机器人创新设计教学探讨

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1引言

我国作为一个工农业发展大国，对机械产品的需求量很大。随着科技的发展，传统的机械产品单一化功能已不能满足时展的要求，社会亟需多功能化的机械产品来解决工程科技面临的难题，同时也对机械类专业人才提出了新的挑战：机械产品的研发创新。机械类专业不仅是一个传统专业，而且是一个不断融合和创新的专业。为了响应国家号召，我校机械工程学院开设了机器人创新设计这门课程，以培养学生综合创新设计能力为目标，不断为国家提供创新型人才。机器人创新设计作为我校机械类专业创新型课程，也是一门多学科交叉学科，涉及机械原理、机械设计、理论力学等课程抽象的理论知识，其中对机构的创新设计与机构运动学与动力学的实现是该课程的教学主线。当前，对设计机构进行运动学和动力学分析的方法主要是图解法和解析法。图解法的主要特点是形象直观，用于平面机构分析简单方便，但精确度有限。解析法通过列运动方程将构件中已知的结构参数与未知的运动变量相关联，再进行求解。求解精确度高，不仅容易对机械的一个运动循环过程进行研究，而且还便于把机构综合问题和机构分析联系起来，以寻求最优方案，但数学模型比较复杂，计算工作量大，输出的结果也不能直观展示，严重妨碍了课程的教学效果与学生的学习积极性。本文将ADAMS仿真技术应用于机器人创新设计课堂教学，提出理论教学与软件平台相结合的方法，为该课程教学改革提供一种思路。

2ADAMS功能介绍

随着计算机技术的快速发展，虚拟样机技术逐渐成为一项应用广泛的计算机辅助工程（CAE）技术[1]。其中，ADAMS软件由于其先进的“多功能数字样机”技术，成为了CAD/CAE/CAM领域中使用范围最广、应用行业最多的机械系统多体动力学仿真工具，被广泛应用于航空航天、军工制造、汽车、船舶、化工、铁道及重型机械等行业，国内外众多大型公司和知名企业也均把ADAMS作为其产品研发过程中机械系统动力学性能仿真的平台。凭借ADAMS软件内部集成的多样化建模功能、优越的分析能力及灵活的后处理手段，可建立复杂多样的机械系统“虚拟样机”模型，在虚拟工况下模拟其各种运动状况，从而使用户对机械系统的各种动力学性能进行有效评估。另外，通过参数化建模技术[2]，可以获得多种设计思路，直至提出最优设计方案，提高产品的性能指标和设计水平，缩短产品研发周期和成本。ADAMS以其公认的优越性被越来越多的工程技术人员使用，功能强大，具体如下：（1）利用交互式图形环境建立参数化三维实体模型，便于改进设计。（2）可以对机构进行运动学、动力学、线性、非线性、刚体及柔体分析，功能多样。（3）具有强大的接口处理能力，能与其他软件联合使用。（4）灵活多样的数据后处理功能，能生成动画、曲线及应力云图等等。（5）支持用户自定义的子程序，便于实现对机构的运动控制与优化。机器人创新设计这门课程的理念在于培养学生的创新意识和设计能力，并将设计的机构或模型进行运动仿真以检查机构设计的合理性与可行性[3]。ADAMS软件凭借其多功能特点正好能满足使用要求，具体分析流程如图1所示。

