評(píng)價(jià)體系中不應(yīng)該規(guī)定學(xué)生的研究范圍，而應(yīng)該對(duì)學(xué)生綜合能力進(jìn)行考察，這就需要一個(gè)多元化和標(biāo)準(zhǔn)化的考核方式。在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生以小組為單位，互相配合實(shí)驗(yàn)，在考核過程中，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的過程考評(píng)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(jìn)行互評(píng)，將學(xué)生互相之間的評(píng)價(jià)納入考核方法。

2結(jié)語

經(jīng)過機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，學(xué)生普遍反應(yīng)良好，增加了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是一個(gè)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(shí)際教學(xué)中需要重視實(shí)踐性環(huán)節(jié)，注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)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(lì)創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

作者：郭艷婕 桂亮 金悅 單位：西安交通大學(xué)