工业机器人论文篇1
本文作者：工作单位：安徽埃夫特智能装备有限公司
从控制系统设计角度来说，可以采用辩证法内外因基本原理来分析影响重载机器人控制品质的因素，首先，如果系统存在动力学耦合、柔性等非线性因素，仅仅采用传统的线性控制很难获得良好的控制品质，底层伺服回路的控制缺陷是影响机器人控制品质的内因。第二，如果运动规划环节处理不当，传输给底层运动控制回路的运动指令不合理，即存在位置不连续，速度不连续，加速度跃变等情况，对系统会产生严重的冲击，即便底层伺服控制设计再优秀，同样也会严重影响系统控制品质，这就是所谓的外因。下面就从内外因角度对目前在机器人运动规划和底层伺服控制方面的相关进展进行综述。机器人运动规划方法运动规划与轨迹规划是指根据一定规则和边界条件产生一些离散的运动指令作为机器人伺服回路的输入指令。运动规划的输入是工作空间中若干预设点或其他运动学和动力学的约束条件；运动规划的输出为一组离散的位置、速度和加速度序列。运动规划算法设计过程中主要需要考虑以下三个问题：（1）规划空间的选取：通常情况下，机器人轨迹规划是在全局操作空间内进行的，因为在全局操作空间内，对运动过程的轨迹规划、避障及几何约束描述更为直观。然而在一些情况下，通过运动学逆解，运动规划会转换到关节空间内完成。在关节空间内进行运动规划优点如下：a.关节空间内规划可以避免机构运动奇异点及自由度冗余所带来种种问题[1-4]；b.机器人系统控制量是各轴电机驱动力矩，用于调节各轴驱动力矩的轴伺服算法设计通常情况也是在关节空间内的，因此更容易将两者结合起来进行统一考虑[5,6]；c.关节空间运动规划可以避免全局操作空间运动规划带来的每一个指令更新周期内进行运动规划和运动学正逆计算带来的计算量，因为如果指令更新周期较短，将会对CpU产生较大的计算负荷。（2）基础函数光滑性保证：至少需要位置指令C2和速度指令C1连续，从而保证加速度信号连续。不充分光滑的运动指令会由于机械系统柔性激起谐振，这点对高速重载工业机器人更为明显。在产生谐振的同时，轨迹跟踪误差会大幅度增加，谐振和冲击也会加速机器人驱动部件的磨损甚至损坏[7]。针对这一问题，相关学者引入高次多项式或以高次多项式为基础的样条函数进行轨迹规划，其中Boryga利用多项式多根的特性，分别采用5次、7次和9次多项式对加速度进行规划，表达式中仅含有一个独立参数，通过运动约束条件，最终确定参数值，并比较了各自性能[8]。Gasparetto采用五次B样条作为规划基础函数，并将整个运动过程中加速度平方的积分作为目标函数进行优化，以确保运动指令足够光滑[9]。刘松国基于B样条曲线，在关节空间内提出了一种考虑运动约束的运动规划算法，将运动学约束转化为样条曲线控制顶点约束，可保证角度、角速度和角加速度连续，起始点和终止点角速度和角加速度可以任意配置[10]。陈伟华则在Cartesian空间内分别采用三次均匀B样条，三次非均匀B样条，三次非均匀有理B样条进行运动规划[11]。（3）运动规划中最优化问题：目前常用的目标函数主要为运行时间、运行能耗和加速度。其中关于运行时间最优的问题，较为经典是Kang和mckay提出的考虑系统动力学模型以及电机驱动力矩上限的时间最优运动规划算法，然而该算法加速度不连续，因此对于机器人来说力矩指令也是不连续的，即加速度为无穷大，对于真实的电驱伺服系统来说，这是无法实现的，会对系统产生较大冲击，大幅度降低系统的跟踪精度，对机械本体使用寿命也会产生影响[12]。针对上述问题Constantinescu提出了解决方法，在考虑动力学特性的基础上，增加对力矩和加速度的约束，并采用可变容差法对优化问题进行求解[13]。除了以时间为优化目标外，其他指标同样被引入最优运动规划模型中。martin采用B函数，以能耗最少为优化目标，并将该问题转化为离散参数的优化问题，针对数值病态问题，提出了具有递推格式的计算表达式[14]。Saramago则在考虑能耗最优的同时，将执行时间作为优化目标之一，构成多目标优化函数，最终的优化结果取决于两个目标的权重系数，且优化结果对于权重系数选择较为敏感[15]。Korayem则在考虑机器人负载能力，关节驱动力矩上限和弹性变形基础上，同时以在整个运行过程中的位置波动，速度波动和能耗为目标，给出了一种最优运动规划方法[6]，然而该方法在求解时，收敛域较小，收敛性较差，计算量较大。
考虑部件柔性的机器人控制算法机器人系统刚度是影响动态性能指标重要因素。一般情况下，电气部分的系统刚度要远远大于机械部分。虽然重载工业机器人相对于轻型臂来说，其部件刚度已显著增大，但对整体质量的要求不会像轻型臂那么高，而柔性环节仍然不可忽略，原因有以下两点：（1）在重载情况下，如果要确保机器人具有足够的刚度，必然会增加机器人部件质量。同时要达到高速高加速度要求，对驱动元件功率就会有很高的要求，实际中往往是不可实现（受电机的功率和成本限制）。（2）即使驱动元件功率能够达到要求，机械本体质量加大会导致等效负载与电机惯量比很大，这样就对关节刚度有较高的要求，而机器人关节刚度是有上限的（主要由减速器刚度决定）。因此这种情况下不管是开链串联机构还是闭链机构都会体现出明显的关节柔性[16,17]，在重载搬运机器人中十分明显。针对柔性部件带来的系统控制复杂性问题，传统的线性控制将难以满足控制要求[17-19]，目前主要采用非线性控制方法，可以分成以下几大类：（1）基于奇异摄动理论的模型降阶与复合控制首先针对于柔性关节控制问题，美国伊利诺伊大学香槟分校著名控制论学者markw.Spong教授于1987年正式提出和建立柔性关节的模型和奇异摄动降阶方法。对于柔性关节的控制策略绝大多数都是在Spong模型基础上发展起来的。由于模型的阶数高，无法直接用于控制系统设计，针对这个问题，相关学者对系统模型进行了降阶。Spong首先将奇异摄动理论引入了柔性关节控制，将系统分成了慢速系统和边界层系统[20]，该方法为后续的研究奠定了基础。wilson等人对柔性关节降阶后所得的慢速系统采用了pD控制律，将快速边界层系统近似为二阶系统，对其阻尼进行控制，使其快速稳定[21]。针对慢速系统中的未建模非线性误差，amjadi采用模糊控制完成了对非线性环节的学习[22]。彭济华在对边界层系统提供足够阻尼的同时，将神经网络引入慢速系统控制，有效的克服了参数未知和不确定性问题。连杆柔性会导致系统动力学方程阶数较高，Siciliano和Book将奇异摄动方法引入柔性连杆动力学方程的降阶，其基本思想与将奇异摄动引入柔性关节系统动力学方程一致，都将柔性变形产生的振动视为暂态的快速系统，将名义刚体运动视为准静态的慢速系统，然后分别对两个系统进行复合控制，并应用于单柔性连杆的控制中[23]。英国Sheffield大学a.S.morris教授领导的课题组在柔性关节奇异摄动和复合控制方面开展了持续的研究。在2002年利用Lagrange方程和假设模态以及Spong关节模型建立柔性关节和柔性连杆的耦合模型，并对奇异摄动理论降阶后的慢速和快速子系统分别采用计算力矩控制和二次型最优控制[24]。2003年在解决柔性关节机器人轨迹跟踪控制时，针对慢速系统参数不确定问题引入RBF神经网络代替原有的计算力矩控制[25].随后2006年在文献[24]所得算法和子系统模型的基础上，针对整个系统稳定性和鲁棒性要求，在边界层采用Hinf控制，在慢速系统采用神经网络算法，并给出了系统的稳定性分析[26]。随着相关研究的开展，有些学者开始在奇异摄动理论与复合控制的基础上作出相应改进。由于奇异摄动的数学复杂性和计算量问题，Spong和Ghorbel提出用积分流形代替奇异摄动[27]。针对奇异摄动模型需要关节高刚度假设，在关节柔度较大的情况下，刘业超等人提出一种刚度补偿算法，拓展了奇异摄动理论的适用范围[28]。（2）状态反馈和自适应控制在采用奇异摄动理论进行分析时，常常要同时引入自适应控制律来完成对未知或不精确参数的处理，而采用积分流形的方式最大的缺点也在于参数的不确定性，同样需要结合自适应控制律[29,30]。因此在考虑柔性环节的机器人高动态性能控制要求下，自适应控制律的引入具有一定的必要性。目前对于柔性关节机器人自适应控制主要思路如下：首先根据Spong模型，机器人系统阶数为4，然后通过相应的降阶方法获得一个二阶的刚体模型子系统，而目前的大多数柔性关节自适应控制律主要针对的便是二阶的刚体子系统中参数不确定性。Spong等人提出了将自适应控制律引入柔性关节控制，其基于柔性关节动力学奇异摄动方程，对降阶刚体模型采用了自适应控制律，主要采用的是经典的Slotine-Li自适应控制律[31]，并通过与Cambridge大学Daniel之间互相纠正和修改，确立一套较为完善的基于奇异摄动模型的柔性关节自适应控制方法[32-34]。（3）输入整形控制输入整形最原始的思想来自于利用posicastControl提出的时滞滤波器，其基本思想可以概括为在原有控制系统中引入一个前馈单元,包含一系列不同幅值和时滞的脉冲序列。将期望的系统输入和脉冲序列进行卷积,产生一个整形的输入来驱动系统。最原始的输入整形方法要求系统是线性的，并且方法鲁棒性较差，因此其使用受到限制。直到二十世纪九十年初由mit的Signer博士大幅度提高该方法鲁棒性，并正式将该方法命名为输入整形法后[35]，才逐渐为人们重视，并在柔性机器人和柔性结构控制方面取得了一系列不错的控制效果[36-39]。输入整形技术在处理柔性机器人控制时，可以统一考虑关节柔性和连杆柔性。对于柔性机器人的点对点控制问题，要求快速消除残余振荡，使机器人快速精确定位。
