“机器人机构学”本科课程教学改革与探索

［摘 要］ 随着智能装备及高端制造技术的发展及广泛应用，机器人产业备受关注，同时行业发展对掌握机器人相关技术人员的需求量逐渐增加。为此，国内高校陆续开设了机器人专业，培养机器人领域的专业人才以满足行业需求。在机器人专业课程设置中，“机器人机构学”是一门专业必修课，是基于机器人学与机构学延伸出的一门多学科交叉融合课程。针对机器人工程专业面向本科生的应用型人才培养模式，提出“机器人机构学”课程教学内容设计方案，并对教学方法进行改革与探索。这对提高教学研究水平、提升人才培养质量具有重要指导意义。

［关键词］ 机器人机构学；本科教育；教学改革与探索

［基金项目］ 2020年度江苏省自然科学基金项目“高浓度盐溶液中聚合物润滑涂层的摩擦学性能及其动态自修复机理研究”（BK20200791）；2020年度金陵科技学院高层次人才科研启动基金“动态自修复长效润滑承载界面构筑与摩擦学性能研究”（JIT-B-202052）；2021年度金陵科技学院校级科教融合项目“面向医用导管等的自修复超润滑涂层关键技术”（2021KJRH10）

［作者简介］ 邓亚玲（1986—），女，山东潍坊人，博士，金陵科技学院智能科学与控制工程学院讲师（通信作者），主要从事机器人关节表面摩擦磨损研究；许 煜（1993—），男，山西晋中人，博士，金陵科技学院智能科学与控制工程学院讲师，主要从事机器人表面设计研究；曲雅微（1993—），女，陕西西安人，博士，金陵科技学院智能科学与控制工程学院讲师，主要从事机器人动力学研究。

［中图分类号］ G642.0；TP242 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）02-0065-04 ［收稿日期］ 2022-08-24

“机器人机构学”是高等院校机器人工程专业开设的一门专业必修课。该课程以机器人机构为研究对象，揭示机器人运动过程中各构件及其运动的内在规律，是机构学在机器人研究领域的具体化。由于机构学研究是机器人基本结构组成与运动的基础，因此，该门课程在机器人工程专业的人才培养设置中占有重要地位。“机器人机构学”为学生今后从事相关行业的产品设计与生产、技术研发与项目实施奠定了重要基础，有助于培养学生的创新精神与科学思维，提高创造能力，增强设计观念。

机器人工程学科在发展过程中，正逐步形成一个较为完整的科学体系，尤其是高等院校理工科专业的课程体系，在最近几十年发展中已趋于稳定［1］。为进一步提高教学质量、规范教学活动，该论文首先对高校“机器人机构学”教学形势进行分析；其次，以金陵科技学院为例，针对应用型本科高校的培养特点，对“机器人机构学”课程教学进行了相关的课程设置与改革，并做了一些有益探索。

一、“机器人机构学”教学现状分析

机器人工程专业以机器人为研究对象，解决其涉及的科学技术问题，是一门涵盖机械工程、电子信息、控制技术、材料科学等多学科领域的新型专业。近些年，随着全球科技创新及高端制造技术的迅速发展，机器人产业的发展呈现出新态势。当前，我国部分院校将“机器人机构学”课程设定在硕士研究生培养阶段，主要面向具备一定机器人学和机构学理论与实践基础的研究生开设。课程教学内容设置主要为机器人连杆机构及运动学分析，有关机构学基本概念、理论及位姿描述分析研究的内容较少［2］。

随着我国高等教育规模的逐渐扩大，大众化高等教育占比增加。在此形势下，如何针对性地培养具备基础知识与技能的本科生，“机器人机构学”课程设置与改革尤为重要。

二、“机器人机构学”教学内容设置

针对我校应用型普通本科高等院校的特点，注重培养学生的基础知识掌握与实践能力，根据本专业所在院系制定的培养计划，并借鉴参考高等院校和兄弟院校的培养经验，制定了本校专属的“机器人机构学”教学大纲和教学计划。

