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高校机器人控制技术成果案例——哈尔滨理工大
哈尔滨理工大学--- 机器人控制技术
课程建设紧紧围绕 “将以教学为主的教学型大学,逐步建成较高水平的教学研究型大学”的办学定位,结合“以学科建设为龙头,以教学工作为中心,以科学研究为支撑”的发展战略,为满足培养自动化专业多元化人才的需求,课程团队一直对课程的教学内容和教学体系进行不断的探索和改革,主要措施和成果如下:
1、以国外先进教材为基础,合理规划整合课程内容,使学生对机器人的全面内容更易于整体掌握;并采用案例化教学方式,加深学生对课程的消化理解。
《机器人控制技术》是一门集机器人机构、数学建模、运动学及其控制和传感器等技术为一体,多学科交叉融合的课程,授课内容多而杂,课程体系建设是一个难题。
本课程是从运动学建模、分析、运动规划、电机驱动及 其编程控制等,结合自行研制开发的实际教学机器人样机,对机器人进行系统讲解;综合了运动控制技术、机电一体化技术、传感器技术、微机原理与接口技术、C语言及其编程等多门课程及其相关知识;通过本课程的学习可使学生进行简单的机器人系统设计和分析。
同时,结合自行研制开发的SCARA型机器人进行贯穿整个课程的案例式教学,对该机器人从运动学建模、运动学分析、运动规划、电机驱动及其编程控制等分别以实际案例进行系统讲解,并结合实验教学使学生从机器人实体和实际工程上对其进行消化理解。
2、建立全方位的实践教学体系,培养学生主动参与能力;依托学院大学生电子协会、机器人协会组织学生课外科技活动,培养创新型人才将课程的实验教学与学生的科技活动、开放性及创新型实验相结合,建立一套全方位的实践教学体系,课程团队每位教师均参与开放、创新型实验和课堂相关实验教学,结合科研提高学生的机器人控制设计能力和水平,培养学生的创新能力和创新意识。依托学院大学生电子协会、机器人协会和各个班级成立的科技小组,丰富学生课外科技活动,让他们参与课程团队相关的科研项目,培养学生的创新意识、能力和合作精神。同时,带动全院学生对机器人课程的学习兴趣,起到以点带面作用。另外,鼓励学生积极参与大学生“挑战杯”、“电子设计大赛”等科技创新大赛,并取得丰硕成果,学生们通过这些实践锻炼也提高了就业竞争力。
3、自主研发的教学机器人为本课程提供了原型和支撑,自主研制的运动控制单元对机器人提供了底层的运动控制技术,实现了科学研究支撑教学的发展战略课程团队自主研究开发的SCARA型教学机器人作为本课程各相关章节讲授的实际样机模型,使得学生在本课程学习中始终有一个具体的参照模型,也使得学生对机器人这样一个高科技的复杂产品有了更形象和具体的认识。尤其是结合此机器人进行的3个实验有效地实现了理论教学、实践教学和科学研究的有机结合,学生对机器人既有了更深的感性认识,也提高了对机器人的学习兴趣。课程团队始终坚持贯彻教学和科研紧密结合的原则,本课程所有实验设备完全自主研发。获省科技进步二等奖的市攻关项目“一种通用型智能运动控制单元的开发研究”,及国家专利“基于专用运动控制芯片开发的运动控制器”和“基于数字信号处理和专用运动控制芯片运动控制器”的成果已应用于本课程的实验中,为使学生深入理解运动控制系统及C语言编程控制、机器人运动学分析及控制两个实验及其相关教学内容提供有力支撑。
4、引进国外先进教材与自有特色教材建设并举,完善精品课程资源建设
(1)[美]Saeed B. Niku著的《机器人学导论》其内容系统性强,作为本课程主教材。尤其是主要章节后面均有供学生对本章内容进一步消化理解的设计项目,在具体讲解时我们将该设计项目选定为我们自行研制开发的SCARA型教学机器人,在此基础上进行课程讲解,使学生对高科技含量很高的机器人有一个常规的理解,提高学习兴趣;
(2)Mckerrow出版的《Introduction to Robotics》在机器人结构建模上有其独到之处,尤其是对机械结构理解能力较差的自动化专业学生的具有易读性,因此在机器人结构建模讲解上主要参照本书的D-H坐标系建立一章;
(3)课程进行了贯穿全部教案的“SCARA机器人”运动学建模、运动学分析求解、运动规划、驱动控制及其计算机编程控制的案例式教学,使学生课堂教学有如身临机器人现场的感觉;
(4)最终目标使得学生不但对机器人热爱、了解,更为主要的是可进一步对其进行实际设计和编程控制;
(5)在上述各项工作基础上,积极筹备已列入高等教育出版社出版计划《机器人控制技术》教材的编著工作。
《机器人控制技术》已评为校级精品课程,课程团队完成了精品课程总体规划、建立了精品课程网站,制作了多媒体课件、电子讲义等现代化的教学资源,实现了教学文件、教学录像、习题库、试卷等的上网发布,还建立了网上答疑系统。这一系列精品课程建设成果不仅为学生提供了现代化的教学手段,使学生能随时浏览教学内容,也为学生自主学习提供了条件,取得了良好的教学效果。
5、科研与教学相互促进,共同提高
(1)课程团队自主研究开发了两自由度运动平台、三自由度直角坐标机器人、SCARA型机器人及六自由度关节机器人。所开发产品由于其开放特色对相关大学本科教学水平评估做出了贡献。
(2)结合课题组承担的获得省科技进步二等奖课题开发的运动控制器成功地应用于2、3、4、6自由度教学机器人,使学生易于从底层对运动控制进行理解。
(3)上述运动控制器还成功地应用于课程团队教师承担的在加拿大上市公司的玻璃钢管缠绕机控制系统中,科研经费近600万元,并申报多项专利和相关科研课题。
(4)课程团队也结合上述运动控制研发基础对国产先进的固高运动控制器进行改进,实际生产中取得良好效果;还将国外先进的翠欧、PMAC、研华运动控制器在课中进行系统介绍,使得学生毕业时能很好适应工作需要。
(5)课程团队教师与加拿大合作开发的水轮机叶片修复机器人获加拿大国际发展署样板项目,项目负责人获政府友谊奖并参加了国庆观礼;以该合作项目为基础申报并获准了两个科研项目。
(6)课程团队教师结合基于传感器技术的机器人作业申报并获准1项863项目、3项省部级科研项目和2项863开放实验室基金课题。
6. 本门课程建设带动了一个专业模块方向课程的整合建设;研究成果成功转化,实现了教学资源的共享和辐射
在上述相关工作基础上,与本课程同一个专业模块方向的机电一体化技术、运动控制技术两门课程建设也随之得到了促进;同时,与本课程密切相关的C语言程序设计、单片机原理及应用、微机测控接口技术也得到进一步深化理解;通过本课程这些相关课程内容得到了有机结合;这些工作使得本课程、也包括本专业模块方向深受学生的欢迎。
课程团队的研究成果通过技术转让,由哈尔滨科利达智能控制有限公司进行销售和维护,使SCARA教学机器人行销全国,目前已在成都电子科大、广州农业大学、东北林业大学、武汉科技大学及沈阳航空航天学院等多所高校应用于教学中;系列教学平台被清华大学、哈尔滨工业大学、东北林业大学、南昌航空航天学院等院校采用,成果的转化和成功应用,使课程的实验教学设备被广泛使用,资源得到共享,在国内的占有率和影响力不断提高。
 

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