这类问题对于输入整形控制来说是较容易实现的，但由于机器人柔性环节较多，呈现出多个系统模态，因此必须解决多模态输入整形问题。相关学者对多模态系统的输入整形进行了深入研究。多模态系统的输入整形设计方法一般有:a)级联法：为每个模态设计相应的滤波器，然后将所有模态的时滞滤波器进行级联,组合成一个完整的滤波器，以抑制所有模态的振荡；b)联立方程法:直接根据系统的灵敏度曲线建立一系列的约束方程，通过求解方程组来得到滤波器。这两种方法对系统的两种模态误差均有很好的鲁棒性。级联法设计简单，且对高模态的不敏感性比联立方程法要好；联立方程法比较直接，滤波器包含的脉冲个数少,减少了运行时间。对于多模态输入整形控制Singer博士提出了一种高效的输入整形方法，其基本思想为：首先在灵敏度曲线上选择一些满足残留振荡最大幅值的频段，在这些特定的频带中分别选择一些采样频率，计算其残留振荡；然后将各频率段的残留振荡与期望振荡值的差平方后累加求和，构成目标函数，求取保证目标函数最小的输入整形序列。将频率选择转化为优化问题，对于多模态系统，则在每个模态处分别选择频率采样点和不同的阻尼系数，再按上述方法求解[40]。SungsooRhim和wayneBook在2004年针对多模态振动问题提出了一种新的时延整形滤波器，并以控制对象柔性模态为变量的函数形式给出了要消除残余振动所需最基本条件。同时指出当滤波器项数满足基本条件时，滤波器的时延可以任意设定，消除任何给定范围内的任意多个柔性振动模态产生的残余振动，为输入整形控制器实现自适应提供了理论基础[41]，同时针对原有输入整形所通常处理的点对点控制问题进行了有益补充，m.C.Reynolds和p.H.meckl等人将输入整形应用于关节空间的轨迹控制，提出了一种时间和输入能量最优的轨迹控制方法[42]。（4）不基于模型的软计算智能控制针对含有柔性关节机器人动力学系统的复杂性和无法精确建模，神经网络等智能计算方法更多地被引入用于对机器人动力学模型进行近似。Ge等人利用高斯径向函数神经网络完成柔性关节机器人系统的反馈线性化，仿真结果表明相比于传统的基于模型的反馈线性化控制，采用该方法系统动态跟踪性能较好，对于参数不确定性和动力学模型的变化鲁棒性较强，但是整个算法所用的神经网络由于所需节点较多，计算量较大，并且需要全状态反馈，状态反馈量获取存在一定困难[43]。孙富春等人对于只具有关节传感器的机器人系统在输出反馈控制的基础上引入神经网络，用于逼近机器人模型，克服无法精确建模的非线性环节带来的影响，从而提高机器人系统的动态跟踪性能[44]。a.S.morris针对整个柔性机器人动力学模型提出了相应的模糊控制器，并用Ga算法对控制器参数进行了优化，之后在模糊控制器的基础上，综合了神经网络的逼近功能对刚柔耦合运动进行了补偿[45]。除采用神经网络外，模糊控制也在柔性机器人控制中得以应用。具有代表性的研究成果有V.G.moudgal设计了一种具有参数自学习能力的柔性连杆模糊控制器，对系统进行了稳定性分析，并与常规的模糊控制策略进行了实验比较[46]。Lin和F.L.Lewis等人在利用奇异摄动方法基础上引入模糊控制器，对所得的快速子系统和慢速子系统分别进行模糊控制[4748]。快速子系统的模糊控制器采用最优控制方法使柔性系统的振动快速消退，慢速子系统的模糊控制器完成名义轨迹的追踪，并对单柔性梁进行了实验研究。trabia和Shi提出将关节转角和末端振动变形分别设计模糊控制器进行控制，由于对每个子系统只有一个控制目标，所以模糊规则相对简单，最后将两个控制器的输出进行合成，完成复合控制，其思想与奇异摄动方法下进行复合控制类似[49]。随后又对该算法进行改进，同样采用分布式结构，通过对输出变量重要性进行评估，得出关节和末端点的速度量要比位置量更为重要，因此将模糊控制器分成两部分，分别对速度和位置进行控制，并利用nelderandmeadSimplex搜索方法对隶属度函数进行更新[50]。采用基于软计算的智能控制方法相对于基于模型的控制方法具有很多优势，特别是可以与传统控制方法相结合，完成对传统方法无法精确建模的非线性环节进行逼近，但是目前这些方法的研究绝大部分还处于仿真阶段，或在较简单的机器人（如单自由度或两自由度机器人）进行相关实验研究。其应用和工程实现受限的主要原因在于计算量大，但随着处理器计算能力的提高，这些方法还有广泛的应用前景。
工业机器人论文篇2
一、智能机器人
机器人是一种可编程和多功能的，用来完成搬运、安装、焊接、切割等不同任务的操作机，或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统[3]。智能机器人则是一个在感知、反应、思维方面全面模拟人的机器系统，融合了机械、电子、传感器、计算机、仿生学、自动控制、人工智能等多学科知识的复杂智能机械，可以代替人从事危险复杂的工作，例如在工业、农业、军事、航天、医疗等多个领域大显身手。目前，各国正加快智能机器人技术的创新与发展，如美国再工业化和工业互联网战略、德国工业4.0战略、日本机器人新战略、韩国机器人强国战略等，机器人技术引领当今科技和产业发展态势。中国通过制定“互联网+”行动计划、“中国制造2025”发展目标、“十三五”规划，，将机器人和智能制造纳入了国家科技创新的优先重点领域[4][5]。
二、“智能机器人”和“智能控制”主题热点搜索
本文以“智能机器人”和“智能控制”为主题进行“学术研究热点”检索，检索结果显示了按照热度值排序的热点主题相关的主要知识点、主题学科名称、热度值、主要文献数、相关国家课题数、主要研究人员数和主要研究机构数。“智能机器人”相关知识点主要有移动机器人、工业机器人、仿人机器人、服务机器人、机器人导航、远程操作、人工智能、神经网络、模糊控制等知识点。
智能化是机器人控制和产业创新发展的重点。关于“智能控制”的热点知识主要包括模糊控制、神经网络、遗传算法、学习控制、自适应控制、变结构控制、预测控制、专家系统、非线性系统等知识点，这些知识点代表着“智能机器人”主要研究方向。
三、“智能机器人”和“智能控制”主题学术趋势和研究发展
CnKi数字图书馆提供“学术趋势”检索功能，为科研工作者了解“智能机器人”发展趋势提供了非常好的工具。本文通过“学术趋势”功能检索“智能机器人”和“智能控制”主题的学术趋势，图中不仅提供学术关注度，还提供热门被引文章供读者深度研究。图2显示智能机器人和智能控制方面的从1997年至2015年论文收录量逐年增大，2015年收录量达1343篇。读者可以从图2中及时掌握每年学术热点论文，从中深入学习“智能机器人”的具体研究方法和科研理论，为理论创新寻找突破口。
另外，CnKi数字图书馆还具有“指数”功能，通过对“智能机器人”和“智能控制”主题进行检索，得到以下各项信息：
“学术关注度”和“媒体关注度”是我们进行科学研究时比较关注的两个方面。通过对关注度的分析发现最近三年科研工作者和媒体对智能机器人的关注度剧增，预示着国家加大了“智能机器人”领域的投入和研究力度。
“关注文献”和“研究进展”搜索功能为读者提供了当前“智能机器人”领域高被引论文、下载量比较大的论文以及最新相关论文，为科研工作者迅速把握“智能机器人”研究的内容和研究趋势提供帮助。
“学科分布”为读者提供“智能机器人”和“智能控制”在不同学科领域的研究情况和“相关词”的统计情况。通过分析可知，移动机器人、智能制造、人工智能、路径规划、机器视觉、图像处理、虚拟现实、语音识别、声源定位等是分布在不同学科领域的“智能机器人”相关词，也是“智能机器人”目前重要的学术研究方向；单片机、模糊控制、神经网络、智能家居、智能电网、物联网、RFiD、ZigBee、无线传感器网络、智能交通等是分布在不同学科领域的“智能控制”的相关词。因此，我们通过它们可以了解到跨学科智能机器人的研究动向。
“机构分布”显示了哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、上海交通大学、清华大学、浙江大学、中国科学院沈阳自动化研究所等多所研究机构是文献的主要提供单位，这为读者认识机器人研究机构提供参考。
结论
CnKi数字图书馆提供的“学术研究热点”、“学术趋势”和“指数”功能为我们展示了“智能机器人”和“智能控制”的研究热点和学术研究方向，为读者科研选题和科学研究提供学术参考。通过对“智能机器人”关键知识点的、经典科研论文和最新科研论文的深度分析，探索和挖掘智能机器人发展的技术空白点，发现最新研究方向。目前大学图书馆的资源整合和智能搜索功能还比较弱，需要进一步加强图书馆智能搜索引擎的构建和其他智能交互平台建设才能提高图书馆资源利用率和服务效能。
参考文献：
[1]陈臣.基于大数据的图书馆个性化智慧服务体系构建[J].情报资料工作，2013，06：75-79.
[2]王长全，艾雰.云计算环境下的数字图书馆信息资源整合与服务模式创新[J].图书馆工作与研究，2011，01：48-51.
[3]任福继，孙晓.智能机器人的现状及发展[J].科技导报，2015（21）.