“机器人机构学”课程内容主要包括机构学基本概念、机构的结构分析与运动分析、机器人机构的组成及特点、机器人学基础知识、操作臂运动学、动力学分析等部分。

机构学基本概念和机构的结构分析与运动分析是机构学的基础内容。主要介绍机构的组成要素、组成结构与类型、机构运动简图的绘制、机构自由度的计算、机构运动学分析的目的与方法。其中，机构的组成结构、自由度计算、机构运动简图绘制和运动学分析是机构学的理论基础，为学生学习机器人机构建立了基础概念与思维框架。在教学中，首先，介绍常见运动副的概念与特点、明确机构的定义与类型，以常见转动副和移动副所在机构为例，详细分析并讲解机构运动简图的绘制。其次，对平面机构自由度进行正确计算，重点强调计算过程中的注意事项。最后，说明机构运动分析的目的，介绍机构运动学分析的常规方法。

基于机构学基础知识，对机器人机构的组成与运动、串并联机器人机构的特点进行详细介绍。在该部分内容中，主要明确机器人手臂、手腕、手部的基本形式、特点及运动方式；介绍移动副与转动副作为关节机构的应用及其所在机器人机构简图的绘制，这是该部分的重点与难点，对于机器人机构的设计分析具有指导意义；阐述了串并联机器人机构的分类、特点、工作空间、运动形式及应用，并进行对比分析。

机器人学基础知识主要包括位姿描述、齐次坐标与齐次变换，运动学，动力学三部分。机器人的位姿描述、齐次坐标与齐次变换，均涉及连杆、末端执行器和操作对象之间的相对位置关系及空间描述，重点阐述了刚体的空间表示及不同坐标系相互之间转化的齐次变换方式。该部分内容为机器人运动学、动力学分析奠定了理论基础。

操作臂运动学主要研究操作臂各连杆之间运动的位移、速度和加速度关系，通过各关节所在坐标系，建立相应的运动学方程，明确运动学方程的求解方法，这也是机器人基础知识的重点与难点部分。通过运动学分析方法，建立操作臂运动与受力之间的关系，即机器人动力学分析，重点讨论动力学正问题、动力学逆问题，这是机械臂实现最优控制的理论基础。该部分同时介绍了与运动学和动力学相关的路径和轨迹规划概念，介绍实现操作臂在运动中保持受控运动序列的处理方法。

在教学过程中，打破传统方式，对行业定位及学生未来发展进行综合评估与考量，有机融入机器人与机构学基础知识，针对教学过程中的每个模块提出专业侧重点。打破了不考虑专业特点只强调体现的教学内容制定方法。该教学内容的设置，既不脱离机器人专业的教学大纲与培养目标，又考虑到专业特点与人才培养模式。

三、“机器人机构学”教学方法探索

机器人工程专业是适应国际科技前沿和国家战略发展需求的新兴工科专业［3-4］。东南大学是国内首先开设该专业的高等院校，而后，其他本科与职业院校相继设立机器人工程专业。由于“机器人机构学”是一门多学科交叉融合课程，针对我校应用型普通本科高等院校而言，该门课程的教学在覆盖基础知识之上强调增强实践能力、拓宽行业视野。

（一）理论与实践相结合的教学体系

“机器人机构学”课程实施包括理论与实践两方面。基础理论涉及大量数学、力学等方面的内容，在课程教学过程中需要突出重点、解决难点。在实践教学过程中，增加实际教学案例，如嫦娥五号、“奋斗者”号机械臂等，基于相关理论知识开展实践教学，包括原理讲解、操作演示、操作错误分析等。学生需要将理论知识进行实际操作转换，将理论内容转化为机械臂组装构件的绘制、装配、运动仿真，以及实际运动。仅具备良好的理论基础，不进行实践教学，学生不能深刻理解“机器人机构学”课程的应用价值与社会意义。在实践教学过程中及时发现学生实操的不足与问题，并指出其在理论知识学习方面的薄弱环节，提高学生理论学习的积极性。因此，理论教学是实践教学的基础，实践教学是理论教学的延续，两者相辅相成、相得益彰。

（二）讲解讨论相结合的教学模式

在“机器人机构学”教学过程中，习题课的教学是用来巩固理论基础知识的一个重要方式。采用讲解讨论相结合的教学方法，对于引导学生思考问题、强化收敛发散思维训练，是一种有效的方式。

