机器人工程专业多课程联动综合性实验教学实践

摘  要：该文针对机器人工程新工科专业，基于工程教育认证OBE的以学生能力培养为目标的教学理念，开展机器人工程专业多课程联动综合实验教学探索。以计算机视觉原理与应用、机器人学基础等课程的核心教学内容为案例，设计综合实验方案，设计基于视觉识别与定位的机械臂操作综合实验，培养学生较系统掌握所学的基础理论知识，并能够综合运用知识进行复杂工程问题的分析和解决的能力，达到新工科及工程教育认证对专业人才培养的目标。

关键词：机器人工程；教学改革；多课程联动；综合实验；实验方案

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）30-0011-05

Abstract： Aiming at the new engineering specialty of robot engineering， based on the teaching concept of engineering education certification OBE with the goal of cultivating students' ability， this paper carries out the exploration of multi-course linkage comprehensive experimental teaching of robot engineering specialty. Taking the core teaching contents of computer vision principles and applications， basic robotics and other courses as examples， design a comprehensive experimental scheme， design a comprehensive experiment of robotic arm operation based on visual recognition and positioning， and cultivate students' ability to systematically master the basic theoretical knowledge they have learned， and to comprehensively use the knowledge to analyze and solve complex engineering problems， Achieve the goal of training professional talents for new engineering and engineering education certification.

Keywords： robot engineering; reform in education; multi-course linkage; comprehensive experiment; experimental scheme

基金项目：教育部2021年第一批产学合作协同育人项目“机器人工程新工科专业的实验/实践教学平台建设”（202101014060）

第一作者简介：雷静桃（1970-），女，汉族，河南洛阳人，博士，教授，博士研究生导师。研究方向为机器人技术。

按照国际标准化组织（ISO）规定，机器人被分为工业机器人、特种服务机器人、家用服务机器人三种。无论是在工业领域，还是在服务领域，许多作业都离不开多自由度机械臂，被广泛应用于制造业、医疗、家庭服务等领域。例如，汽车制造业的机械臂、移动机器人上安装的机械臂、人形机器人的手臂和协作机械臂，如图1所示。

让机器具有视觉感知能力是机器人与人工智能领域的一个重要分支。目前的工业产品质量检测、智能交通系统中的通行车辆信息获取、无人驾驶汽车的道路信息识别、公共安全领域的监控视频信息处理等等许多工程领域都离不开计算机视觉理论与技术。

机械臂广泛应用于工业领域，目前，普遍采用基于单目视觉、双目视觉的机械臂进行手眼协调操作。例如，食品生产线上的作业机器人、采摘机器人、空间机械臂的视觉感知及在轨服务操作、零件缺陷检测和移动操作等[1-3]。机器视觉可以作为机器人眼睛，允许机器人对周围环境有一个基本的认识，从而能执行一系列操作，如操作家用电器、传递物品等。

机器视觉就是用相机代替人眼来对周围环境进行判断和分析，结合一定的算法来实现智能决策，机器视觉从原理上分为单目、双目、3D视觉等。机器视觉在人机交互、航空航天、工厂自动化等方面占据重要地位。将机器视觉和机械臂操作结合起来，相当于为机械臂增加了“眼睛”， 实现机械臂对目标的自动定位，可大大提高机械臂的环境感知能力和智能化水平，进一步扩展机械臂的应用领域。在此基础上提出一种基于单目视觉的定位方法，配合机械臂可以轻松实现物品的抓取和放置等动作[4]。

机器人工程专业是教育部首批新工科项目建设专业，该专业旨在培养掌握扎实的基础理论和相关专业知识、具备较强综合职业能力的高素质应用型专门人才[5]。机器人学是该专业的核心专业基础课，教学内容主要包括数理基础、运动学建模、雅克比矩阵、动力学、传感器、轨迹规划、运动控制和机器人编程等[6]。

机器人学课程目前的教学内容存在以下方面的问题。

第一，机器人课程教学，以课堂讲授为主，学生缺乏系统的综合性实验训练。这不符合新工科和工程专业认证的教育理念，不能达到在高阶性、创新性、挑战性等方面的要求。专业课程教学中，让学生动起来，让机器人动起来，是学好课程的关键。

第二，机器人学的教学应与时俱进，契合时代技术发展进程，随着人工智能和机器人技术的深度交叉与融合，机器人学的教学内容应更新颖，实验教学内容应更丰富、更有挑战性。

新时代全国高等学校本科教育工作会议要求，对大学生要合理“增负”，真正做到把乏味、要求松的“水课”变成有挑战度、有深度、有难度的“金课”[7]。

基础理论内容，体现高阶性、创新性、挑战度。在OBE 教学理念的指导下，探索符合新工科要求的课程教学理念和教学方法。机器人学课程建设目标：创新课程教学内容，实现“高阶性、创新性、挑战度”目标。高阶性方面，课程内容紧跟时代进步、科技发展，反映前沿性和时代性，体现机器人与人工智能的交叉与融合，智能化时代的特征，培养学生系统掌握基础理论知识、解决复杂问题的综合能力和高级思维。创新性方面，教学形式呈现先进性和互动性，通过研讨型教学、创新实验实践教学，通过探究方式，强化学习效果。挑战度方面，课程内容有一定的挑战性，学生需通过一定的努力才能掌握课程内容。通过布置富有挑战度的、以综合能力训练的课外项目，增加比较难的理论基础知识，通过具有挑战性、综合性项目探究训练，培养学生解决复杂问题的综合能力。

