机器人工程专业机械原理课程教学思考
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作者:刘善增
摘 要 随着机器人技术的发展，机器人已被广泛应用到生产生活中。为了迎合社会发展对机器人技术人才的急迫需要，近年来许多高校相继开展机器人工程专业的建设和招生培养工作。因此，针对机器人工程专业的特点和人才技能要求，分析机器人工程专业机械原理课程的教学内容、教学方法等问题，具有非常重要的现实意义。
关键词 机器人工程专业;机械原理;教学内容;教学方法
中图分类号：G642.3 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2019）22-0105-03
Discussion on Teaching Methods of Robot Technology Course//LIU Shanzeng
Abstract With the development and application of robot technology，various kinds of robots are widely used in the national economy and social life. In order to meet the urgent needs of robot technicians forsocial development， many colleges and universities have carried out the construction of robot engineering major and student training in recent years. Therefore， it is of great practical significance to analyze the teaching contents and teaching methods of the mechanical prin-ciple course of the robot engineering major based on the characteris-tics of the robot engineering major and the technical requirements of the robot technicians.
Key words robot engineering major; mechanical principles; teaching content; teaching method
1 前言
機器人技术是一个正在蓬勃发展的重要学术研究领域，也是一项被世界广泛关注的应用科学技术。机器人技术的研究和应用涉及机构学、机械动力学、传感信息技术、控制理论、计算机、人工智能、仿生学等广泛的学科领域[1]。随着各种类型或功能的机器人在世界范围内的广泛应用，社会各行业对机器人技术人才急迫需求的问题亟待解决[2]。基于前述原因，国内外许多高校相继开展了新工科机器人工程专业的建设和招生培养工作，以及机器人工程专业相关课程的设计和规划工作。其中，机械原理课程是机械工程机器人工程专业的一门专业主干课程，是机器人技术专业后续专业课程学习的必修课程和极其重要的学科基础课。因此，针对机器人工程专业的特点，开展机械原理课程的教学内容和教学方法的研究，具有重要的现实意义[3-4]。
2 教学内容分析
机械原理课程作为国家一级学科机械工程中机械设计及理论专业、机械设计制造及其自动化专业、机械电子工程专业等专业的一门专业主干课程，目前一般为60课时左右（包括课堂授课课时和实验课课时），主要教学内容为机械系统中机构的构成、机构的可动性分析、机构的运动分析、机构的力分析、机构的机械效率、平面连杆机构的设计方法、凸轮机构的设计方法、齿轮机构的设计方法、齿轮系的设计方法、其他常用机构简介，以及机械的平衡、机械的运转及其速度波动调节、机械系统的方案设计等。
机器人作为一种新型的机械装置或设备，其机械结构、单元组成以及运动分析、力分析等的基本原理和方法与其他机械系统没有本质区别。同时，机器人作为一种特殊的自动化或智能化机械设备，其机械结构形式、零部件组成、运动分析手段、力分析方法等又显著区别于一般机械系统。如在机器人工程专业课或机器人系统设计以及毕业设计中会广泛地用到矩阵运算、微分方程分析、三角函数求解、达朗贝尔原理、拉格朗日方程、牛顿—欧拉动力学等理论知识，或解析法分析空间运动机器人机构的位移、速度、加速度和力分析等问题[5]，而一般在其他机械工程专业的机械原理课程中的前述教学内容往往较少。因此，为了达到更好的教学效果，也更好地服务于如机器人动力学与控制课程、机器人系统设计课程等后续机器人专业课程的学习，有必要对机器人工程专业机械原理课程的教学内容和教学方法进行适当调整。
3 教学措施
从目前高校机器人工程专业机械原理课程的课时设计来看，其总课时（一般为50课时以内，包括课堂授课课时和实验课课时）较机械设计及理论、机械电子工程等专业机械原理课程的课时少。因此，根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020）年》、“卓越工程师教育培养计划”和《中国制造2025》实现制造强国战略目标的主旨精神，契合国家培养创新能力强、适应未来智能技术发展的工程技术人才的现实需要，提出机器人工程专业机械原理课程的教学措施。
