刘娣　刘坤　温秀兰

摘 要 针对应用型本科院校自动化（机器人）专业方向工业机器人控制课程的教学目标和需求，对工业机器人控制课程理论及实践教学方法和考核方式进行改革探索，对课程设置和实践安排提出具体的改革措施，课程改革成果在教学应用中取得较好的效果，培养了学生的实践创新能力，激发了学生的学习主动性。

关键词 工业机器人控制；教学改革；课程建设

中图分类号：G642.3 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）04-0097-03

Abstract According to the industrial robot control course teaching goals and needs of automation-robot major for application-oriented

institute， the reform and exploration methods of theory teaching and

practical teaching for industrial robot control course is discussed. The optimization measures of curriculum and practical arrangements are given. The result of curriculum reform has been applied in tea-

ching and good effect is obtained. It is useful to cultivate the student

practice and innovation ability， and to stimulate the students learning

initiative.

Key words industrial robot control； teaching revolution； course con-

struction

1 前言

近年來，随着制造业的快速发展，劳动力成本不断提高，工业机器人在全球范围内的需求急速增长，企业对高层次机器人专业技术人才的引进也将不断增加，如何培养高质量的机器人专业技术人才成为相关高校所面临的共同问题[1-3]。南京工程学院在2013年招收了第一届自动化（机器人）专业方向的本科生，目的在于培养高层次机器人专业技术应用型人才，能从事机器人系统设计与开发、技术集成，系统安装、运行、维护和技术管理等方面工作。在开设的相关课程中，工业机器人控制是自动化（机器人）专业方向的一门重要的专业课程，为进一步提升教学品质、完善教学策略。本文在对工业机器人控制课程教学大纲及教学现状进行分析的基础上，对其理论教学、实践教学以及课程考核方式进行改革探索。

2 课程特点及教学目标

课程特点 机器人控制系统在很大程度上决定了机器人的功能和性能。机器人控制涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多学科的内容。工业机器人控制技术的主要任务是控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态、轨迹、操作顺序及动作时间等。课程主要目的和任务是通过对工业机器人控制系统基本理论和最新进展的介绍，使学生掌握工业机器人常用的控制方法以及智能控制方法。

相比于研究生阶段开设的相关课程，本科阶段开设的工业机器人控制课程更注重应用实践能力的提高，在一定程度上弱化理论研究；同时，与高职院校开设的机器人控制实训课程也不同，应用型本科阶段开设的工业机器人控制课程应使学生在掌握控制理论知识的基础上，具备较高的提出问题、分析问题、解决问题的能力[4]。因此，在课程内容设置上，要兼顾理论学习与实践操作的有效融合与渗透。

教学目标 工业机器人控制课程的教学目标是要求学生掌握机器人运动学和动力学基础、机器人控制基础、机器人的位置控制和力控制、机器人智能控制技术、机器人轨迹规划等，要求学生不仅具备一定的理论分析能力，也要具备较高的解决实际问题的能力，使学生既不浮于理论之上而导致难以学以致用，也不会因为理论知识储备不足而导致难以具备以后继续学习的能力。

3 课程改革措施

南京工程学院自动化学院的工业机器人控制课程共48学时，其中理论教学40学时，实践教学8学时，是自动化（机器人）专业方向本科生的必修课程。工业机器人控制课程兼具理论学习与实践操作的教学要求，针对这一特点，在教学过程中，理论上应以引导为主，突出重点，做到深入浅出；而不是要求学生全盘推导复杂公式，否则可能导致学生在学习之初便难以理解而失去学习兴趣。在实践操作环节，应结合已讲授过的理论知识帮助学生理解机器人动作的原理与含义，将相关的运动学、动力学、控制方法、轨迹规划、传感器等知识有效渗透在实践操作过程中，而不是仅仅要求学生按照实验步骤完成机器人动作。理论学习与实践操作的相互渗透、相互结合，可帮助学生更深入理解机器人理论知识，同时加强学生的动手实践能力[5]。

理论教学方法改革 在40课时的时间里要完成工业机器人运动学、动力学、轨迹规划、位置控制、力控制、智能控制等方面的教学内容，知识点繁多，且其中不乏烦琐的公式推导。因此，要能够在有限的时间内让学生掌握关键知识点，教学内容的合理安排尤为重要，可从以下几个方面来进行理论教学的改革探索。

1）架构课程知识体系。可以在绪论部分通过给学生简单介绍工业机器人的工作过程，将后续要学习的相关知识点都容纳进来，给学生提供一条学习的主线，首先架构出完整的知识体系。如对于工业机器人的工作过程，简言之，就是通过规划，将要求的工作任务变为期望的力和运动，由控制环节根据期望的力和运动信号，产生相应的控制作用，以使机器人输出实际的力和运动，进而完成期望的工作任务；工业机器人实际运动的情况通常还要反馈给规划级和控制级，以便对规划和控制的结果做出适当的修正优化。工业机器人的这一工作过程如图1所示。

在上述概念中，自然地涵盖了课程的关键知识点，如何才能在工业现场实现机器人的上述动作过程？这一问题的提出，可大大激发学生的学习兴趣，若能配合相关的视频、动画、框图进行讲解，可进一步帮助学生了解课程内容与工业现场之间的关系，进而架构更完整的知识体系。