工业机器人论文篇3
关键词：人文教育；科学教育；融合；机器人队
“十三五”期间对高等教育发展提出了许多新要求和目标，其实现的基本路径是深化教育领域的综合改革，优化教育教学模式，重视教育教学过程和环节的丰富与创新，将人文教育和科学教育与第一课堂、第二课堂、科技竞赛以及学生活动相融合，更好地实现全人教育的探索之路。
一、人文教育与科学教育相融合的意义
人文教育主要是对人进行人文知识、思想道德和文化精神的教育，强调人性的培育和精神世界的丰富。而科学教育主要是进行自然科学知识的传授和技术创新的教育，强调严密的逻辑思维、系统化的科学知识以及物质财富的创造能力。任何教育都不应该区分进行，教育的本质是以学生的成长成才为核心，重视学生的全人培养。科学教育中，人文精神的渗透为科学知识的学习提供强大的精神动力，帮助学生树立正确的价值观，狭隘的科学教育无法完成学生对人类有益的持续创造性培养；而在人文教育中，同样需要科学的理性思维的支撑，狭隘的人文教育也无法带给学生持久的价值感和理性逻辑。
二、电子科技大学校机器人队培养模式
以我校机器人队为例，依托2002年起步的一项亚太大学生机器人大赛和国内选拔赛，十五年的时间里，我校已培养了约300名机器人队正式队员，其中70%以上的学生在毕业后出国或在国内深造，毕业后均进入优秀的企业或自主创业。机器人队培养模式是科学教育和人文教育融合并重的实际案例。大学的培养离不开精神引领和塑造，“勤为径，创新求胜；苦作舟，荣辱与共”的机器人队精神，通过十五年的凝练和传承，影响了一届又一届的队员和机器人爱好者。经过十五年的探索和完善，机器人队培养已建立一套完备健全的体系（如图1所示）。机器人队相关培养活动不止是通过实践平台提升学生的专业技术和科研水平，在这个体系中，既重视平台的搭建和打造，整个氛围的营造和文化活动的开展，又重视学生团队的自我适应能力、协作能力和创造力的培养与挖掘；既重视依托培训、赛事、活动等实践，又重视创新成果的总结和提升。整个体系由培养平台、氛围营造、训练平台、学生团队、实践平台等5个层面构建而成，涵盖15个方面的丰富内容，三大学生项目基金支撑贯穿于整个培养过程，固化并升华了学生机器人的科创成果。
（一）依托学校工程训练中心硬件平台，促进学生的发展
学校工程训练中心现有加工中心、数控车床、数控铣床、普通车床、普通铣床、钻床、折弯机、剪板机、冲床、交流弧焊机、电工技术实验台、电气维修实训台、传感器综实验台、慧鱼及博创机器人创新实验模块组件等近2000套设备仪器，价值2000多万元。基于“基础型、综合型、创新型”的层次化实训教学体系，分别设置了基础工程训练、综合训练、创新训练及职业技能训练等四个层次，培养学生的基本工程素质与实践技能、理论联系实际的科学思维方法以及探索知识与勇于创新的精神，促进学生专业知识、能力与素质的协调发展。
（二）彰显机器人的鲜明特色，营造机器人三位一体氛围
每年通过校园“创新创业周展”“年度获奖机器人展”“高校科技夏令营展”等途径，展出机器人，宣传机器人成果，树立文化标杆。让机器人文化像诗歌、电影等一样，成为一种流行。建设学院“机器人文化馆”和“机器人展厅”，展出历年自主研发的优秀机器人，积淀机器人成果，将历届机器人队实体成果和精神结晶传承。同时重视机器人Logo的印记影响。通过校园宿舍走廊机器人装扮文化和机器人标示，传递机器人文化。宿舍的多彩装扮，门把手上的温馨提醒，学校的各项重要活动……机器人的logo无处不在。另外，机器人论坛、机器人校庆周活动不断丰富着我校机器人文化。
（三）加强系列理论培训，搭建由易及难的赛事平台
加大技术培训系列活动的同时，通过由易及难的比赛题目，开展训练和选拔。通过新生杯电子设计竞赛，学院机械创新设计大赛等赛事，让学生迅速入门。然后，通过全校性巡线机器人大赛实现技术进阶。低年级学生组队，机器人队成员和科协成员通过宣讲会、题目解析会、答疑解难会等方式帮助低年级学生完成作品。巡线机器人大赛已成为我校影响力最大、参与学生最多的学生自发组织的品牌赛事。
（四）全力开展机器人队备战赛事，培养机器人技术骨干精英
由于学生组成的多元化，跨学科交流是培养的另一种尝试。每年机器人队成员有来自机械、电气、工业工程、计算机、电子信息、通信等工科专业的学生，也有外国语、管理、数学等专业学生。整个备赛过程约10个月时间，集中在机器人基地开展。20～30人组成的机器人队，分为软件组、机械组、控制组以及协调组，依据个人特长分工完成相应任务，同时做好配合，完成预计方案设计的机器人。其中机构设计、加工，器材的选型、购买、报账、入库，设备器材使用、维修、报废，机器人联动调试、手动操作培训等一系列工作，均由队里自主完成。
（五）追求技术极致为国争光，心系社会共谋创新之路
注重机器人文化校外交流也成为机器人队与社会接轨的一种培养方式，如走进社区和中学进行机器人科普宣传，开展志愿活动和社会服务。2013年，机器人队学子通过技术交流，帮助成都七中Gmt-e机器人队攻克难关，最终在“FiRSt机器人大赛”力战群雄，拿下了全国一等奖，并代表中国赴美国参赛。2015年，机器人队学子指导中学生获得2015年中国青少年机器人竞赛活动VeX机器人工程挑战赛“立地顶天”冠军，获得2015年世界机器人大会•世界青少年机器人邀请赛VeX机器人工程挑战赛“一网打尽”亚军。
三、机器人队培养成效
通过纵横交错、同步开展的培养体系，培养了学生人文素质和科学素质，包括表达沟通能力，热情自信的魅力，冷静思考、精益求精的思维习惯，严谨创新的科学态度，不畏困难、勇往直前的勇气，全面的组织能力以及相互信任、团队协作的集体精神。其中，有一位机器人队员获得2011年全国大学生十大年度人物提名奖。2013年全省高校校园文化建设优秀成果评选活动中，电子科技大学参评的“超越梦想”机器人研创文化活动获得全省高校校园文化建设优秀成果一等奖。目前，机器人队成员已成功孵化科技类创业公司10余家，创业团队若干。在创新创业的路上，机器人队一直在前行。总之，教育不是一朝一夕，短时间就能达到极致或者突显成效。高校应以人为本，认识到人文教育与科学教育对于学生全面发展成才的重要性和不可缺失性。搭建更多平台，以多元化的教育途径相结合的方式，替代传统的课堂理论知识讲授，使人文精神和科学精神潜移默化地影响学生，并促进他们的成长成才。
作者:李丽娟孙东于乐单位:电子科技大学
参考文献：
工业机器人论文篇4
【关键词】机器人教学;能力培养;教学内容;教学方法
【中图分类号】G40-057【文献标识码】B【论文编号】1009―8097(2010)03―0144―03
引言
20世纪是人类科学技术迅速发展的辉煌100年,综合诸多前沿学科和技术的机器人的诞生和机器人学(Robotics)的建立是上世纪科学技术所取得的重大成就的代表之一。从1962年美国万能自动化(Unimation)公司的第一台机器人的投入使用到现在,短短40多年的时间,机器人已从无到有,现在已拥有“百万大军”,在世界各个领域和人民生活的诸多方面忠诚地为人类服务,做出了不可磨灭的贡献。随着机器人技术的蓬勃发展,目前全国的许多高校甚至中小学都开设了机器人教学的相关课程,而且学生的人数在逐年增多。以北京航空航天大学(简称北航)为例,现在每年选修机器人课程的学生都在上百人左右。机器人是一门多学科高度交叉的前沿学科,包括机械学、生物学、人类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、电子工程学、人工智能、社会学等,无论在基础理论方面还是在实践应用方面其发展速度都十分惊人。为了进一步更新教学理念,优化教学策略,保持与国内外机器人教学同步提高,笔者对国内外十几所著名高校的机器人教学情况,就教学大纲、成绩考核等方面进行了调查研究与分析,在此基础上对笔者从事的机器人教学课程进行了改革和探索,提出了一些建议和改革措施,并在近三年北航的《机器人学》教学过程中进行了实践,取得了不错的教学效果。
一国内外机器人教学的调研
美国是机器人技术的发源地,开展机器人教学的高校比较多,而且教学水平和教学质量在国际上都是首屈一指的。调研的美国高校包括mit[1]、Stanford[2]、CmU[3]、UC-Berkeley[4]、Cit[5]五所高校,国内高校包括清华大学[6]、上海交通大学[7]、哈尔滨工业大学[8,9]、吉林大学[10]、天津大学[11]、北航六所高校。调研的方式主要是收集各高校网站相关教学信息,包括教学大纲、成绩考核等,通过分析比较,总结经验。
就所调研的国内外高校而言,国内外高校机器人教学特点可概括如下(参见表1和表2):
1美国高校的机器人启蒙课程或机器人导论等开设在本科,使本科学生对机器人有个普遍的了解,以“讲解+实验+讨论”的形式,利于形象化理解;研究生阶段开设《高级机器人学》等更深层次的课程,进行分方向研究。开设的专业较广,涉及机械工程、电子工程、航空航天、计算机科学等专业,而国内高校本科开设机器人课程的相对较少。
2国内的机器人课程主要开设在硕士第一学期,部分学校在本科阶段开设《机器人概论》课程,现有将《机器人学》从硕士提到本科的倾向。开设方式多样,如必修、专业选修、全校选修等。国内高校选择教材较集中,选用蔡自兴《机器人学》、熊有伦《机器人学》的居多,部分高校的课外参考书为国外原版教材。
3美国高校的机器人实验与课堂讲解的学时比例基本上在1:1.5左右,而国内高校的实验学时数相对较少(实验与讲解的比例最高为1:3.2),半数以上高校的实验课时数为零。例如,mit的课堂教学学时数与北航的差不多,但实验的学时数已经达到了22学时,而北航的实验学时数为零。
4就考核方式而言,美国高校的机器人课程都有期中考核,国内高校基本上没有期中考核。此外,美国高校的机器人课程作业考核占的比重比较大,比如CmU的作业考核占到了总成绩的60%。
二北航机器人教学现状
以北航机器人所为全校研究生开设的《机器人学》这门课程为例,我们的机器人教学还有较多不合理之处:
1教学内容陈旧。课程的教学大纲是九十年代制定的,十几年了没有什么变化,远远落后于机器人技术的发展。而教师在授课时基本按照教学大纲来执行,对教学内容的更新不多。课程设置的大多还是一些传统基础内容,而从学生的反馈来看他们对该学科的前沿进展和最新成果更加感兴趣,因此需要从兴趣方面引导学生积极地自主学习,在该学科上不但具有扎实的基础同时具有宽广的知识面。
2教学环节上也存在诸多不合理之处,过多偏重于教师的讲授,学生独立思考、实践的课程根本没有。而实践环节是检验学生创新思维能力的最佳方法,是锻炼学生对信息的采集、分析、处理和应用等必不可少的重要环节。
为了全面提高机器人教学的质量和学生的培养质量,使学生能真正学到系统深入的机器人知识并具有较强的实际运用能力,为他们在后续的工程实践和研究过程中创造出创新性的研究成果奠定基础,有必要针对上述问题进行《机器人学》课程教学的改革,制定合理的课程内容和教学方案。
三改革措施与实践效果
针对《机器人学》这门课程存在的问题,基于“能力培养”的主导思想,对该课程进行了改革和探索。
1教学内容方面的改革
教学内容方面的改革主要包括两方面:
(1)在教学内容上增加了入门介绍的内容。针对我校的大部分研究生在本科阶段未上过机器人相关课程的情况,借鉴国外本科机器人教学的内容和方式,把绪论部分的学时从原来的1学时增加到了2学时,并采用视频、图片、动画、参观等直观形象的方式为学生较系统地介绍机器人的发展历史、分类、用途、研究方向等,让学生在2学时的时间内对机器人这个学科有一个基本的认识,避免了过去绪论时间短,学生还未弄明白学习对象的情况下就开始专业知识的学习。此外,在绪论里面每年都增加新的机器人的研究进展,学生们既了解了历史又开阔了眼界。在过去三年的实践中,上述教学改革得到了学生的好评。