删减陈旧知识 机械原理课程是国家一级学科机械工程专业的主干课程，有着悠久的历史沿袭，也是一门偏理论性的课程。所以，在诸多《机械原理》教材或授课内容安排上往往会存在一些较为陈旧的内容，或现实机械分析与设计中早已舍弃的方法，如凸轮机构图解法设计、机构运动或动力分析的图解法求解等。还有平面连杆机构运动分析的瞬心法、平面机构的高副低代等内容，这些内容对于机器人工程专业的学习来讲用处不大，所以没有必要占用太多宝贵的课时时间，在课程教学时可以舍弃或简要介绍或安排学生自学即可。 压缩烦冗章节 机器人工程专业学生的学习目标或工作的主要对象是机器人，显然，在进机械原理课程教学内容设计时要充分把握这条主线。由于机器人工程专业是近年刚开设的新工科专业，存在《机械原理》教材或教学内容沿用其他相近专业的情况，且机器人工程专业机械原理课程的课时又有所压缩，因此，在机器人系统分析、设计等学习、工作中用得到的重要机械原理知识或方法要多讲，反之就应少讲或略讲。如凸轮机构、平面四杆机构的作图设计、蜗轮蜗杆传动、机械的运转及其速度波动的调节等章节内容，都应该进行适当压缩或简化授课。
增添机器人基础知识 机器人是人类进入20世纪以来具有代表性的多学科交叉的边缘科学，它包括了机械、电、气、液、光学科，以及控制理论、图像识别、人工智能等广泛的领域。就机器人系统机械本体的分析和设计来讲，机器人专业的一些后续课程如机器人技术、机器人机械设计、机器人动力学分析与控制等，都需要用到高等数学、微分方程、数值分析及现代数学知识、理论力学、分析力学、矩阵理论等知识，进行机器人机构的工作空间、位移、速度、加速度、运动精度、机构刚度、运动性能、动态特性、驱动力/力矩、运动副反力等的分析研究[6]。为了便于后续课程的衔接和学生由浅入深地学习，在机械原理课程中适当增添相关前述知识的应用分析不失为一种良好途径。如空间机构自由度的计算、并联机构、柔顺机构、可重构/变胞机构、柔性机构、欠驱动/冗余机构等，都可以在机械原理课程中引入;平面机构运动分析的解析法、凸轮轮廓的解析设计法、机械系统的动力学方程的建立及求解等内容，都可做适当增加讲授，以初步引导学生运用数学手段解决机构学问题。也可以直接在机械原理课程中引入一些机器人基础知识，为学生后续课程的学习奠定良好基础。
引入机器人实例 随着科学技术的进步，机器人技术也日臻成熟，机器人在工业制造、资源开发、环境监测、救灾排险、医疗服务、家庭娱乐、军事国防和航天航空等领域都得到广泛应用，这些实例机器人为机械原理课程的教学提供了广阔的新素材。授课教师可以根据课堂授课的具体内容，选择能激发学生学习主动性和兴趣的机器人实例（包括机器人录像、三维模型和图片等）进行课堂内容的实例分析，通过理论知识与机器人实例相结合的方式激发学生学习积极性，提高教学质量。例如：在讲授机构自由度计算时，可以引入焊接机器人以及人体手、臂、腿、腰等自由度的计算;在讲授机械系统动力学方程的建立及求解时，可以通过分析平面二自由度绘画/写字机器人进行教学内容的阐述分析。
强化实验与现场教学 机械原理的主要内容皆是机构学的研究范畴，具有很强的实际工程应用背景。机械原理课程则是一门实践性很强的学科，课程中的很多内容也均来自工程实际或工程经验的总结，如平面连杆中的曲柄摇杆机构、双摇杆机构、曲柄滑块机构、导杆机构等，在雷达俯仰的调整装置、缝纫机的驱动装置、汽车前轮的转向机构、汽车发动机或内燃机、牛头刨机床等机械设备中存在大量应用。因此，在进行机械原理相关章节授课时，可以充分利用实验模型、实验道具或实际工程机械操作等，通过边演示边分析边操作的方式开展教学，以激发学生的求知欲以及实操能力，提升教学效率。而且，有条件的高等院校也可与相关企业开展教学联合基地建设，在教学过程中或假期期间进行实际机械设备的现场教学或机械操作能力的培养，以达到理论知识与实践经验的双提升。
采用启发式教学 启发式教学是一种创设问题情境、启发学生思维，培养学生学习能力的教学方法。从大量教学经验来看，启发式教学是一种比较适合于机械原理课程的授课方法。如通过给出脚踏缝纫机为什么会卡死、摇头风扇如何实现的摇头、雨伞如何实现的收放等问题，讲授平面四杆机构及其特性，启发学生思考谈论，再通过引导、分析、解答等较好地促使学生主动思考，并获取新知识。如前述结合日常生活中的机械小问题，进行相关机械原理知识的教学，对学生来说也容易理解和接受，可以极大地提升学生学习的主观能动性，从而达到良好的教学效果。
而且，机械原理课程中的很多知识点看似孤立，其实其中很多基本原理是相通的、一致的，存在必然联系。比如压力角的内容，在连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等的教学内容中都有涉及，尽管机构迥异，但判别各机构传力性能好坏的标准是一样的，分析或求解各机构压力角的原理方法也是一样的。在进行凸轮机构教学时，教师根据学生已有知识或实践经验（如已学连杆机构压力角的知识），提出问题（如：平底凸轮机构和滚子凸轮机构哪种机构的传动平稳性好），通过学生回答或讨论的方式，促使学生积极思考、获取新知識。总之，启发式教学能够使机械原理课堂呈现出浓厚的探讨氛围，易于建立师生之间的互动联系，可以达到良好的教学效果。
4 结语
针对机器人工程专业的特点，进行机器人工程专业机械原理课程教学内容和教学方法等问题的分析，提出一些具体教学措施，以促进国内机器人工程专业机械原理课程教学效果的改善和课程教改的深入研究。
参考文献
[1]刘善增.少自由度并联机器人机构动力学[M].北京：科学出版社，2015.
[2]王玉珏.我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究[D].兰州：兰州大学，2013.
[3]刘善增，李艾民，冯世哲，等.增强机械类基础课程教学效果方法探讨[J].中国教育技术装备，2017（4）：83-85.
[4]刘善增，冯世哲，付顺玲，等.机械类基础课程师生共进式有效教学策略分析[J].中国教育技术装备，2017（20）：100-102.
[5]克拉格.机器人学导轮[M].北京：机械工业出版社，2005.
[6]马克，哈钦森，维德雅瑟格，等.机器人建模和控制[M].贾振中，徐静，付成龙，等，译，北京：机械工业出版社，2016.
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