我校“机器人控制”课程建设的一些举措

第３４卷第４期　２０１２年８月　电气电子教学学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＥＥＥ　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１２　

我校“机器人控制＂课程建设的一些举措　

王建文，何晓峰，沈辉，马宏绪　

（国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙４１００７３）　

摘要：本文讨论了我校开设的“机器人控制”课程所存在的一些不足，主要是缺少适用于课程教学的多媒体教学课件和适用于实践教学的实验　设备。笔者提出“机器人控制”课程教学手段还应包括物理概念动画演示和机器人运动仿真模拟，以及其它具体的解决方案，现正在逐步实　施，所取得的成果也已应用于实际教学中。实践表明，该课程建设方案是合理的。　关键词：课程建设；机器人控制技术；实践教学　中图分类号：Ｇ４２３．０７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８－０６８６（２０１２）０４－００３２－０３　

Ｓｏｍｅ　Ｓｃｈｅｍｅｓ　ｏｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｒｏｂｏｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｕｒｓｅ　

ＷＡＮＧ　Ｊｉａｎ—ｗｅｎ，ＨＥ　Ｘｉａｏ—ｆｅｎｇ，ＳＨＥＮ　Ｈｕｉ，ＭＡ　Ｈｏｎｇ－ＸＵ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＤｅｆｅｎｓｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００７３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒｓ　ｐｏｉｎｔ　ｏｕｔ　ｓｏｍｅ　ｆｌａｗｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｒｏｂｏｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃｏｕｒｓｅ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　

ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ａｓ　ｌａｃｋｉｎｇ　ａ　ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ　ｃｏｕｒｓｅｗａｒｅ　ｓｕｉｔｅｄ　ｆｏｒ　ｃｏｕｒｓｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　

ｓｕｉｔｅｄ　ｆｏｒ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｂｅｓｉｄｅｓ　ｔｈｅｍ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈａｔ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｒｏｂｏｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈ．　

ｎｏｌｏｇｙ　ｃｏｕｒｓｅ　ｓｈｏｕｌｄ　ａｌｓｏ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｓｈｏｗｉｎｇ　ａｎｉｍａｔｉｏｎｓ　ａｂｏｕｔ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｎｇ　ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ａ　

ｒｏｂｏｔ　ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｎ，ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｕｐ　ｔｈｅｓｅ　ｆｌａｗｓ，ｗｅ　ｐｒｏｐｏｓｅ　ｓｏｍｅ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｂｅｉｎｇ　

ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｆｒｕｉｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅｓｅ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ａｒｅ　ｂｅｉｎｇ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｔｅａｃｈ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｗａｙ，　

ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒｓ　ｖａｌｉｄａｔｅ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ｂｙ　ｐｒａｃｔｉｃｅ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｕｒｓｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｒｏｂｏｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　

在高校开设“机器人控制”课程对学生的教育　

具有非常重要的意义。该课程是形象思维培养的媒　

介，也是动手能力和创新能力培养的平台，通过实　

践，能够让学生学到很多书本上没有的知识　。　

１机器人课程现状　

为了解国内外高校开设机器人课程的现状，有　

必要介绍美国著名高校的机器人课程：①ＭＩＴ的机　

器人课程是本科生必修课程，课堂讲解３４个学时、　

实验教学２２个学时；②Ｓｔａｎｆｏｒｄ大学的机器人课程　

也是本科生必修课程，教学形式是课堂讲解和阅读，　

总学时数为４３个学时；③ＣＭＵ的机器人课程也是　本科生的必修课程，课堂讲解每周１．５个学时，实验　

教学每周１个学时；④ＵＣ．Ｂｅｒｋｅｌｅｙ的机器人课程是　

研究生的必修课程，课堂讲解每周３个学时，实验教　

学每周１个学时，课堂讨论每周１个学时；＠ｃｒｒ的　

机器人课程是本科生的必修课程，教学形式是课堂　

讲解、实验教学和课堂讨论相结合，总学时数为４２　

个学时。此外，ＭＩＴ的机器人课程教学还非常注重　

实践，学生在学习每门课程的过程中均要展示自己　

设计的机器人　Ｊ。　

在国内，哈尔滨理工大学对“机器人控制技术”　