(2)在教学内容上注重了“深度”与“广度”的结合。在以前的机器人教学内容中偏重于知识的深度而忽略了知识的广度,例如偏重于机器人运动学和动力学,机器人控制和运动规划都不讲,这存在一个弊端,即如果有的学生在后期的研究中要进行机器人控制方面的工作,相关的知识是没有学过的,还要重新自学。因此在教学内容上我们降低了机器人运动学和动力学的讲解深度,增加了机器人控制和机器人规划方面的内容,力求通过该课程的学习让学生们既比较深入地掌握了机器人运动学和动力学的基础知识,同时对于其他相关的理论也有一个基本基础和认识。
2教学方法方面的改革
(1)在教学方式上增加了课堂讨论的环节。以前的机器人教学,主要采用老师讲、学生听的方式,学生与老师之间没有交互的机会,课堂气氛比较沉闷,学生比较容易游离于教学环节之外。为了调动学生学习的积极性,让他们参与到机器人的学习过程中,我们在每章的教学内容中都设置了讨论的问题,让学生自己来表述解题的方法、对问题的看法,并让他们之间进行互相的辩论,老师是作为一个仲裁者的身份进行讨论的组织和总结。在该方式最初试行的时候,由于中国学生天生的内向性格,参入的学生比较少,但在后续的讨论中,越来越多的学生敢于发表自己的观点,并积极地参与辩论。在辩论中学生们都感觉收获很大,对于一些深奥或难理解的问题理解地比较清楚明了了。
(2)在教学方式上增加了现场讲解环节。为了让学生们能够更好地理解和掌握机器人运动学的知识,我们把部分课堂环节改在实验室进行,以真实的机器人为例,讲解机器人的关节、坐标系、D-H建模、正运动学和逆运动学的知识,如图1所示。这种教学方式避免了以往学生学习运动学的知识只是面对机器人简图、缺乏真实案例的弊端,让学生们的学习做到了理论与实际的结合。
(3)在教学方式上增加了专题作业论文的环节。专题作业论文是为了能够扩展学生的知识面,同时把课堂学习的机器人知识与自己未来的研究方向结合起来,选题的内容由学生跟自己的导师商量,格式按照标准的期刊论文的格式来写,必须把一个与学习内容相关的专题内容论述清楚。比如,往届学生有写轮式移动机器人机构的、机器人视觉的、机器人优化控制的,如图2所示。这种专题作业论文既让学生练习了专业论文的写作格式,同时又结合某个专题扩展了学生们的知识面。
(4)在教学方式上增加了实验环节。受我校机器人实验的条件限制,我们一直未能正式地开展机器人的实验课程,但是机器人实验对于锻炼学生的实际操作能力是很重要的。在08年秋季,通过整合部分机器人资源,为学生开设了机器人实验。实验内容是编程控制机器人按自设定的轨迹运动,采用的机器人是aBB的1440。由于学生多机器人少,我们采用了四个学生一个组的方式,大家按组轮流来做实验。尽管学生们在实验中出现了各种各样的错误,但学生们的兴致很高,一直操作到每组许可的时间结束。学生们反映这个实验对于他们锻炼的价值很大,因为把理论和实际之间的这层窗户纸给打通了,让学生们对于这门机器人的课程有了一个系统的认识和理解。
四结语
机器人课程在各高校中变得越来越普遍,如何结合机器人技术的发展搞好机器人的教学工作是许多机器人教育者关心的问题。笔者通过对国内外部分高校的机器人教学进行调研,并结合我校机器人教学的实际情况,对《机器人学》这门研究生课程进行了改革与探索,在过去三年的改革与实践过程中,取得了不错的教学效果。
本论文得到了北京航空航天大学研究生教育与发展研究专项基金的资助,在此表示感谢。
参考文献
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ResearchandpracticeinteachingofaRoboticsLesson
ZHanQiangYanCai-xiaCaiYao
(Roboticsinstitute,BeihangUniversity,Beijing100191,China)
工业机器人论文篇5
关键词:科技类文本;机器翻译;机器翻译软件
一、绪论
随着人类文明的进步和经济全球化，跨语言交流越来越重要。为了尽可能达到无障碍沟通交流这一目标，机器翻译成为人们探索研究的新领域。近年来，人工智能和深度学习技术迅速发展，许多公司引入神经网络技术，基于神经网络的机器翻译(neuralmachinetranslation)得以发展，这使得翻译的灵活性加强。但是，目前用于翻译的人工智能技术仍不成熟，机器翻译的译文质量还有待加强。
(一)机器翻译发展现状
机器翻译(machinetranslation)，指“利用机器(计算机)翻译系统，把人类语言翻译的法则，转变成电脑的运算法则，使得电脑根据运算法则，将输入的源语言(Sourcelanguage)翻译成所需要的目标语言(targetlanguage)”(冯志伟，2004)。1954年，美国乔治敦大学在iBm公司协助下，用iBm-701计算机首次完成了英俄机器翻译实验，向公众和科学界展示了机器翻译的可行性，拉开了机器翻译研究的序幕。中国自1956年也开始了机器翻译的研究。2013年以来，随着深度学习技术取得较大进步，基于人工神经网络的机器翻译系统逐渐替代了过去基于规则和基于语料库的机器翻译系统。神经机器翻译系统改进了以往机器翻译系统的不足，由此产生的译文更顺畅、自然、准确(崔林艳，虞金芳，2019)。
(二)科技类文本特征
科技类文本既具有普通英语的特征，也具有自身特征。第一，科技类文本有其严谨性。在相关领域的科技成果或进行英语表达的过程中，需要严格按照科技领域的基本表达要求进行准确表达。第二，科技类文本具有专业性。科技类文本在专业词汇层面和语言表达层面具有专业性，不同专业领域在相同的表达上也有不同表述，领域之间存在着明确的界限。第三，科技类文本具有一致性。在科技类文本翻译中要保持专业领域和相同名称的一致。
(三)机器翻译译文对比分析
1．普通词汇的特殊含义有些普通词汇应用在某些科技类文本中的意义是不尽相同的，如何理解特定文本中词汇的意义较难把握。例如:例句1:intheaeroponicssystem，plantrootsarehangingintheartificiallyprovidedplasticholderandfoammaterialre-placementofthesoilundercontrolledconditions．译文1:在航空电子系统中，将植物的根部悬挂在人工提供的塑料支架中，并在受控条件下替换土壤的泡沫材料。译文2:在气雾系统中，植物根悬挂在人工提供的塑料支架上，并在受控条件下用泡沫材料替代土壤。译文3:在空气动力系统中，植物根系在受控条件下悬挂在人工提供的塑料支架和泡沫材料替代土壤中。译文4:在气培系统中，植物的根被悬挂在人工提供的塑料容器中，并在控制条件下用泡沫材料替换土壤。分析:例句中“aeroponics”指农业科技英语当中的空气种植法，又称“雾培法、气栽法”，“aeroponicssystem”应处理为“雾培系统”较为合适。译文2和译文4没有较大差别，尚可接受。四个译文对比发现，译文1将其译为“航空电子系统”，译文3译为“空气动力系统”与文本所要传达的意思相距甚远。此外，对“plasticholder”的翻译略有不足，文中“plasticholder”的可能性有多种，支架、容器等，前三种机翻软件均处理成“塑料支架”，而有道翻译将其处理成“塑料容器”更加可取。例句2:internetofthings(iot)forSmartprecisionagricul-tureandFarminginRuralareas．译文1:物联网(iot)用于农村地区的智能精密农业和农业。译文2:面向智能精准农业和农村农业的物联网(iot)。译文3:物联网(iot)在农村智能精准农业和农业中的应用。译文4:物联网(iot)智能精准农业和农村农业。分析:该句为目标文本的标题，几个译文对于“agriculture”和“Farming”的处理不能准确把握。作为名词，“agriculture”和“Farming”之间的区别在于，“agriculture”是耕种地面的艺术或科学，还包括农作物的收获以及牲畜的饲养和管理;“Farming”是耕种土地，饲养牲畜等的业务。通常情况下“agriculture”和“Farming”共同使用，表示“农业种植和畜牧养殖”。四个译文将两个词都译成了“农业”。由此看出，机翻软件很难准确表达普通词汇的特殊含义，造成了歧义，加重译者译后编辑的任务。
2．对句子的处理在处理科技类文本的时候，除了要考虑到文本类型的特征之外，还应该尽可能保证译文的可读性，如何尽可能清晰地表达原文观点和态度也是一个难题。例如:例句3:infuture，itwouldbedifficulttasktoprovideafreshandcleanfoodsupplyforthefast-growingpopulationusingtraditionalagriculture．译文1:将来，使用传统农业为快速增长的人口提供新鲜和清洁的食物将是一项艰巨的任务。译文2:今后，利用传统农业为快速增长的人口提供新鲜和清洁的食物供应将是一项艰巨的任务。译文3:今后，利用传统农业为快速增长的人口提供新鲜清洁的食品供应将是一项艰巨的任务。译文4:在未来，利用传统农业为快速增长的人口提供新鲜和清洁的食物将是一项艰巨的任务。分析:通过译文可以看出几种译文并无较大差异，但对近义词“provide”和“supply”的处理不恰当。例句中两个词都含有“提供，补给，供给”的意思，“provide”作动词，“supply”作名词，在译文中可以二者取其一。而机翻软件在处理句子时，可以准确识别出二者的词性和在句子中的位置关系，但对词语的动宾搭配无法做出较为合理的分析，只能一一对应进行翻译。由此可以看出，机器翻译软件很明显能够识别词性，但是无法根据句意做出判断，提供较好的翻译。例句4:Discussionaround5Gfallsbroadlyintotwoschoolsofthought:aservice-ledviewwhichsees5Gasaconsolidationof2G，3G，4G，wi-Fiandotherinnovationsprovidingfargreatercoverageandalways-onreliability．译文1:关于5G的讨论大致分为两种思想:以服务为主导的观点，认为5G是2G、3G、4G、wi-Fi和其他创新的整合，可提供更大的覆盖范围和始终在线的可靠性。译文2:围绕5G的讨论大致分为两个学派:一种以服务为导向的观点，认为5G是2G、3G、4G、无线网络和其他创新的结合，提供了更大的覆盖面和持续的可靠性。译文3:围绕5G的讨论大致分为两个学派:一个是以服务为导向的观点，认为5G是2G、3G、4G、wi-Fi和其他创新的整合，提供了更大的覆盖范围和永远的可靠性。译文4:围绕5G的讨论大致可分为两派:一种以服务为主导的观点，认为5G是2G、3G、4G、wi-Fi和其他创新的整合，提供更大的覆盖范围和始终在线的可靠性。分析:首先，四种机翻软件对“twoschoolsofthought”的处理各不相同，分别译成了“两种思想”“两个学派”“两派”。后文紧接着要描述的是基于客观事实的观点，“思想”和“学派”都不符合原文特点。其次，“always-onreliability”在四种机翻软件的译文当中都存在分歧，“始终在线的”“持续的”“永远的”这样的译文虽符合词意，但考虑到文本特点，未能清晰地表达原文意思，反而使读者不知所云，在译文2和译文3中在翻译“providing”时还出现了时态问题。
工业机器人论文篇6
关键词应用型本科；工业机器人；教学改革
中图分类号：G642.0文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2013）21-0093-03