2）打牢数学基础。工业机器人控制技术涉及多种坐标系以及复杂的姿态变换、坐标变换等，这部分内容是课程重要的数学基础。一些重要概念一定要讲解透彻，如旋转矩阵的多种表示方法、齐次变换矩阵的含义等，可借助多媒体课件加深学生对各种变换的掌握。具体的公式不要求学生记住，但是一定要理解其含义，在此基础上进一步讲解通过MATLAB仿真软件完成相关计算的方法。也就是说，这部分内容要侧重讲解变换方法与MATLAB实现方法，弱化具體的运算。

3）控制方法要具体可行。工业机器人控制系统的构成包括中心控制器、驱动电路、电动机、减速器、传感器、相关硬件和软件等组成部分，对于多变量、非线性、耦合的复杂机器人系统，其控制方式也与一般伺服系统不同，控制方法的好坏是系统性能优劣的关键因素。尽管很多研究者对机器人的高级控制方法进行了很多研究，如变结构控制、自适应控制、智能控制等，但这些更多地偏重于理论与仿真研究，对于应用型本科院校的学生来说，在工业机器人控制这门课程的教学过程中，切不可让学生脱离机器人本体而仅浮于理论研究之上进行学习，应紧密结合机器人本体进行教学，从模型建立、模型简化、电动机伺服控制原理、电动机转速调整、单关节控制、多关节控制的耦合与补偿等各个方面讲解工业机器人控制系统的基本原理。可以讲解经典机器人案例的控制方法，如PUMA机器人，其伺服控制组成结构、位置控制系统实现原理、单关节控制、多关节控制等各个方面的内容都与机器人本体紧密相关，这种具体性、可实现性也可在一定程度上增强学生学习的信心。在此基础上引导学生深入学习一些机器人高级控制算法，并通过MATLAB对算法性能进行仿真对比，进一步掌握机器人各种控制方式的特点与控制算法的优劣。

实践教学方法改革 在实践教学部分，南京工程学院自动化学院采用的实验设备是汇博六自由度模块化可拆装串联机器人，该设备6个自由度的每个模块可以独立运行操作，并能按照统一接口任意组合成2～6自由度机器人。工业机器人控制课程的实践侧重于机器人运动学、动力学研究、驱动源电气参数的设置、机器人程序的编写、基于控制卡链接库和机器人链接库的VC编程等方面。

1）拓展实践教学内容。

首先，常规的示教、搬运装配等实验是大纲中要求的实验内容，为进一步提升学生对机器人工作原理、工作方式的认知程度，应结合实验设备进一步拓展实践教学内容。6个模块多样化的结构均体现了工业机器人的特点，涉及谐波减速、行星减速、同步带传动、蜗轮蜗杆传动以及齿轮传动等工业机器人常用的结构形式，因各模块均为透明封装，便于了解其具体结构原理，故可将其与实验室已有的搬运、焊接等工业机器人结合起来进行讲解，帮助学生掌握工业机器人的机械结构与传动原理。

其次，产品设备提供了控制卡链接库函数和机器人动态链接库，因此，要求学生在掌握控制卡链接库函数和机器人链接库函数的功能及调用方法基础上，能实现对机器人的二次开发，实现机器人复位、单轴运动、状态检测等多种控制，而不仅限于能操作设备自带的软件界面。

最后，实践环节还应设置相关的MATLAB仿真实验，将一些控制算法与工业机器人对象相结合，借助MATLAB软件对机器人的动力学特性进行分析，实现对机器人的仿真控制，通过直观的图文可以加深学生对控制算法的理解，动画仿真结果也可大大激发学生的学习兴趣。

2）实践考核方式多样化。在实践环节，教师应进一步优化实践考核评价体系，各环节的考核方式均应灵活多变，注重培养学生的创新能力。虽然大纲上已安排了具体的实验，但在实验过程中，仍然应根据学生的学习能力对其进行引导，鼓励学生积极思考，利用实验室现有设备提高自己对知识的综合应用能力，而不受限于仅完成已有实验项目。同时，应鼓励学生参加各种机器人大赛，在实践中综合运用各学科知识，提升知识应用的能力。将这些纳入实践环节的评价体系中来，可以增强学生学习的主动性。

4 结束语

通过对工业机器人控制课程理论环节和实践环节教学方法及考核方式的不断改革创新，在教学过程中取得一定的效果，改革成果在实际教学中的应用为培养自动化（机器人）专业方向的优秀人才打下坚实的基础。随着机器人技术的快速发展及企业对高层次机器人专业技术人才的大量需求，南京工程学院自动化学院将进一步完善工业机器人课程创新教学平台，进一步突出素质教育和工程应用能力的培养，注重学生学科知识、工程能力和专业素质的协调发展，让学生能以工程项目为背景，在工程应用中更深刻理解机器人控制理论知识，提升解决实际问题的能力和创新能力。

参考文献

[1]王建文，王剑，马宏绪.“机器人控制”课程建设研究[J].电气电子教学学报，2013，35（6）：4-6.

[2]程仙国，孙慧平，李占涛.《工业机器人技术》课程教学改革与实践[J].宁波工程学院学报，2015，27（4）：104-108.

[3]李庆龄.应用型本科工业机器人课程教学改革的探索与实践[J].中国教育技术装备，2013（21）：93-95.

[4]刘娣，许有熊，朱松青.应用型本科院校机器人课程教学探索[J].中国现代教育装备，2015（21）：84-86.

[5]郭艳婕，桂亮，金悦.基于本科生的机器人实验教学的实践与探索[J].实验室科学，2015，18（1）：131-134.