课程的教学改革思路，根据高校新工科人才培养和机器人工程专业人才培养目标，探索一种多课程联动的综述性实验方案并进行实践。根据机器人工程专业教学团队的教学经验，融合多门专业课程的重要知识点，以学生为中心，以综合能力培养为目标，开展多课程联动的综合性实验教学探索，融合机器人学基础、计算机视觉原理与应用/视觉感知与图像处理、机器人智能感知等多门课程，设计基于视觉感知定位的机械臂操作的实验方案，进行综合性实验教学，培养学生系统掌握课程的基础理论知识，领会课程章节间的关联关系，培养学生编程能力和实际操作能力，以及机器人复杂工程问题分析和解决的能力及综合素质。

一  综合性实验所支撑的相关课程内容

根据机器人工程专业的专业培养目标，以及基于专业工程教学认证的培养目标和能力矩阵，结合教学团队在教学研究与教学实践中的经验，机器人学的课程内容之间存在一定的关联关系，如将传感器、轨迹规划、机器人编程等内容进行关联，设计实验教学方案，根据课程每部分的特点把章节进行串联，设计综合性实验。同时，考虑到机器人工程专业人才培养的高阶性、创新性、挑战度要求，将机器人学基础、机器人智能感知、计算机视觉原理与应用等关联性比较强的课程进行联动教学，设计综合性强的实验方案，开展实验教学。通过综合性实验方案设计，优化教学组织，培养学生综合能力。

机器人学基础：传感器部分，主要讲授机器人传感器的特点、分类、典型机器人内传感器和外传感器的工作原理，如机器人的视觉装置，以及传感器在机器人中的应用等。机器人轨迹规划部分，讲授关节空间和笛卡儿空间中机器人运动的轨迹规划方法、轨迹生成方法。机械臂的作业有点到点（PTP）或者连续路径运动两种，如上下料、弧焊、曲面加工等。机器人编程部分，讲授Matlab的基本操作、常用函数等；使用Robotic工具箱，进行多自由度机械臂的建模、可视化运动仿真；工业机械臂操作的示教编程等。

计算机视觉原理与应用：主要讲授计算机视觉的理论和方法，培养学生掌握计算机视觉概念、基本组成、单目视觉系统、双目视觉系统和多目视觉系统的光学程序原理；计算机视觉系统的标定方法；数字图像的基本概念、图像滤波的基本原理及多种滤波模板；视觉系统开发软件、视觉系统典型案例等。

二  实验教学软件和硬件条件

课程实验教学设计方面，强化学生系统掌握所学的基础理论知识能力，力求做到实验的趣味性、实用性、难度适中。

（一）  多自由度机械臂

埃夫特机械臂作为学生进行运动规划和编程实验平台，具有结构紧凑、工作范围大、灵活性等特点。机械本体由底座部分、大臂与小臂部分、手腕部件和本体管线包部分组成，共有六个伺服电机驱动六个关节的旋转运动，共有六个自由度，能进行灵活的运动。机械臂各组成部分及各运动关节如图2所示。

（二）  视觉定位系统

双目视觉定位系统主要是由工业数字相机、镜头、光源和工控机等硬件设备组成。工业数字相机主要包括电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）相机 和 互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）相机两大种类。CCD 相机自身的灵敏度、分辨率、噪声控制等方面比 CMOS 相机优良，但 CMOS 相机具有成本低、功耗低、整合度高的优势。

（三）  软件平台

OpenCV（Open Source Computer Vision Library）是一种轻量级且高效的可跨平台的开源视觉算法库，是由一系列的 C 函数和一些 C++类组成，可以在 Linux、Windows、Android 等多种操作系统上运行，并且为多种类型的编程语言提供了应用接口，如 Python 语言、Matlab 语言、Ruby 语言等，实现了机器视觉和图像处理等方面多种语言算法的通用性。

三  多课程联动的综合性实验方案

本文设计一个多课程联动的综合性实验方案，并设计了基于视觉感知的机械臂PTP/连续轨迹规划与操作实验，如图3所示。通过综合性实验教学，培养学生系统掌握计算机视觉原理与应用、机器人学基础等专业课程中的重点教学内容。例如，图像识别算法，该算法针对视频图像进行预处理，使图像二值化，从而提取物体的外形轮廓，进而计算物体的中心位置，将物体的中心坐标通过串口或者网络传给机械臂，最后机械臂根据坐标位置抓取目标物体。该算法可利用OpenCV软件进行编程实现。又如，机器人学基础课程中机械臂运动学、视觉传感器、轨迹规划和机器人编程等章节教学内容。