1引言
近年来，由于现代技术的发展、产业结构的调整和产业能级的提升，劳动力市场对技术型人才的需求不断旺盛。为了适应社会新的需求，实现与传统本科院校的错位竞争，很多新升本科院校将学校定位于培养适应社会需要的高层次应用型人才，实施“技术应用型本科教育”[1-2]。上海电机学院提出“培养本科层次技术应用型人才”的人才培养定位，并确立了“技术立校，应用为本”的办学指导方针[3]。
工业机器人技术是近年来新技术发展的重要领域之一，是计算机、自动控制、传感器、先进制造等领域技术集成的典型代表。这一技术在工业、农业、国防、医疗卫生、办公自动化及生活服务等众多领域有着越来越多的应用[4-5]。社会对掌握机器人技术的人才需求旺盛。作为技术应用型院校，为努力培养适合市场需要的技术应用型人才，上海电机学院开设了“工业机器人”这门课程。机器人是机械类专业学生的一门专业课，课程的开设与学院培养应用型人才的目标是一致的。本文对工业机器人课程教学现状进行分析，指出目前教学中存在的问题，提出相应的改进措施。
2课程性质与特点
“工业机器人”安排在本科的第七学期，是唯一一门系统介绍某一设备的课程，主要内容与学时分布如表1（包括4学时实验）所示。根据应用型本科的办学理念，课程内容侧重实践和应用，注重理论和应用技术紧密结合。通过本课程的学习，要求学生理解掌握机器人的基本概念和基础理论，掌握典型工业机器人的机械结构、运动分析，理解动力学原理和机器人控制技术并能进行简单的机器人编程。培养独立思考和分析问题的能力，使得学生能够在较短的时间内掌握生产现场最需要的工业机器人的实际应用技术，为今后从事工业机器人使用和相关研究工作打好基础。
3教学过程中存在的问题
3.1课程内容综合性强，各章节知识点较独立
本课程主要讲述工业机器人的基本组成、机械结构、运动学、环境感觉技术、控制系统、机器人编程等，包括机械学、自动控制、传感技术、计算机等相关内容。学习这门课程需要较多知识储备以及一定的数学基础，学习时需要将各种知识综合运用。学生普遍感到学习内容广、涉及知识面宽、综合性强，严重影响了学习的积极性。另外，机器人课程各章节之间内容相对比较独立，由结构到运动学，由运动学到控制，没有一个贯穿的主线，使得学生在学习过程中容易分不清前因后果。
3.2重讲授，学生独立思考少
授课过程中以教师讲授为主要方式。传统填鸭式教学方式在采用现代多媒体教学手段时显得更加不合理。采用幻灯片授课，虽然能让教师从繁重的书写任务中解放出来，提高教学效率，但是一掠而过不留痕迹的做法让学生根本无暇进行独立思考，有时一堂课下来学生对授课内容都没有印象，致使授课效果变差。
3.3重理论轻实践
本课程对学生的动手能力要求较高，然而目前的课程设置中比较侧重理论部分，实践环节相对薄弱。在总课时32学时中，实验只占4学时，这对掌握机器人应用技术来说是远远不够的。且均为验证性实验，不能激发学生的学习积极性，没有真正提高学生的实践动手能力。
4改革措施与实践
针对目前教学中存在的问题，根据上海电机学院的办学方针，结合课程本身特点和现实情况，总结课题组多年教学经验，提出改革措施，并在课程教学中进行一系列尝试。
4.1合理安排教学内容，由浅入深逐步递进
针对课程内容综合性强，各章节知识点较独立的问题，教师在教学过程中要合理安排课程内容，找到贯穿各章节的主线，理清各知识点的前因后果。先从机械专业学生比较熟悉的机械结构入手，通过对机器人三大组成部分（机械部分、控制部分、传感部分）之间关系的讲解，进入机器人的控制系统和环境感觉技术的学习。机器人运动学的部分理论性较强，学习起来相对吃力。遵循由浅入深、逐步递进的原则，先介绍齐次坐标和位姿描述等基本概念，在对机器人的位姿分析的基础上，引入机器人运动学方程建立的方法和步骤，既要使学生掌握关键知识，又不过多纠缠于繁琐的公式推导。最后讲解机器人编程，使学生对机器人控制的认识提高到实际操作的层面上来。
另外，在讲每个章节时，适当引入相关知识的前沿进展、最新的成就成果，既扩大了学生的知识面，又提高了学习兴趣。
4.2采用案例教学，改进教学方式
1）丰富实例激发兴趣。在进行新的知识点讲解前，通过图片、视频等多媒体技术，将收集的教学案例展现在学生面前。以实验室现有的FanUC机器人为一基础案例，并将该案例贯穿到整个教学过程中，把机器人各章节内容有机地联系起来，如图1所示。在讲解案例过程中指出相关知识在该机器人上的应用并提出问题，目的是引导学生将课堂理论与应用实际有机结合在一起。由于这个实际案例就在学生身边，拉近了理论知识与学生的距离，能够激发学生积极思考，增加学习兴趣，同时又能提高学生解决实际问题的综合能力，授课中取得了较好的效果。
2）注重课堂互动。在课堂教学中，一改传统填鸭式教学，采用启发式、引导式教学，鼓励学生进行讨论。例如，机器人机械结构部分内容相对枯燥乏味，教师在讲解时将各部分结构设计的要点以及常用的运动形式指出；然后让学生利用机械原理及机械设计中学过的知识，设想和讨论可以实现相应运动的机构有哪些，可以采用什么样的驱动方式；最后鼓励学生自己做一套完整的机器人机械结构方案，由教师对相应方案做出评估。
在机器人应用现状和未来前景等较活跃的领域开设课堂互动内容，鼓励学生从最新的科技文献、新闻甚至与相关专家的交流中去了解获得，搜集整理第一手资料。这不仅提高了学生的学习兴趣和主动性，也活跃了学生的专业思路。
3）增加现场教学环节。机器人中有些内容和概念比较抽象，比如机器人的自由度、精度、坐标系和机构简图等，学生理解起来会有困难。采用现场教学法，先由教师提出思考题，让学生通过对实际机器人的观察进行思考。然后教师结合机器人的运动对每个概念进行讲解，最后集体讨论。
坐标系在机器人学习和使用中是一个很重要的概念。常用的有全局参考坐标系、关节参考坐标系和工具坐标系。机器人可以相对于不同的坐标系运动，在每一个坐标系中的运动都不相同，学生很容易产生混淆。利用现场教学法，讲到每一个坐标系时，可以操作机器人让其在相应坐标系下运动。设定同样的参数，最终到达的位置不同，形象直观地展示出不同坐标系下的运动。
现场教学法给学生提供了充分的想象和思考空间，加深了对相应知识点的理解，效果比较显著。
4.3改革实验教学内容，注重理论联系实际
课题组结合实验室现有条件，在机器人认知和机器人编程两个实验的基础上，自主开发FanUC机器人故障诊断实验。实验时，教师预先设置机器人常见故障，要求学生对工业机器人运行过程中故障进行诊断，能根据系统报错代码判断故障含义及原因，并通过实验排除故障。故障排除后，能重新校准初始位置，并在新坐标系内实现系统正常运行。该实验具有一定的综合性，能够锻炼学生灵活运用所学知识分析问题、解决问题的能力。
虽然在实验过程中，不免会碰到各种各样的问题，有时可能会找不到原因，但学生学习兴致很高，小组里每一名学生都会积极查找故障原因。学生反映这个实验虽然难度较高，但能让他们体会到用自己掌握的知识解决实际问题的成就感，提高了学习的积极性。
4.4注重师资培训，及时更新教学内容
工业机器人涉及许多专业领域，对任课教师知识的广度和深度有较高的要求，同时还要保持知识技能的不断更新。上海电机学院采取鼓励青年教师攻读博士学位、派遣教师到企业挂职锻炼、青年教师“导师制”等措施，加强师资队伍建设，形成一支具有一定科研能力的教师队伍。
5结束语
本文结合学校实际情况，探讨应用型本科“工业机器人”课程教学中存在的问题和相应改革措施。课题组将其应用于平时教学中，授课效果有了一定的增强。但教学改革是一个长期积累的过程，需要教师不断探索，并在实践中继续改进和完善。
参考文献
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工业机器人论文篇7
关键词：自动化生产线；教学方法；电机与电气控制；pLC；课程设计
中图分类号：G712文献标识码：B文章编号：1006-5962（2013）02-0027-02
高职机电一体化专业课程设置的培养目标是：面向工业企业生产现场，电气控制系统制造公司、机电设备制造公司、机电设备、电气设备、工控设备制造公司或公司、科技开发公司，培养适应社会需要，全面发展，适应本专业相对应职业岗位的高等技术应用性专门人才，主要岗位群定位是自动化设备安装员、自动化设备调试员、中高级维修电工等，本专业有五个主干学科：电气工程、电子工程、机械工程、计算机科学与技术、控制科学与工程，都是为了岗位需要设置的专业知识。其中《自动化生产线安装与调试》作为一门核心专业课在第四学期进行了贯穿和综合。
1自动化生产线的课程设置
机电一体化专业人才培养能力有：识图绘图能力、机电安装调试维修能力、电控系统调试检修能力、自动线调试维护能力、机电设备管理能力及机电产品营销能力等。《自动化生产线安装与调试》前序课程有pLC技术、传感器技术、电机与控制，后序课程有机床维修等。在我们所要实现的教学目标中知识目标涉及到：机械手工作原理、握机械手控制原理、机械手气动原理、熟悉安全操作规程；能力目标有：对已安装的机械手机械部件进行测量；对机械手的气路进行基本调试；根据故障现象判断故障部位；检查分析、找到故障点并分析解决故障；遵守安全操作规程；素质目标有严谨的职业态度、规范的操作习惯、创新精神、团结协作精神、自主学习精神及沟通能力。
此核心课程以项目驱动教学开展课程教学，提升学生的职业能力，以具体自动化生产线为载体，融合认知、安装、调试和检测等内容，实现教、学、做、评一体化教学，突出课程的职业性、实践性和开放性。以学生为主体，采取多样化教学方法。以自动化设备改造为工作过程，涉及电路图分析、电气图设计、程序设计、设备组装、设备运行调试、设备检测、设备维护等行动领域，设置六个学习情境：零配件拆装、传感器检测、气路检测、异步电机检测、步进电机检测、整体检测调试，分成20个任务。
项目一：供料站的安装，有机械拆装、气路拆装、电器拆装三个任务；项目二：加工站的安装，设计任务有加工站组装、光电传感器检测、限位传感器检测三个任务；项目三：装配站的安装，设计任务有装配站组装、电磁阀检测、气缸检测三个任务；项目四：分拣站的安装，设计任务有分拣站组装、传送带的检测、异步电机的检测、变频器的检测四个任务；项目五：输送站的安装，设计任务有输送站组装、光纤传感器检测、机械手检测、步进电机的检测、溜板检测四个任务；项目六：整体运行调试，有pLC控制网络构建、程序编写、综合调试三个任务。
2自动化生产线的教学方法与评价设计
2.1教学方法。
（1）讲授法：讲解项目任务，传授项目任务相关的知识点，针对学生实施过程中出现的不足进行知识点的说明。
（2）现场教学法：在符合生产要求的工作环境中进行操作技能和维修应用能力实践，提高职业氛围，在工作过程中提升学生的职业道德、职业素养和岗位适应能力。
（3）任务驱动法：将教学过程融入项目任务中，让学生自主讨论分析实施，学生在工作过程中得到知识。
（4）小组讨论法：学生每六～八人为一个小组，小组讨论分析，讨论解决，分工协作完成项目任务。
六步教学实施：明确任务、讨论分析、制定方案、检测故障、检验效果、总结分析。老师交代目标，注意观察和记录小组对现象分析情况，解答学生提出的问题，对跟主题分析偏离太远的小组予以引导，让学生自行摸索，在后期对学生可能会引起事故或损坏设备和工具的异常操作给予纠正，最后老师组织小组进行故障排除工作汇报，互评，并对每组进行考核评价，再引导学生自行总结。
2.2评价设计。
课程采用过程考核与期终考核相结合、企业考核与校内项目考核相结合、教师考核与学生考核相结合的多元化考核方式，利于理论联系实际，有利于学生的学习创新和思考，更督促他们到实际中去发现和改进，去寻找合适自己的项目和课题。