在机构运动简图绘制的习题课中，首先选取最具代表性的内燃机图，通过给学生进行分解剖析，确定其总共含有固定构件、活动构件、运动副的数量，明确各个构件的功能、作用、运动形式，以及各个构件之间采用何种运动副连接、运动副连接的构件的运动规律，从而进行内燃机机构运动简图的绘制。在讲述过程中，为让学生区分固定构件与活动构件，首先请学生自行分析，将分析过程与结果跟大家讨论，最终由教师进行总结、分析与解答。随后教师选取个例，共享大筛机构的动画图，组织学生进行分小组讨论，以确定大筛机构的构件数量，分析活动构件、运动构件、运动副数量及其相应的运动形式。每个小组分别进行分析过程与结论的讲解，最终由教师进行分析点评。通过该教学模式，充分发挥了学生的主观能动性，使每位学生都能有效掌握“机器人机构学”知识。

“机器人机构学”的教学任务，不仅仅是讲授全面完整系统的机构与机器人理论知识，另一个重要方面是教给学生科学的思维方法及独立发现问题、解决问题的能力，提高科学素养。习题讲解讨论课在调动学生主观能动性和激发学习兴趣方面发挥了重要作用。

（三）课程思政元素的有效融入

基于新工科背景下的课程思政理念，通过对“机器人机构学”进行教学探索，将思政元素有效融入教学设计。从专业必修课的教学内容中提炼相关素材，将正能量渗透教学工作。在教学过程中，从历史背景和科技热点出发，对课程中包含的思政元素进行充分挖掘，使教学目标与思想政治教育目标协同并存。

在介绍课程历史发展背景时，追根溯源，为学生讲述机器人机构的前世今生。从我国春秋时期的鲁班木制飞鸟、东汉张衡的指南车、三国时期诸葛亮根据齿轮原理制造的木牛流马、南北朝祖冲之利用齿轮传动机构制作的指南车、汉末魏晋的自动装置记里鼓车，再到当今的工业机器人、智能机器人、医疗机器人、深海作业机器人等，其中包含了大量机器人机构知识的运用。通过对机器人的发展历史与应用领域的介绍，将历史发展源远融入课程教学，使学生熟悉我国机器人机构的发展历程及其背后的故事，体会古人的思想与智慧，认识到科学家勇于探索创新的科学精神，加深对中国历史的理解，增强对传统文化的认同，坚定文化自信。

在根据当前科技时事热点介绍机器人领域的最新研究成果时，既讲述国外科技进展，又着重阐述国内科技前沿与应用现状，将课程教学知识点与思想政治教育目标有机衔接，明确思政元素的融合点，使专业教学和思想政治教育有效衔接、融为一体。以嫦娥五号探测器携带的机械臂为例，向学生介绍我国最前沿的科技发展与技术动态，结合课程中的轨迹规划与运动方程知识，对机械臂完成月球表面采样的路径规划与运动方程进行探索与推导，使学生掌握机械臂运动学的基本理论与分析方法，引发学生思考如何设计机械臂并高效完成一系列指令动作。在讲述机械臂运动学方程时，以“蛟龙号”自带的机械臂为例，对常规状态下机械臂水下精准作业进行工作空间、关节位移、速度、加速度分析。通过对典型实例进行系统分析，提高学生“机器人机构学”知识储备，培养学生的系统思维、辩证思维，以及勇于探索创新、精益求精的工匠精神。通过对科技成果应用的介绍，加强学生对我国当前科学技术发展的认识，引导学生增强对所学知识应用价值的理解与认同，建立专业荣誉感和社会价值感，激发学生强烈的民族自豪感和爱国主义情怀，增强学生开拓创新的意识。

通过在“机器人机构学”教学中将课程内容与思政元素相融合，落实立德树人根本任务。将家国情怀、文化自信与工匠精神、创新思想有机结合，既全面、充分把握学生的知识掌握水平和学习能力，又拓宽学生的创新视野、培养学生的创新技能，实现专通兼顾、德才兼备的培养目标。

（四）专题讲座的有序开展

将机器人领域的前沿研究热点及其在各领域的应用实例介绍给学生，是学校开展通才教育教学的重要组成部分。对于思想活跃、爱好广泛且学有余力的学生，向他们系统介绍新型机器人的研究进展，是提高学生认知学习能力、拓宽行业视野的重要途径，也是一项新的尝试与探索。