课程的建设做了大量工作：①制作了丰富多样的多　

媒体教学课件；②设计了贯穿整个教学过程的教学　

修稿日期：２０１１－ｌ１－１０；修回日期：２０１２－０４－０８　第一作者：王建文（１９７９一），男，讲师，博士，主要从事智能机器人系统研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｊｉａｎｗｅｎ７９２１＠ｓｉｎａ．ｃｏｌ

ｎ　第４期　王建文，何晓峰，沈辉，马宏绪：我校“机器人控制”课程建设的二些　堂　一——　

案例；③利用交互式提问和类比等方式加强分析讨　

论，培养了学生研究性学习的理念；④开发了设计　

型、研究型实验，促进了研究式教学，为学生提供了　

理论联系实际的平台；⑤制定了合理的考核指标和　

监督体系，保证了课程建设的质量；⑥采用了现代　

信息技术支撑课程建设。　

我校于１　９８７年开始从事机器人研究工作，在仿　

人机器人、四足仿生机器人、履带地面移动机器人、　

足球机器人和无人飞行器等方面都取得了卓越成　

绩。其中，仿人机器人研究一直处于国内领先水平，　

履带地面移动机器人和足球机器人多次参加国内、　

国际机器人大赛，获得了多项大奖。在机器人课程　

教学方面，我校也开设了一系列机器人课程，如“机　

器人控制”课程是控制科学与工程学科研究生的选　

修课程，共计３６学时。课程教学３０学时，实践教学　

６学时。选用了文献［４］作为本课程教材。实践教　

学中，要求学生参观机器人实验室，安排与机器人专　

业高年级研究生及教师讨论机器人相关技术问题。　

我校的“机器人控制”课程存在以下一些不足：　

①缺少适用于课程教学的多媒体教学课件；②缺乏　

适用于实践教学的实验设备和机器人运动仿真模拟　

设备。针对这一现状，我校从整体上提出了如下的　

课程建设方案。　

２“机器人控制＂课程建设方案　

２．１课程教学方案　

（１）系统组织课程教学内容一课程教学内容首　

先沿两条线进行组织。其中一条线讲解如何利用齐　

次坐标和齐次矩阵来描述刚体上一点的位置和速　

度，另一条线讲解如何利用旋量和矩阵指数来描述　

刚体上一点的位置和速度。通过上述类比，学生很　

容易接受旋量和矩阵指数这种描述形式。然后，课　

程教学内容以旋量和矩阵指数为数学工具逐步展　

开，从单刚体逐渐延拓到多刚体，分别描述了机械臂　

的运动学模型和动力学模型。最后，课程教学内容　

跳出刚体模型描述范畴，回归到控制学科的核心：控　

制问题上，以机械臂动力学模型为基础设计了三种　

控制算法。　

（２）明确课程教学知识点一课程教学知识点主　

要包括刚体上一点的位置和速度描述、机械臂运动　

学建模、机械臂动力学建模和机械臂控制算法设计　

四部分，这四个教学知识点以串行方式进行组织。　（３）设计合理的课程教学案例一考虑到实践教　

学只有６学时，所以课程教学案例就以实验设备为　

对象进行设计。　

（４）制作多媒体课件一在上述材料均准备充分　

后，利用Ｐ　软件制作了多媒体课件。　

２．２　实验设备建设方案　

为了培养学生的动手能力和实践能力，我校研　

制了“机器人控制”课程所需的实验设备。该实验　

设备是一个四自由度的机械臂（重３千克，长０．６５　

米）关节采用直流电机驱动，传动方式是谐波减速　

器和齿轮。其中，电机输出轴首先连接齿轮，然后齿　

轮再带动谐波减速器运动；机械臂前端装有快速夹　

持、剪切机构，能够快速响应、捕获、剪切目标，所有　