课程考核为：校内项目，企业，综合实训三大类。当堂课的考核有：教师考核、小组互评、小组自评；教师考核内容为五项：任务分析情况，实施方案制定，任务完成质量、分工协作精神、故障检测手段、安全操作规范、小组总结。
和很多专业课一样，多种教学方法和全面的评价方案，有效保证了教学效果。
3相关课教学
3.1电机与电气控制的教学。
本课程以发电机为主题，以工作任务为导向，以工厂实用型电气控制系统设计、安装、调试与维护情景教学为主线贯穿全课程，用实物进行直观性教学，使学生感性认识强，理性认识够。
典型的教学任务有三相异步电动机全压启动、三相异步电动机长动控制、三相异步电动机正反转控制、三相异步电动机延时启动控制（或三相异步电动机Y-降压启动）、机械手控制等。
课程特色是学生充分利用所学知识、网络资源、闲瑕时间作为期三个月的“继电控制课程设计”。任务书要求能够根据功能要求选择个元器件的类型及其型号；了解个元器件的工作原理和使用方法；把各元器件连接起来实现本课程设计的要求。设计内容和要求：两台电动机都存在重载启动的可能，任何一级传送带停止工作时，其他传送带都必须停止工作，控制线路有必要的保护环节，有故障报警装置。课程设计书要有课题介绍、题目、摘要、总体方案设计、设计目的、控制要求、设计要求、硬件选型、主电路原理图的设计、控制电路原理图的设计、重载保护电路设计、欠压保护电路设计、总结。
3.2pLC教学。
pLC是可编程序逻辑控制器（programmableLogicController）的简称，早期是一种开关逻辑控制装置，随着计算机技术和通信技术的发展，其控制核心采用微处理器，功能有了极大扩展，除了最广泛的取代传统的继电器-接触器控制的开关量逻辑控制外，还有过程控制，数据处理，通信联网与显示打印，pLC接口采用光电隔离，实现了pLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。
pLC有5种编程语言：
（1）顺序功能图（SFC）。
顺序功能图常用来编制顺序控制类程序，包含步、动作、转换三个要素。顺序功能编程法是将一个复杂的控制过程分解为小的工作状态，这些状态按顺序连接组合成整体的控制程序。
（2）梯形图（LD）。
梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，是在常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，形象、直观、实用，电气技术人员容易接受，要求用带CRt屏幕显示的图形编程器才能输入图形符号，是目前用得最多的一种pLC编程语言。
（3）功能块图（FBD）。
功能图编程语言是用逻辑功能符号组成的功能块来表达命令的图形语言，与数字电路中的逻辑图一样，极易表现条件与结果之间的逻辑功能。
（4）指令表（iL）。
采用经济便携的编程器将程序输入到可编程控制器就用指令表，使用的指令语句类似微机中的汇编语言。指令表程序较难阅读，其中的逻辑关系很难一眼看出，所以在设计时一般使用梯形图语言。如果使用手持式编程器，必须将梯形图转换成指令表后再写入pLC，在用户程序存储器中，指令按步序号顺序排列。
（5）结构文本（St）是文字语言。
编程语言的学习是pLC教学的一项重要内容，中间加以不同的应用实例：顺序控制电路、常闭触点输入信号的处理，使用多个定时器接力定时的时序控制电路、三相异步电动机正反转控制电路、钻床刀架运动控制系统的设计，LeD数码管显示设计，还经常根据继电器电路图设计梯形图。
增加的学习情境还常有如下任务：洗手间的冲水清洗控制、进库物品的统计、竞赛抢答器装置设计、彩灯或喷泉pLC控制；寻找数组最大值并求和运算、电热水炉温度控制等。
3.3单片机。
单片微型计算机就是将CpU、Ram、Rom、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。用于示波器、报警系统、移动电话、彩电等日常方面，在智能仪器仪表、工业控制、家用电器、计算机网络和通信领域、医用设备领域、工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域也都有广泛应用。
数据大都在单片机内部传送，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高，微型单片化集成了如看门狗、aD/Da等更多的其它资源。教学内容以80C51为核心讲授单片机的的引脚、存储器组织结构、典型语句，以实例应用为线索：单灯受控闪烁、p1口外接8只LeD发光二极管模拟彩灯、单片机做加、减、乘、除运算等项目。各子任务都作硬件电路及工作原理分析、主程序流程图设计、源程序的编辑、编译、下载、单片机的i/o接口分配及连接。
教学采用iSp-4单片机实验开发板，可以完成大量的单片机学习、开发实验，对学习单片机有极大的帮助。该板采用在线可编程的at89S51单片机，有程序下载功能，可将编辑、编译、调试好的单片机代码下载到at89S51单片机中。
3.4变频器技术及应用。
变频技术让学生熟练掌握各种电力电子器件的工作原理、主要参数、驱动电路与保护技术；掌握交-直-交变频器、交-交变频器、谐振型变频的工作原理和应用范围；掌握脉宽调制控制、矢量控制和直接转矩控制等先进技术；了解变频器与感应电动机组成变频调速系统、变频器与双馈电机组成调速系统、变频器与同步电动机组成变频调速系统，掌握电力电子电机系统的组成、工作原理、控制方法、运行特性等，是强电应用和现代技术推广的有力体现。
3.5传感器与自动检测技术。
传感器技术代替人的感观，在各种环境下应用，检测技术是一套有效的反应体系，包括信息的获得、测量方法、信号的变换、处理和显示、误差的分析以及干扰的抑制、可靠性问题等。因此掌握常用传感器的工作原理、结构、性能，并能正确选用，了解传感器的基本概念和自动检测系统的组成，对常用检测系统有相应的分析与维护能力。对工业生产过程中主要工艺参数的测量能提出合理的检测方案，能正确选用传感器及测量转换电路组成实用检测系统的初步能力。
教学过程进行小论文制作，让学生提高计算机应用水平，使学生从文字处理水平提高到办公处理水平。对分节、目录、文献标识作严格要求。题目如数字显示电子称、基于霍尔传感器的转速表、单片机电子秤研究、光纤测温仪、烟雾报警器、小车寻迹设计、电熨斗自动恒温系统、电涡流探伤、电感测厚仪等。
4毕业论文指导分析
毕业论文专业联系实际，通常小型自动化系统以单片机为主，大型自动化生产线以pLC为主，系统运行动力离不开电机，观察离不开传感器，调速可用变频器，综合所学，学生的论文涉及广泛，有效教学可对应从如下方面侧重指导。
4.1立意选题。
根据实际和研究方向做好侧重和体现，如“触摸屏控制的碱液配置系统”和“两种液体混合装置的pLC控制系统”的系统性和方向性，“车库自动门的pLC自动控制”和“测速雷达信号处理系统”的检测指标要求等。
4.2材料整合。
在任务要求明确的基础上，首先确定相关技术指标，对应查找并列出论文结构，一份毕业论文至少含有三到五门课的内容，对应于研究方向进行相应编排和取舍。
4.3技术处理。
所搜集图片的背景往往有水印，要去掉，图片按要求进行不同方向的剪切。图表里的文字应是五号或小五，注意表格标题要单独标出等等格式要求。流程图、梯形图的设计与表现。
多种教学方法和理论联系实际教出具有学习能力和创新能力的学生，系统的学习与应用创造练就出具有竞争力的学生，专业课的有效教学和毕业论文的顺利设计将显示本专业沉甸甸的含金量。
参考文献
[1]吕景全.《自动化生产线安装与调试》，中国铁道出版社，2010年7月
[2]马玉春.《电机与电气控制》，北京交通大学出版社，2011年1月
[3]李建新.《可编程控制器原理及应用》，机械工业出版社，2012年9月
工业机器人论文篇8
關键词：机器视觉；CDio；教学改革；研究生教学
我国的研究生教育经过扩招后，质量出现了严重下滑的现象，研究生教育改革势在必行。为提高研究生教育质量，课程体系改革是中心工作。传统的教育模式主要是教师主动传授，学生被动接受。这种教育方式已不适应当前人才培养需要，因此必须逐步改变传统教育模式，探索适合中国教育特色的研究生培养路线，实践证明CDio是培养创新型人才的可行之路。本文以研究生机器视觉课程为试点，探索CDio模型下的研究生教学改革方案。
1.机器视觉课程特点
随着数字图像处理、人工智能技术的快速发展，机器视觉应用越来越广泛。机器视觉成为了信息相關专业研究生的一门重要选修课，该课程涉及信息处理、计算机、机器人、人工智能等众多领域。机器视觉从信息处理的层次研究视觉信息的认知过程，包括视觉处理中的方法、理论及信息描述等。该课程具有以下两个特点。
1）理论抽象，内容广泛。
机器视觉涉及图像处理、模式识别、机器学习等多个学科领域，所涉及的内容数学表达抽象、内容广泛、算法繁多，学生难以理解。
2）与工程应用结合紧密，实践性强。
这门课程知识体系的构建源自各种特色专业应用领域。在工业中，特别是在各种生产线上，视觉产品应用非常广泛。只有让研究生经历大量的工程项目设计与实现，才能深切体会各种机器视觉算法和技术的功能及作用。
2.CDio教育模式
随着经济、科技高速发展，全球面临工程人才短缺和工程教育质量问题。为了培养符合企业需求的人才，麻省理工学院、瑞典皇家工学院等4所大学经过多年探索、研究，创立了CDio工程教育模式，并成立了CDio国际合作组织。CDl0教育模式是构思（conceive）、设计（Design）、实现（implement）、运作（operate）4个英文单词的缩写。
（1）构思要求学生根据所掌握的专业知识基本原理，确定个人未来的发展方向。
（2）设计是以产品规划与设计为核心，通过产品研发，解决某个具体问题。
（3）实现是以制造或建造为核心，巩固学生所掌握的专业知识，提高实践能力，形成一体化的课程实践。
（4）运作是产品应用的各个环节。该环节将学生能力培养贯穿于从产品研发到运行的整个生命周期中。通过系统的产品设计与研发，提高学生的专业技术水平，培养学生个人能力、职业能力、态度、团队工作和交流能力等。
CDio代表了一种工程教育理念，它是“基于项目教育和学习”及“做的过程中学习”的抽象表达和集中概括，强调通过密切联系产业培养学生的综合能力。燕山大学、清华大学、汕头大学等多所高校进行了CDio教育模式试点改革，并取得较好的成效。
3.基于CDio的“机器视觉”教学改革
本课题组借鉴国内外高校在CDio教学改革方面的经验，重新审视了江苏科技大学研究生教学中机器视觉课程的不足之处，参照CDio教育模式，结合江苏科技大学特点制定了基于CDio的机器视觉教学改革方案。江苏科技大学研究生来自全国各地，部分学生是非计算机专业出身，知识水平及应用能力差距较大；同时，该课程内容涉及广泛、综合性强，需注重实践能力的培养，这些都给教学带来了困难。
3.1加强教师素质培养与团队建设
CDio模式的实施需要教师深刻理解CDio模式的理念，具备丰富的工程实践经验，并能长期与企业在各个工业领域开展合作，因此，江苏科技大学作出關于培育CDio模式师资力量的计划。首先，让青年教师到企业挂职锻炼，了解企业实际需求及工业的相關技术发展；其次，与企业签订合同，让教师参与企业产品研发，提高教师工程实践能力；再次，将教师企业挂职经历、参与企业合作研发产生的效益等作为晋职的考核指标之一。
本次教学改革打破传统系、教研室的观念，组建复合型“机器视觉”教学科研团队。该团队以机器视觉课程为主线，吸收数学、计算机语言、软件工程等基础课，工业控制、机器人学、人工智能、模式识别、机器学习等专业课，实现机器视觉课程和相關专业课程的融合，促进机器视觉与相關专业知识的互相渗透和有机结合，实现教师及实验资源的合理使用。