3教学现状分析

自我校开设机器人创新设计这门课程以来，得到了机械学院老师和同学们的广泛认可，每学期该课程的选修人数都在不断增加，为学院培养了一大批具有创新设计思维的人才，他们在学院或国家组织的“机械创新设计大赛”“未来飞行器创新设计大赛”“电子创新设计大赛”中均取得了一定成绩。虽然取得了一定的教学效果，但也对该课程的教学体系和教学方法提出了新的挑战。在实际的教学实践中，发现该课程在教学过程中仍然存在一些弊端，主要的问题如下：（1）该课程作为一门专业选修课。学生大多怀着挣学分完成课程任务的目的来学，不能引起学生足够的重视，严重影响了学生的课堂积极性与自主性。（2）课程知识体系涉及广泛，学科难度大。机器人创新设计这门课需要大量的先修课程为基础，其主要讲解的是机构的设计方法与机构的运动原理，对于初学者来说，机构的概念和运动的原理过于抽象化和理论化，学生不易掌握，教学质量比较差。（3）创新和设计对学生的发散思维要求比较高，学生不喜欢动手动脑。现在的许多大学生都形成了过于依赖的习惯，缺乏独立思考问题的能力，动手实践能力差，学习上难度加大。（4）一成不变的上课方式，不能激发学生的学习兴趣。课程以理论教学讲解为主，其中理论分析占用了大量的课堂时间，学生往往难以跟上学习进度，思想容易开小车，导致对课堂教学的兴趣越来越少。综上所述，对机器人创新设计的教学应该注意教学方式与方法的合理安排。把理论与实践紧密结合在一起，借助软件平台把抽象化的机构与运动机理通过仿真动画的形式展示出来，以此来提高学生的学习积极性与学习兴趣，同时培养学生独立思考问题的能力和动手能力，这是目前在教学改革上的主要方向。

4ADAMS课堂应用模式

为了达到教改目的，在机器人创新设计教学中引进ADAMS软件，希望以此来增强教学效果，提高学生学习热情，加深学生对知识的理解，我们重点进行了以下工作：4.1入门指导。在具体的课堂教学中引入ADAMS的学习，主要在理论教学时穿插介绍基本的ADAMS入门知识[4]。教师在上课时可以对机构进行简单的建模仿真分析，得到不同参数的机构运动动画和结果曲线图，使学生了解这种软件的使用特点和长处，让大家有兴趣学习这款软件，并用它来进行机构设计与分析。4.2加强课堂互动。为了避免传统的“灌输式”教学方法，改变枯燥乏味的教学方式，教师应该加强课堂的互动环节，积极引导学生探寻知识和理论的创新性应用。鼓励学生把安装有ADAMS软件的笔记本电脑带到课堂上来，当讲到设计方法和案例分析的时候，学生可以边听边操作，在具体的操作过程中，学生可以将理论与实践紧密结合，遇到不懂的问题也可及时提出并获得解答。这样不但学习了知识，也提高了学生的动手动脑能力。这种交互式的教学方法，能够充份调动学生的学习兴趣，提高教学质量，也优化了课堂教学过程。4.3课后作业布置。在课后，教师必须对学生提出明确的复习内容及复习要求，课后作业布置要少而精，以达到巩固教学的目的。引导学生使用ADAMS软件对课后习题或者设计方案进行分析，不但可以加深学生对知识的理解和掌握，而且可以达到拓宽学生知识面和熟练使用仿真软件进行创新设计的目的。另外，布置的作业要做到“有布必收，有收必阅，有阅必评，有评必改”。4.4教学考核评估。教学评估不以一张试卷作为唯一考核方式，考核形式要多样化。单纯的试卷考核较片面，不能真实地反映学生对知识的掌握程度和应用能力，实践中应该采用课程考试、课后作业、课上问答、自评与他评相结合的工作方法，综合评价学生的学习成绩。这样不但能提高学生的学习热情，也使教学评估更加规范化、常态化及制度化。

5结语

机器人创新设计课程以培养学生的创新设计能力为目标，结合机械类专业各学科的特点，将虚拟样机技术ADAMS软件融入到课堂教学中，提出了理论与实践教学于一体的教学模式，能够较好地改善教学效果，提高学生的学习热情，激发学生的创新思维，不但加深了学生对知识的理解，也提高了教学质量。

作者:宫赤坤 罗士淼 单位:上海理工大学机械工程学院

参考文献

[1]王国强.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,2002.

[2]陶峰.ADAMS虚拟样机技术在机械原理教学中的应用[J].化工高等教育,2005(2):103-104.

[3]郭卫东.Adams的教学探索与实践[J].计算机辅助工程,2013,22(A01):439-444.

[4]刘晓敏,赵云伟.ADAMS软件实践教学方法研究[J].高教学刊,2015(16):165.