线缆均埋藏在机械臂连杆空腔内；关节控制器基于　

ＤＳＰ自行设计，可以实现位置反馈、速度反馈和电流　

反馈控制；选用ＰＣ一１０４小板机作为主控器，关节控　

制器与主控器间通过Ｃａｎ总线进行通信；机械臂主　

控程序采用ＶＣ编写，预留运动规划算法接口和控　

制算法接口，供学生编写和调试运动规划算法和控　

制算法。　

２．３物理概念演示动画建设方案　

“机器人控制”课程讲述的是刚体运动的表示　

方法及其应用，因此它与实际系统是紧密联系的。　

如果能够展示出实际系统的运动过程，那么学生对　

抽象物理概念和公式的理解将更加容易和直观。为　

了展示出实际系统的运动过程，在充分利用多媒体　

课件的基础上，使用３Ｄ　Ｍａｘ软件制作了本课程所　

涉及到的物理概念的演示动画。　

４）机器人仿真系统建设方案　

“机器人控制”课程实践教学仅有６学时，我校　研制了两套实验设备。为了保证每位学生均能独立　

完成实验，本课程采用了Ｍａｔｌａｂ软件开发机器人仿　

真系统。该仿真系统中包含了大量的函数，这些函　

数涵盖了本课程所有知识点，使用时直接调用即可。　

另外，该仿真系统还提供了运动规划算法和控制算　

法集成验证环境，预留了运动规划算法接口和控制　

算法接口，并能以曲线、图形形式显示机械臂运动过　

程。这样，学生就可以首先利用它来验证运动规划　

算法和控制算法的正确性，然后再在实际系统上调　

试验证　Ｊ，可节省实验调试时间。此外，机器人仿　

真系统还可以弥补动画演示的不足，用于演示复杂　

的机械臂运动过程和实现交互式仿真演示。　

（下接第４５页）

　第４期　张岭，邵天章，杨润生，王文婷：“电路分析”　堡关联塾堂　一竺　

２．３基于能力素质培养的关联教学　

（１）设计综合设计性实验，创设问题情境并组　

织讨论，引入计算机辅助设计工具，进行电路的虚拟　

仿真实验。通过电路仿真强化基本概念、基本原理、　

基本电路和基本分析方法的学习，培养学生设计电　

路、分析电路和进行数据处理的能力。　

“电路分析”课程与后续“模拟电子技术”及“数　

字电子技术”等课程密切相关。我们采用基于问题　

式教学法的交互式教学模型，通过给学生合理设计　

含有运放和动态元件的综合问题，并辅以计算机仿　

真验证的教学手段。　

（２）对新型基本电路元件在装备中的应用进行　

科研学术研究，遵循教学应与科研结合，科研应服务　

教学的教研相长规律，引入设计式教学法对科研成　

果进行关联教学实践与创新，促进“电路分析”课程　

教学内容和体系的改革与更新　。　

随着数字电路的广泛应用，在“电路分析”课程　

中对数字电路的基本概念和基本分析方法应亍关　

注。以新型数控电位器、数控电容器和数控电感　

器　为例开展与传统电位器、电容器和电感器的　

对比教学，说明其在科学研究中的应用优势。针对　

电气工程及其自动化专业面向的系统阐述自激异步　

发电在野战电力支持系统中的发展优势，引伸出自　

励电容的概念，阐述基本元件工作原理掌握的重要　

性及与后续课程的相关性　。　

３关联教学实施效果　

我们在授课过程中，将与“电路分析”教学关联　教学有关的“大学物理”、“电子技术”、“电机学”、　

“内燃机电站构造”、“电力系统自动化”和“供配电　

技术”等１０余门课程中的关联教学知识点２０多个　

（零输入响应和零状态响应的概念、运算放大器电　

路、互感与变压器电路等）以及科研项目中有关“电　

路分析”知识点的创新性科研成果引入课堂，充分　

应用于教学实践。