同时，学校要求本课题中从事机器视觉教学的教师，不仅从事机器视觉课堂教学，而且必须参与相關项目，从事实际项目设计、开发、测试等工作。目前，江苏科技大学的机器视觉教学科研团队，已与企业合作承担了若干与机器视觉相關的项目。通过参与项目的实际开发，提高了教师的教学科研能力，同时为CDio模式的有效实施创造了有利条件。
3.2开展讲座式、讨论式、实践式教学
本次教学改革将机器视觉的教学内容分割成滤波器、特征提取与匹配、图像分割、图像匹配、目标跟踪、光流、三维重建、缺陷检测等若干研究主题。针对每个主题设计项目，教师围绕项目进行讲授，让学生理解每个项目的目标、任务、所涉及的基础知识、开发项目的基本过程。
在课堂教学中，教师采用提问式教学方法，激发学生的讨论热情，鼓励学生自发的讨论问题。
项目实施过程中，将3-5名学生分为1组，每组同学选择并完成不同的项目，达到将所学理论融入科研实践的目的。学校鼓励学生完善所做项目，积极参加大学生“挑战杯”、机器人大赛、电子设计竞赛等各种科技竞赛，增强学生就业创新能力。
最后，组织学生进行课题讨论，提炼总结创新成果，并要求学生提交计划、分析、设计、开发、测试等创作文档。通过项目创新设计思路的描述和分析讨论，使学生将机器视觉课程与专业课程体系有机地结合起来，深入消化、吸收所学知识，理解、掌握科研创新的方法及过程，激发实践创新兴趣。
3.3创建实习实验室，设计真实的教学环境
CDio教育体系旨在培养高素质的工程技术人员，注重将教学项目的全过程放在真实的产品开发环境中。江苏科技大学非常注重教学工厂型实习基地建设，课题组抓住洽谈机器视觉项目的契机，与符合专业发展方向的机器视觉企业建立了校企合作机制，创建了符合教学要求的产品研发实习实验室。产品研发实习实验室既是教室又是实验室，真正做到“教学和实践合一”。课程教学时，让学生在实验室中产品开发的实际环境下进行实训、研究。学生在实践中学习，学习中实践，有利于其构建扎实的“机器视觉”知识体系。
在产品研发实习实验室中，要求学生严格按照企业规定进行实际产品研发，例如产品开发中的需求分析、概要设计、详细设计、软件编码、测试等工作要严格按照需求执行，要有相应的技术文档。这样有利于学生在真实的产品研发过程中掌握技术规范、工程化研发思想及相应的专业技能。
教师参与产品开发，可将教师的最新研究成果应用于企业，也可通过企业的实际需求带动教师的科研工作。在此过程中教师能更好地指导学生，与学生形成默契的合作關系。
另外，课题组将公司的企业文化及管理思想引入实习实验室教学环节中，让学生在企业环境下掌握管理知识、学习管理经验、养成良好的职业素养，做到企业运营与教学管理的真正融合。通过这样的教学形式，培养真正适合企业需要的人才。
3.4培养学生合作精神，增强学生团队意识
“合作精神”与“团队意识”是CDio教育理念精髓所在。社会的进步与现代企业发展的趋势都对高校人才“合作精神”与“团队意识”的培养提出了迫切要求。但中国人内敛的传统自我意识使学生之间缺乏交流与合作，以考试为中心的应试教育忽略了对学生“合作精神”与“团队意识”的培养，独生子女问题导致部分学生自我思想较重，缺乏相互理解、宽容、谦让的精神。
因此，为了培养学生的“合作精神”与“团队意识”需要学生将所学的专业知识运用到团队课题中，在课题中实践合作精神，培养团队意识。实践教学作为研究生教学环节中重要的组成部分，是培养学生实践及创新能力的重要途径，更能将“团队意识”的培养落到实处。
在机器视觉课程中，安排4～5名学生组成小组，完成项目作业，每人承担项目的不同部分，最后以组为单位提交设计、开发报告，让学生逐一汇报自己的工作，进行项目总结交流与经验分享。这种方式即拓展了学生的知识，又培养了学生的语言表达、沟通协调等能力。
机器视觉类项目以算法为主，需要通过软件编程实现，在实际项目开发中通常采用VSS（VisualSourceSafe）源码版本控制软件进行团队开发管理。教学中，学生的项目计划文档、需求分析文档、软件设计文档、算法源代码、测试文档等均通过VSS服务器实现共享管理，以便学生从项目中学会计划、协调、沟通，提高学生的组织和团队合作能力。
学生最终的成绩以小组共同开发的软件为评分依据，同组组员得分相同。通过项目调动学生的主观能动性，增强与他人的合作精神，培养团队意识。
4.教学效果评价体系
为了客观地评价CDio教育模式的教学效果，发现教学过程中的问题，制定教学完善措施，需要建立一套科学的教学效果评价体系。在CDio模式中，除了评估学科基础知识、基本技能之外，也要评估学生个人的人际交往技能以及产品研发过程控制和系统构建技能。
本课题组使用以下方法衡量学生是否达到预期学习效果。
（1）笔试。评价学科基础知识、基本技能的掌握程度。
（2）口试。项目完成后，每个学生都要阐述产品的计划、分析、设计、编码、测试等产品开发过程，以评价学生创新、思维、表达、团队协作等综合能力。
（3）软件演示。将每个项目小组开发的软件进行展示，由多名教师联合评估打分，并提出反馈意见，以便后期改进。
通过测评，评估学生的综合能力，并发现教学过程中的问题，以便在下个教学阶段进行完善。
5.结语
本课题通过CDio教育模式与机器视觉课程相结合，将教师、学生与企业紧密联系在一起，将教学项目的全过程置于真实的产品开发环境中，提出针对机器视觉课程的具体措施和建议。实践证明，采用这种教学方式提高了研究生的教育质量，是对今后培养符合社会需要的高素质工程技术人员的一次有益尝试。
参考文献：
[1]杨颉，对研究生教育的扩招以及发展的若干恩考[J]，中国高等教育，2004（5）：40-43.
[2]郭小勤，曹广忠，计算机视觉课程的CDio教学改革实践[J]，理工高教研，2010，29（5）：98-100.
[3]查建中，工程教育改革战略“CDio”与产学合作和国际化[J]，中国大学教学，2008（5）：16-19.
[4]郭长虹，赵炳利，李兴东，等，面向CDio的工程图学教学改革[J]，工程图学学报，2011（5）：56-60.
工业机器人论文篇9
关键词：生物医学工程；微机原理；实验教学
中图分类号：G642.0文献标志码：a文章编号：1674-9324（2015）50-0087-02
生物医学工程主要运用工程技术手段，研究和解决生物学、医学中的有关问题，涉及生物材料、人工器官、医学仪器设计、生物医学信号处理方法、医学成像和图像处理方法等，在疾病的预防、诊断、治疗、康复等方面发挥着巨大的作用。南京邮电大学生物医学工程专业是近年来新发展的专业方向，在学校构建以“大信息”为主干的学科专业体系的背景下，基于信号与信息处理强势学科的支撑，通过专业课程教学改革，构建专业集成创新实验平台，凝练专业特点与优势，是提高学生专业素养，培养创新型人才，增强竞争优势的重要手段。
现代电子医疗仪器很大一部分采用了基于微机的虚拟仪器设计方法，因此微机原理课程在电子信息类生物医学工程专业的本科教育课程体系中占据着举足轻重的位置。微机原理是一门实践性很强的课程，实验是教学的重要环节。为提升实验教学的效果，体现专业特色，结合特色专业与生物医学工程集成创新实验平台的建设，我们重点对微机原理课程的实验教学进行了改革，将基础实验融入理论课学习过程中，加强综合性专业特色实验。在实验设计中注意与其他专业课程的前后衔接，并配以相关的开放实验，形成课内课外的综合实验体系，以达到同时提升理论基础与实践能力学习的效果。
一、微机原理课程与生物医学工程
微机原理课程知识点多、实践性综合性强。课程的目的和任务在于使学生能够较全面深入地了解计算机系统的组成和16/32位微机系统的原理；能够掌握汇编语言程序设计的基本方法以及微机接口的基本原理。需要配备丰富的实验内容，通过理论与实践教学的有机结合，使学生从理论到实践，再从实践到理论的认知过程中获得知识、增强能力。结合生物医学工程专业的特点，我们将微机原理课程的教学总体目标设定为掌握基于微机的虚拟医学仪器的设计方法。
一般电子专业的微机原理教学会配置与理论课时相当的独立实验课程，而由于生物医学工程专业属于交叉学科，专业课程多，总体课时的限制造成微机原理课程的实验课时配置较少，相应的实验内容也较为简单，综合性不强；另一方面，实验的设计也是沿袭传统微机原理实验的方式，没有很好地体现生物医学工程专业的特色，很难达到原定的课程教学目标。
二、课程教学改革
针对以上问题，我们主要针对生物医学工程专业的微机原理课程实验教学体系进行了系统性的改革，包括课内实验、专业实验教学体系以及开放实验体系均进行了重新规划与设计。
1.课内实验改革。针对实验课时较少，以及理论教学与实验脱节的问题，我们通过将教学场所从教室改到实验室，在每次理论课教学中都加入了短时间的随堂上机实验，针对该次教学的理论内容设计实验，将实验融入到理论课程中。微机原理的理论内容较为枯燥，单纯地讲述和教师演示的方法不能给学生留下很深的印象，而通过随堂实验的实际操作，学生可以更深刻地理解刚学习的理论知识，并且可以很大地提高学习的兴趣。
另一方面，通过随堂实验，学生在理论课中得到了基本的实验训练，掌握了基本的编程技能，在专门的实验课时中，我们即可设计一些综合性的有专业特色的实验内容，如心电信号采集系统的设计实验。该实验利用了实验室已有的微机原理实验箱，以及为《生物医学传感器》和《医学仪器原理》课程配置的医学电子教学综合实验箱，实验内容综合了汇编语言程序设计、a/D数据采集以及串口通信等课程知识点，利用随堂实验完成的软硬件功能模块，综合设计实现了一个简单但相对完整的基于微机的虚拟医学仪器，很好地体现了综合性与专业特色。
2.专业实验教学体系改革。微机原理课程作为生物医学工程集成创新实验平台建设的一个重要环节，在实验设计中还需加强前后知识体系的衔接，与之相关的专业课程包括《生物医学传感器》、《医学仪器原理》以及《医学信号处理》等。通过对这些课程实验的统一设计，建立完整的实验体系。如我们以心电图信号为线索，在《生物医学传感器》课程中设计了心电传感器实验，在《微机原理》课程中设计了前述的心电信号采集系统实验，在《医学仪器原理》课程中设计了心电放大器设计实验，在《医学信号处理》中设计了心电图分析实验。学生通过这样一系列的理论与实验课程学习，不仅能够更深刻理解各门课程的理论内容，并且能够掌握电子医疗仪器设备的较为完整的实际开发过程。
3.开放性实验体系。开放性实验教学作为一种新的实验教学手段，有助于形成适应应用型创新人才需求的合理培养模式，符合现阶段社会对人才类型、结构的需求，是培养应用型创新人才的必由之路，而培养应用型创新人才则是开放性实验教学的指导思想和目标。
作为课内实验的补充提高，以及创新性实验计划的体现，依托微机原理课程及实验平台，我们构建了一系列的具有专业特色的开放实验。开放实验课题，由指导教师结合科研工作，设计具有一定实用性、前沿性和探索性的集成创新实验课题，学生自由选择，作为课程实验的有益补充与扩展，形成课内课外的综合实验体系。
实验过程中我们开展任务驱动式实验教学，提出明确而适度的任务，激发学生学习兴趣；同时，注意难度与工作量适度，根据每个学生的不同能力差异设置不同的任务，防止因任务难度过大学生无法达成任务而造成积极性受挫、放弃任务的局面。另一方面，合理分解任务，提倡学生间的协作学习，通过小组讨论、协商，在有限的时间内以互相学习的方法进一步深化对开放实验课题的认识，同时培养学生的协作精神。
三、结论
实践证明，微机原理实验教学改革以及专业集成创新平台的建设，大大改善了教学效果，极大地激发了学生的学习热情，并使学生系统地接受科学思维方法、科学发现模式的教育和培训，提升了学生的创新实践能力，满足了行业发展对应用型人才的需求。
参考文献：
[1]艾信友，代冀阳，赵德，等.生物医学工程专业实践性教学的创新性研究[J].科技资讯，2007，（15）：247～248.
