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机械类专业人才培养模式

 论文栏目:人才培养论文     更新时间:2019/1/11 15:49:23   

摘要:本文针对当前国内应用型本科高校机械类专业课程设置相对独立,内容交叉不紧密的特点,提出了以机器人机构设计及控制为载体的人才培养模式.通过对机器人各模块本体机构设计、各模块及整体建模、各模块及整体控制方法设计、关节驱动模块设计、检测模块设计和最后的顶点项目环节将机械制造及其自动化专业的绝大多数学科基础课与专业基础课课程间建立了联系,同时借助机器人平台实现了理论与实践、软件与硬件的融合,扩展了学生的学科领域,该模式有助于创新型、应用型人才的培养.

关键词:机器人;机构设计;培养模式

目前国内高校机械类专业学生的课程设置都十分重视理论和实践结合,积极培养学生的实践技能,但由于学时和学生层次的限制,许多学校存在理论教学深度不够,教材内容更新滞后,配套的实验设施及器材老旧,无法满足社会及知识更新的需求.同时专业课程设置求全、量多,课程之间联系不强,实验、实训教学通常只针对各独立专业课程,缺乏关联多个专业课的综合性实验平台.这些原因导致学生掌握知识片面,缺乏对专业理论课程之间内部关联的理解,解决实际问题能力欠缺.无法在毕业后满足社会及企业的要求[1].随着信息技术的快速发展,当前工程应用各学科及学科内各个专业课程联系更加紧密,跨学科成为创新的新增长点,科技和社会的进步对机械类专业学生的教学提出了新的要求,社会对创新型人才的需求更加急迫,如何解决这些问题困扰了许多机械类专业的教师.

1如何满足工程教育专业认证标准

当前国内大多数高校机械类专业的培养方案都倾向于符合工程教育专业认证标准,制定的培养目标和毕业要求也是遵循这一标准.标准中明确指出了机械类的培养目标是:“培养具有较宽厚的基础理论和较扎实的机械设计、制造及自动化的专门知识,能在机械工程及自动化领域从事工程设计、机械制造、技术开发、科学研究、生产组织和管理等方面工作的工程技术人才”[3].毕业要求中明确了知识要求、能力要求、工程要求、特别要求四个要求.如何在有限学时和不增加学生负担的情况下,满足认证标准,需要有新的载体将课程体系联系起来.机器人集机械、电气、传感、控制、计算机和通信等多学科领域于一体[2],融软件与硬件、理论与实践于一身,是联系机械类各学科基础课与专业基础课,培养学生综合应用能力和创新实践能力的理想平台,是应对上述问题的有效实际载体.

2以机器人为载体的理论与实践教学

应用型本科高校机械类专业主要的基础理论课程、专业理论课程、实践课程参见表1.不难发现这些课程与机器人联系紧密,图1更从层次性、递进性角度给予了直观表示.下面以六自由度机械臂各层次设计为例进行说明.图1中右侧箭头表明了各模块随着各学期课程的情况逐层递进,其内在逻辑符合控制规律,即满足从系统硬件搭建、模块及整体建模、控制器设计、执行驱动、反馈检测各阶段.各层次右侧的双箭头表示在学完相应理论后可以进行的机器人各模块设计及实验,同时在设计时也能促进对各相应课程内在关系的进一步理解.

2.1机器人各模块

本体机构设计本阶段主要完成机械臂各模块的机械设计,包括基座、连杆、手爪.在学习完L1课程后,学生具备了看图及用计算机实现平面和三维绘图的能力,L2、L3课程能使学生具备对刚体和弹性物体的受力分析能力,Z1、Z2课程后学生将能设计多杆件的机械臂系统,在修完Z8课程后能完成各关节电机选取.可通过在计机上设计六自由度手臂完成S1课程设计.

2.2各模块及整体建模

机械臂是典型的机电一体化系统,除了需要较强机械专业背景外,还要具备电路的分析和设计能力,这需要L4、L5课程的知识,同时当对由各模块构成的整体机电系统建模时,还需要Z5课程的支撑.本阶段的工作和实践经验对于基于模型的控制算法设计极为关键.

2.3各模块及整体控制方法设计

机械臂的控制往往需要建立其运动学方程,有时候还需要构建动力学方程,采用的控制方法通常属于反馈控制,如PID控制.Z5、Z9课程能使学生具备设计六自由度机械臂控制算法的能力.

2.4关节驱动模块设计

机械臂关节运动有液压、气压、电动驱动三种方式.液压、气压驱动系统的组成与工作原理及其常见的驱动设备控制在Z3课程中进行讲授.学生在学习完Z4课程后,也将掌握机械臂关节的电动驱动方法.配套的相关实践课程在S2、S3中进行,课程Z6将使学生具有设计相关驱动模块的软、硬件能力.通过该模块的设计,能将上述课程的理论知识与实践技能有机地结合起来,实现了体系化.

2.5检测模块设计

要完成机械臂位置、姿态的精确控制和轨迹的快速追踪,就需要在反馈环节中加入高精度的检测器件,这里主要采用传感器.如采用测速发电机测量机械臂关节的运动速度;采用加速度传感器测量关节的位置[4];采用腕力传感器调节手指、手臂的位置,以合适的力度抓取物体.若想进一步提高机械臂的智能控制,还可采用视觉、滑觉、接近传感器[5].

2.6顶点项目

这里我们引入了国外高校实践课程最后阶段名为“顶点”的项目经验[6],让学生利用设计的机械臂在设定的不同的任务场景下完成随机任务.它一般历时一年,通常是动手的、跨学科的和基于团队的.该项目提供了一个全面的教育环境,使学生能接触到工程的广度、发展周期的各个阶段,以及管理一个项目组的挑战.顶点项目的推广将使学生在毕业时能顺利符合工程教育专业认证标准中毕业生的十二项要求.

结论

以机器人机构设计及控制为载体的人才培养模式,能把机械专业的理论知识和实践技能深度融合,实现了实践教学的层次性和递进性,扩展了学生知识的广度又兼顾了认识上的深度,通过面向具体任务场景的顶点项目,提升了学生利用团队协作解决复杂工程问题的能力,同时也具备了自主学习和创新能力.

作者:杨斌 单位:泰州学院

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