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機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)模式論文
摘要：本文針對當(dāng)前國內(nèi)應(yīng)用型本科高校機(jī)械類專業(yè)課程設(shè)置相對獨立，內(nèi)容交叉不緊密的特點，提出了以機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計及控制為載體的人才培養(yǎng)模式。通過對機(jī)器人各模塊本體機(jī)構(gòu)設(shè)計、各模塊及整體建模、各模塊及整體控制方法設(shè)計、關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊設(shè)計、檢測模塊設(shè)計和最后的頂點項目環(huán)節(jié)將機(jī)械制造及其自動化專業(yè)的絕大多數(shù)學(xué)科基礎(chǔ)課與專業(yè)基礎(chǔ)課課程間建立了聯(lián)系，同時借助機(jī)器人平臺實現(xiàn)了理論與實踐、軟件與硬件的融合，擴(kuò)展了學(xué)生的學(xué)科領(lǐng)域，該模式有助于創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人；機(jī)構(gòu)設(shè)計；培養(yǎng)模式
目前國內(nèi)高校機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的課程設(shè)置都十分重視理論和實踐結(jié)合，積極培養(yǎng)學(xué)生的實踐技能，但由于學(xué)時和學(xué)生層次的限制，許多學(xué)校存在理論教學(xué)深度不夠，教材內(nèi)容更新滯后，配套的實驗設(shè)施及器材老舊，無法滿足社會及知識更新的需求。同時專業(yè)課程設(shè)置求全、量多，課程之間聯(lián)系不強(qiáng)，實驗、實訓(xùn)教學(xué)通常只針對各獨立專業(yè)課程，缺乏關(guān)聯(lián)多個專業(yè)課的綜合性實驗平臺。這些原因?qū)е聦W(xué)生掌握知識片面，缺乏對專業(yè)理論課程之間內(nèi)部關(guān)聯(lián)的理解，解決實際問題能力欠缺。無法在畢業(yè)后滿足社會及企業(yè)的要求[1]。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前工程應(yīng)用各學(xué)科及學(xué)科內(nèi)各個專業(yè)課程聯(lián)系更加緊密，跨學(xué)科成為創(chuàng)新的新增長點，科技和社會的進(jìn)步對機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的教學(xué)提出了新的要求，社會對創(chuàng)新型人才的需求更加急迫，如何解決這些問題困擾了許多機(jī)械類專業(yè)的教師。
1如何滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)
當(dāng)前國內(nèi)大多數(shù)高校機(jī)械類專業(yè)的培養(yǎng)方案都傾向于符合工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，制定的培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求也是遵循這一標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中明確指出了機(jī)械類的培養(yǎng)目標(biāo)是：“培養(yǎng)具有較寬厚的基礎(chǔ)理論和較扎實的機(jī)械設(shè)計、制造及自動化的專門知識，能在機(jī)械工程及自動化領(lǐng)域從事工程設(shè)計、機(jī)械制造、技術(shù)開發(fā)、科學(xué)研究、生產(chǎn)組織和管理等方面工作的工程技術(shù)人才”[3]。畢業(yè)要求中明確了知識要求、能力要求、工程要求、特別要求四個要求。如何在有限學(xué)時和不增加學(xué)生負(fù)擔(dān)的情況下，滿足認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，需要有新的載體將課程體系聯(lián)系起來。機(jī)器人集機(jī)械、電氣、傳感、控制、計算機(jī)和通信等多學(xué)科領(lǐng)域于一體[2]，融軟件與硬件、理論與實踐于一身，是聯(lián)系機(jī)械類各學(xué)科基礎(chǔ)課與專業(yè)基礎(chǔ)課，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新實踐能力的理想平臺，是應(yīng)對上述問題的有效實際載體。
2以機(jī)器人為載體的理論與實踐教學(xué)