[2]王俊，马千里，董育宁.生物医学工程专业医学信号处理课程实践[J].中国科教创新导刊，2008，（34）：98～98.
[3]胡晓飞，曹正林，王俊.信息时代《生物医学传感器》课程教改探索[J].湖州职业技术学院学报，2011，（1）：18-21.
工业机器人论文篇10
[关键词]康复器械；模块化理论；教学方案
[中图分类号]G642[文献标识码]a[文章编号]1671-5918（2016）08-0108-03
doi：10.3969/j.issn.1671-5918.2016.08.050[本刊网址]http：//
一、引言
据2015年人口统计数据，我国60周岁以上人口已有22200万人，占全国人口总数的16.1%；65周岁以上人口有14386万人，占总人口10.5%；除此之外，我国还有残障人士近9000万的。随着生活水平的提高，我国人民不再满足基本的温饱问题，而是对生活质量和个人价值体现有了更高的要求。在这样的需求下，智能假肢、康复机器人、智能轮椅、智能家居等一系列康复辅助产品日益融人的人们的生活中。肢体功能障碍不再是一种疾病，而是看做缺失某个零件，只要适配合适的辅具便可继续实现自己的个人价值。随着社会对康复产品的需求日益增大，康复产业成为了朝阳中朝阳产业康复产业。然而，我国康复产业的发展较发达国家起步较晚，相关康复人才较少，并且由于我国传统康复概念，国内大部分高校设立的康复相关专业绝大多数为康复治疗学；对于工程类人才的培养还十分稀少，如上所述，我国缺少的更多的是具有康复工程背景的专业人才。上海理工大学根据人才形势需要建立了假肢矫形工程（康复工程）本科专业来满足社会对康复工程人才的需求。
康复工程技术是当今先进科学技术与人体康复需求相结合的产物，其任务是研究与开发用于人体功能评估、诊断、恢复、代偿以及重残者护理所需的各种设施。上海理工大学所建立的假肢矫形工程（康复工程）专业以培养医工结合、机电结合、兼容管理并具有实践动手能力的复合型高级工程应用人才为目标，开设了多门具有较强实践性专业基础课程，《人体康复辅助器械》是其中的特色课程之一。
《人体辅助康复器械》主要讲授内容包括辅助技术与康复器械两大部分。辅助技术是用于辅助技术装置（康复器械）或辅助技术服务的设计技术；康复器械（根据iSo标准的定义中文翻译应为辅助产品，但由于我国文化背景的需求，现在国内用辅助器具、康复辅助器具康复器械等名词，本文统一采用康复器械作为专属名词）根据《iSo9999assistiveproductsforper-sonswithDisability：Classificationandterminology》，其可分为12大类，132个次类，包括个人医疗辅助产品、训练技能辅助产品、矫形器和假肢、个人护理和防护辅助产品、个人移动辅助产品、家务辅助产品、住家和其他场所的家具及其适配件、沟通和信息辅助产品、处理物品和器具的辅助产品、环境改善辅助产品，工具和机器、职业康复产品，以及休闲辅助产品，目前已列入国际产品目录的产品有8000余种。辅助技术服务是直接帮助功能障碍者来选择、获取和使用辅助技术装置所做的任何服务。总的来说，人体辅助康复器械这门课是一个多学科交叉的课程，涵盖了康复医学、生物力学、人因工程学、仿生学、机械工程学、控制工程学、电子工程学、化学工程学、材料工程学及人工智能等多个学科领域。并且，现在康复产业的发展更需要能即刻工作，即具有独立适配各种康复器械的能力、具有独自设计康复器械的能力，并具有分析和评估康复器械和适配人需求的能力，因此该门课不能只局限于理论的教授，还需要让学生进行实操训练，真正做到培养可适应现代康复技术一线生产及研发需要的应用型人才。
由此可见，《人体辅助康复器械》这门专业基础课较其他课程具有如下特点：
（一）教学内容多样化
本门课程是一门多学科交叉课程，涵盖了各个学科的基础知识，但是从本专业整体的教学计划上看，学生无法在学习本门课之前把所有需要的基础知识学完，因此，本门课程在每一部分理论讲解的同时需增加部分与该课程相关的其他学科基础课。由此可见，本门课的教学内容不只包含12大类，132次类的康复器械产品学习与认知、辅助技术服务（尤其是适配服务）的学习，还要包含涉及到各学科的基础知识，如机械学科机械设计理论与产品设计理论的学习，电子学科中基本控制电路的设计理论等教学。只有教学内容多样化才能保证该门课的教学目标的实现。
（二）理论与实践结合密切性
由于康复器械是与人直接接触的一种特殊产品，所以从研发到应用，无论哪一个环节都需要技术人员具有足够的实践经验。对于一个刚毕业的本科生来讲，他们的实践经验来自于课堂，因此本门课必须将理论与实践相结合，避免学生在实际操作过程中出现纸上谈兵的尴尬情况。
在此背景下，作者基于模块化理论提出模块化教学来解决传统教学方法在这样应用型课堂教学不足的缺点。
二、模块化理论
H.Simon最早提出了“模块”的概念，他将在进化环境中促使复杂系统均衡动态演进的特别结构称为模块。美国心理学教授michaelGazzaniga在此基础上，提出大脑是各个神经系统的子系统以模块形式组织在一起的。自此，一些学者开始对模块化进行深入研究，将模块化理论应用到重型设备的设计、手表、自行车、快餐及教育、法律等领域。
模块化理论在20世纪70年代初被国际劳工组织研究开发，形成一种以现场教学为主，以技能培训为核心的教学模式，即模块式技能培训。从而形成由若干不同又相互联系的功能部件组成动态的教学过程，通过教学目标贯穿整个教学的新型教学方式。
随着模块化教学方式的形成，许多具有实践性的课程逐渐开始引用这种教学方式来弥补传统教学中枯燥、理论与实际相脱离等缺点。但是模块化教学能够合理的实施却要注意以下几点：
（一）模块的划分
将一门课程根据不同的功能划分成多个模块是模块化教学的根本条件。然而一门课程不同于一项产品设计，每节课的内容都有较强的关联性，因此，如何划分一门课程是模块化教学成功的关键点之一。
（二）学生的个体差异性
学生学习能力及基础各不相同，对知识理解的能力也存在差异，学习的主动性也会大不相同。因此，如何设计模块化内教学目标才能满足不同学生个体学习需求是模块化教学难点之一。
（三）实践教学的实施
模块化教学是实践性课程进行的必要教学方式，如何结合知识点的实践性教学也是模块化教学的难点之一。
三、《人体辅助康复器械》模块化教学方案设计
（一）模块的划分
教学内容多样化，在规定课时的限制下，很容易引起教学内容过于科普化，前后内容不连贯的问题产生。传统的课堂教学方式主要有讲授、提问等两种方式，将多样化的教学内容通过这两种方式进行教学，会造成课堂单一、枯燥，调动不起课堂学习气氛等问题；除此之外，该门课强调实践教学，即需要锻炼学生的实操能力，因此，该教学方法也无法实现教学目的。因此，结合这两点现存的问题，本文提出一例带全课程的教学方案，一例就是利用一个轮椅适配、设计的例子来贯穿整个教学内容。由于多样化的教学内容，本课程必须借用模块化理论将整门课内容进行模块化划分，然后再通过实例进行前后贯穿。基于此，本课程将分为两大主模块--理论模块和实践模块。理论模块根据知识点分成辅助技术、辅助技术服务、康复器械设计三个模块。其中，辅助技术再分为人工智能技术、脑机接口技术和物联网技术三个子模块，通过三种先进技术的教学让学生了解目前康复器械前沿技术。辅助技术服务重点讲适配服务，包括以机构为主的适配服务模块和以人为主的适配服务模块。康复器械设计包括产品设计、计算机辅助设计、康复器械设计三个子模块来诠释康复器械设计的技术要点内容。实践模块即为实操模块，根据理论模块的内容也分为辅助技术实践模块、辅助技术服务实践模块和康复器械设计实践模块三大模块。如前所述，本课拟通过一个案例贯穿课程始终，因此实践模块详细划分为：智能轮椅、脑机接口轮椅、物联网中的智能轮椅、个人轮椅适配、公共轮椅适配、轮椅个性化设计等六大模块，将每次课程都分成理论模块与实践模块，使学生能够做到学到即用到，牢固掌握知识点，学习目标明确。
（二）模块内目标的设计
如前所述，模块化教学的难点之一是满足学生的个体差异性，但是如果设立的目标出现等级的划分，很容易引起学生的抵触心理，反而不利于教学的开展。因此，本课程将教学目标根据模块内容设立三个目标，第一个目标为基础目标，主要是理论模块内容基本概念的掌握与理解；第二个目标为进阶目标将理论模块内容在实践操作中的应用掌握；第三个目标为创新能力培养目标，主要是结合前面两个目标，拓展学生的创新思维，提高自身知识应用于创新能力。每个目标的等级不同，学生不仅可以在课堂上完成，也可在课下思考，最终完成三个目标，最大程度的降低学生的个体差异性。
（三）实践教学的方案设计
实践教学是本门课程的难点，本课程采用本体感觉方法来让学生对本课程内容有更深入的了解。本体感觉概念来源于康复医学，旨在利用患者自身感受来帮助患者恢复器官功能。将“本体感觉”应用在《人体辅助康复器械》课程教学中，一方面让学生互相适配康复器械，感受现存康复器械优缺点，增加其学习兴趣，并引导其在设计中所应注意事项，依据自身本体感受学习并设计或改进康复器械，最终达到设计实践的目的，该方法还可激发学生学习的主动性。在本文研究中，实践模块根据理论模块内容分成六大模块，根据每个模块内容特点，让学生真正理解所学内容与掌握技能。例如轮椅适配和设计两大模块，首先请学生自己操控轮椅，根据自己对轮椅操控的感受来讲解适配原则与理由，再对所操控轮椅提出改进方案，并利用3D建模软件进行实施，或者利用现有产品进行改进，充分感受适配原则BaD（Buy-adapt-Design）原则。除此之外，本门课将针对临床适配和工程设计两大专题，聘请临床适配技师和康复器械设计工程师进行专题化教学，从而增加学生的动手能力和实际工作经验。
四、实践与讨论