基于机器人构型设计的机械创新分析

2021-11-27王晓燕朱雨洁赵俊杰王宇超张鑫悦

科技与创新 2021年24期

关键词：结构设计机器人教学方式

王晓燕，朱雨洁，赵俊杰，王宇超，张鑫悦

（天津职业技术师范大学，天津 300222）

伴随着中国科学技术的发展，高等院校在教学中越发重视起学生的创新与实践能力的培养，以此让其进入到社会当中，可以快速地融入到社会大环境中。因此，为了实现这样的教学目标，可以利用机器人构型的机械创新设计方式，实现学生的创新性与实践能力的提升。

1 研究背景

机器人学是一种包含着主动领域知识内容的学科，涉及到计算机科学与工程、控制论、控制工程学以及人工智能等诸多的领域。机器人已经在当下的社会发展中，成为十分重要的服务机械设备，同时也渐渐地成为高等院校进行创新实验的重要优选平台。

很多高校都已经开展了机器人方面的教学工作，例如在美国高校课程的编制中，就已经开设了“机器人导论”课程，并基于讲解—实验—讨论的方式进行教学。而在研究生阶段，则是进行了“高等机器人学”的教学工作，实现更高层次的教学开展，同时这样的课程实践性比较强，成为十分重要的教学方式与方法。中国在当下的教学发展中，也做出了一定努力。例如，在一般专业必修课与全校的课程开展中，都设置了机器人课程，因此从教学方法、教学内容以及课程考核环节，都进行了一定的教学方式改革。同时，一些高校也将机器人技术与多门相关专业课程进行了深入的融合，并利用创新实验的方式，构建出良好的教学平台。

2 创新实验设计

在现阶段开设的一些机器人创新实验，大都是围绕着电气控制以及计算机编程领域所开展的学科，但是，对于完整的工程机械结构设计方式，在落实的过程中就会存在着一定的难度。例如，机器人的横向拓扑构型教学，很多都会出现在一些硕士研究生的教学工作当中，就会导致在教学的过程中有较高的难度，无法应用到本科学生的教学中。因此，为了提升教学的整体效率，本文提出基于机器人构型设计的机械创新实验方式，基于机器人的机械结构设计为主要核心内容，科学合理地开展教学工作，以此对学生进行创新性与实践能力的培养。

3 创新实验开展流程

3.1 引入CDIO理念

在大学教学过程中，学生所接受的教育基本上都是单项课程的形式，因此所获得的知识点呈现出零散性与孤立性，对于整个工程活动的了解程度不足。因此，在实验项目的开展中，一些有着工程应用背景的学生，就会较为主动地参与到实践教学中，可以取得良好的教学效果。因此，需要在当下的教学中，基于CDIO教学理念出发，保障实验的全过程，可以对其产品的全生命周期得到全面的掌握，可以体验产品的设计、加工的全流程，基于理论到实物论证的全部环节，进而充分保障学生对知识形成全面的掌握。教师需要组织学生积极地形成构思—设计—实现—运作的实践流程，以此构建出机器人的全生命周期。这样的教学方式，十分符合当下学生对于基础知识的掌握需求。

3.1.1 方案设计

方案设计的过程，就是一种基于实验的实际要求，对其方案图以及相关技术的参数分析，充分保障了创新能力以及综合设计能力方面的提升。在教师的教学工作开展中，要求小组中的每个学生都要设计出至少一套方案，并将自己的方案参与到小组讨论当中，以此针对方案当中他人提出的质疑，实现方案的完善处理，并进入到下一次的讨论当中，这样最后就可以形成较为成熟的方案体系。在这样的教学模式中，学生有着较强互动性与自主性，实现了良好的教学。

3.1.2 结构设计

在结构设计环节，需要严格确定设计方案中的图纸内容，主要培养学生当下对于结构设计的综合能力。在这个环节中，需要对小组成员进行重新分工，让其小组成员明确自身的工作，以此实现三维装配、二维零件图以及电气图的设计工作。其后，基于自身的行为，进行全面的优化设计，充分保障设计过程中可以有针对性地进行零部件的选择，最大程度上保障设计的合理性。