應(yīng)用型本科高校機(jī)械類專業(yè)主要的基礎(chǔ)理論課程、專業(yè)理論課程、實踐課程參見表1。不難發(fā)現(xiàn)這些課程與機(jī)器人聯(lián)系緊密，圖1更從層次性、遞進(jìn)性角度給予了直觀表示。下面以六自由度機(jī)械臂各層次設(shè)計為例進(jìn)行說明。圖1中右側(cè)箭頭表明了各模塊隨著各學(xué)期課程的情況逐層遞進(jìn)，其內(nèi)在邏輯符合控制規(guī)律，即滿足從系統(tǒng)硬件搭建、模塊及整體建模、控制器設(shè)計、執(zhí)行驅(qū)動、反饋檢測各階段。各層次右側(cè)的雙箭頭表示在學(xué)完相應(yīng)理論后可以進(jìn)行的機(jī)器人各模塊設(shè)計及實驗，同時在設(shè)計時也能促進(jìn)對各相應(yīng)課程內(nèi)在關(guān)系的進(jìn)一步理解。
2、1機(jī)器人各模塊
本體機(jī)構(gòu)設(shè)計本階段主要完成機(jī)械臂各模塊的機(jī)械設(shè)計，包括基座、連桿、手爪。在學(xué)習(xí)完L1課程后，學(xué)生具備了看圖及用計算機(jī)實現(xiàn)平面和三維繪圖的能力，L2、L3課程能使學(xué)生具備對剛體和彈性物體的受力分析能力，Z1、Z2課程后學(xué)生將能設(shè)計多桿件的機(jī)械臂系統(tǒng)，在修完Z8課程后能完成各關(guān)節(jié)電機(jī)選取�？赏ㄟ^在計機(jī)上設(shè)計六自由度手臂完成S1課程設(shè)計。
2、2各模塊及整體建模
機(jī)械臂是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，除了需要較強(qiáng)機(jī)械專業(yè)背景外，還要具備電路的分析和設(shè)計能力，這需要L4、L5課程的知識，同時當(dāng)對由各模塊構(gòu)成的整體機(jī)電系統(tǒng)建模時，還需要Z5課程的支撐。本階段的工作和實踐經(jīng)驗對于基于模型的控制算法設(shè)計極為關(guān)鍵。
2、3各模塊及整體控制方法設(shè)計
機(jī)械臂的控制往往需要建立其運動學(xué)方程，有時候還需要構(gòu)建動力學(xué)方程，采用的控制方法通常屬于反饋控制，如PID控制。Z5、Z9課程能使學(xué)生具備設(shè)計六自由度機(jī)械臂控制算法的能力。
2、4關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊設(shè)計
機(jī)械臂關(guān)節(jié)運動有液壓、氣壓、電動驅(qū)動三種方式。液壓、氣壓驅(qū)動系統(tǒng)的組成與工作原理及其常見的驅(qū)動設(shè)備控制在Z3課程中進(jìn)行講授。學(xué)生在學(xué)習(xí)完Z4課程后，也將掌握機(jī)械臂關(guān)節(jié)的電動驅(qū)動方法。配套的相關(guān)實踐課程在S2、S3中進(jìn)行，課程Z6將使學(xué)生具有設(shè)計相關(guān)驅(qū)動模塊的軟、硬件能力。通過該模塊的設(shè)計，能將上述課程的理論知識與實踐技能有機(jī)地結(jié)合起來，實現(xiàn)了體系化。
2、5檢測模塊設(shè)計
要完成機(jī)械臂位置、姿態(tài)的精確控制和軌跡的快速追蹤，就需要在反饋環(huán)節(jié)中加入高精度的檢測器件，這里主要采用傳感器。如采用測速發(fā)電機(jī)測量機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運動速度；采用加速度傳感器測量關(guān)節(jié)的位置[4]；采用腕力傳感器調(diào)節(jié)手指、手臂的位置，以合適的力度抓取物體。若想進(jìn)一步提高機(jī)械臂的智能控制，還可采用視覺、滑覺、接近傳感器[5]。
2、6頂點項目
這里我們引入了國外高校實踐課程最后階段名為“頂點”的項目經(jīng)驗[6]，讓學(xué)生利用設(shè)計的機(jī)械臂在設(shè)定的不同的任務(wù)場景下完成隨機(jī)任務(wù)。它一般歷時一年，通常是動手的、跨學(xué)科的和基于團(tuán)隊的。該項目提供了一個全面的教育環(huán)境，使學(xué)生能接觸到工程的廣度、發(fā)展周期的各個階段，以及管理一個項目組的挑戰(zhàn)。頂點項目的推廣將使學(xué)生在畢業(yè)時能順利符合工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中畢業(yè)生的十二項要求。
結(jié)論
以機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計及控制為載體的人才培養(yǎng)模式，能把機(jī)械專業(yè)的理論知識和實踐技能深度融合，實現(xiàn)了實踐教學(xué)的層次性和遞進(jìn)性，擴(kuò)展了學(xué)生知識的廣度又兼顧了認(rèn)識上的深度，通過面向具體任務(wù)場景的頂點項目，提升了學(xué)生利用團(tuán)隊協(xié)作解決復(fù)雜工程問題的能力，同時也具備了自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力。
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