3.1.3 加工试制

在这个阶段的建设中，主要是进行现场技术方面的指导，对一些必要环节进行辅助加工。学生在这个环节，可以将理论内容与实践内容有效地联系起来，帮助自己解决实践过程中出现的诸多问题。其次，还需要基于设计的责任机制，让小组对于零件的全生命周期负责，保障机器人结构设计的合理性。

3.1.4 装配调试与修改

这个阶段的操作，就是一种对于当下装配调试实验的产品进行全面的实验报告撰写，以此可以锻炼学生当下的实际装配调试能力，同时也解决各种实践过程中遇到的问题，保障工程项目的顺利进展。在教师对学生的引导下，要对所有设计的机械零部件以及涉及到的电气部件进行装配和调试。这样就可以及时发现一些问题，并加以修改与调整。

3.2 积极开展基础知识培训工作

在创新试验的开展中，由于具备综合性的特征，需要定期开展一些基础性的知识活动以及开展工程技能方面的培训活动，实现学生集中培训。在培训的内容上，主要包含机器人基础知识并涉及一些工程应用基础知识。例如，在教学机器人的建模方法学习中，并不需要对动力学建模以及对逆向运动学进行计算分析，而是需要重点对正向运动学进行计算分析。同时，还要在教学中，可以利用情景教学的方式展开教学，比如积极地在实验室当中开展授课，这样会让学生有更加直观的感受，可以带着问题进行学习，实现理论与实践的全面融合。另外，在机械加工的安全操作教学中，还需要积极地利用装配的方式，实现清晰的讲解，避免操作出现一定的问题。

3.3 提升学生的创新实验主体地位

进行创新教学的过程，就是为了全面提升学生的创新能力与实践能力。学生自主学习能力的提升，可以有效推动学生综合素质的提升。自主学习作为一种较为重要的学习能力，是一种伴随着学生自我意识的成熟而出现的一种学习能力，因此成为了学生个体终生发展的重要技能。良好的自主学习品质，可以让学生实现自我分析、自我体验以及自我调控，充分将自我理想与自我实践形成一个有机的整体。当下，学生学习始终都处于中等水平，因此就需要有意识地进行培养。在实验的工作开展中，不仅仅需要在动员会中进行有效的培训，还需要对其实践流程进行合理规划，有针对性地对人员进行调配，这样才可以保障创新实验的顺利开展。

4 创新实验的成效

4.1 推动实验课程质量工程建设

高等教育的开展，往往是为了培养出更高质量与能力的学生，因此教师就需要在当下的教学工作开展中，提升自身创新能力与实践能力，目前，这也是高等教育的重要任务。这样的创新实验教学工作，往往需要基于CDIO的教学理念出发而实现，应当保证教学具有针对性，从而保障本科生可以独立地进行学习安排、管理以及实践。在教师的合理指导下，教学工作往往可以实现潜移默化的建设发展。同时，教师还需将理论与实践相结合，保障学生可以自主地进行问题的解决。在这样的教学模式下，便全面地实现了素质教育的目标。

4.2 利于大学生专业知识体系的构建

当下单课程试验的设置方式，往往仅会涉及到单一类型的知识，因此这样的教学方式就会导致与实际应用相脱离，同时也无法实现对学生综合能力的全面提升。另外，在这样的教学模式下，无法让学生的综合实验能力得到很好的锻炼，而所开展的创新实验课程，可以引导学生在学习知识的过程中，逐渐构建出一套合理的教学体系。在这样的教学模式下，帮助学生梳理知识点，完善自身的知识体系。例如，在进行“机械设计”的课程教学中，对于轴与轴承部分的教学工作，就可以有效地利用这样的教学方式，实现灵活的零部件设计思维分析。教师首先需要抛出问题，让学生进行思考，之后再对其内容进行针对性的分析；其次，学生还需要自行分析与掌握教材中对机械结构的介绍，这样才可以保障在未来的发展中，全面提升机械设备的设计能力。