機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺的實踐與探索

1、機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺的實踐與探索        摘要：創(chuàng)新性實踐教學(xué)平臺的建立，關(guān)鍵是逐步改革傳統(tǒng)的以驗證性實驗為主的實踐教學(xué)模式， 向綜合性實驗、設(shè)計性實驗和研究性實驗轉(zhuǎn)變。文中從構(gòu)建新型機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺，提高實驗室整體創(chuàng)新水平出發(fā)，探討了機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺建設(shè)的意義、目的和總體規(guī)劃，并對平臺應(yīng)用進(jìn)行了實踐和研究探索。 關(guān)鍵詞：機器人；創(chuàng)新；實踐；教學(xué)平臺 一、引言 創(chuàng)新性教學(xué)平臺是將知識、素質(zhì)、能力和創(chuàng)新融為一體的綜合性教學(xué)平臺，是大學(xué)生工程中的最高層次的教學(xué)平臺。從全國高校工程培訓(xùn)中心創(chuàng)新實踐可知，創(chuàng)新

2、意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)獲得了一定的重視，創(chuàng)新實踐活動已經(jīng)在不同層次、不同類型的學(xué)校以不同覆蓋面進(jìn)行。 從部分重點院校的創(chuàng)新性實踐平臺可以看出，目前創(chuàng)新平臺多以機器人為主，這是因為機器人是一部精密機械組合體，是一個典型的機電一體化系統(tǒng)，它融合了造型、機械、傳感器、機軟件硬件和人工智能等眾多先進(jìn)技術(shù)，是目前世界各國高校和研究所進(jìn)行教學(xué)研究和工程訓(xùn)練理想的實驗平臺。1機器人涉及到機、電、控制、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)等多方面知識，可使學(xué)生得到跨學(xué)科綜合能力的培養(yǎng)，使學(xué)生在實施項目的過程中建構(gòu)廣域的工科知識基地，對材料、機械、電子、計算機硬件、軟件、可編程控制和機電一體化流程有全面認(rèn)識。 我校作為地方性綜合

3、院校，與重點高校相比，在各種科技創(chuàng)新活動中，機器人類創(chuàng)新項目的參與程度比較低，有關(guān)機器人創(chuàng)新實踐教學(xué)還只是處于起步階段，因此探索如何利用機器人模型提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力是目前迫切需要解決的問題。 二、組建機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺的意義和目的 機器人研究是進(jìn)行創(chuàng)新思維訓(xùn)練、創(chuàng)新技能訓(xùn)練、工程實踐訓(xùn)練最理想的平臺。組建機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺對于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新動手實踐能力，對專業(yè)知識的鞏固和融會貫通、提升院校辦學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)生就業(yè)率等方面具有重要意義。 （一）培養(yǎng)創(chuàng)新動手實踐能力，對專業(yè)的鞏固和融會貫通。 目前許多各種工科專業(yè)都開設(shè)了電子電路、檢測技術(shù)與傳感器、嵌入式微控制器、控制原理與控制工程、單片機和微控

4、制器、數(shù)字電子和模擬電子、數(shù)字邏輯、檢測技術(shù)與傳感器等課程，但是課堂的的學(xué)習(xí)和一些簡單的驗證性實驗課程不足以滿足學(xué)生的求知欲望。無法根本轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)觀念。要從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變到主動學(xué)習(xí)，其中一個途徑就是讓學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性的訓(xùn)練，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。機器人作為一個新興的領(lǐng)域，具備多種新技術(shù)，而且具備趣味性，通過創(chuàng)新性的教學(xué)平臺能充分引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新動手的實踐能力。 組建機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺能為高等院校的學(xué)生和教師提供一個綜合的專業(yè)機器人教育和研究平臺，能通過采用系統(tǒng)的方法對實踐教學(xué)內(nèi)容、方法和手段進(jìn)行創(chuàng)新，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行單片機和微控制器、數(shù)字電子和模擬電子、數(shù)字邏輯、檢測技術(shù)與傳感器等課程進(jìn)行融會

5、和貫通 （二）提升學(xué)校的辦學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)院校知名度。 通過機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺，能夠培養(yǎng)校園學(xué)術(shù)研究氛圍，使學(xué)校的科研水平，學(xué)生的素質(zhì)進(jìn)一步得到提高。與此同時，由于近年來國內(nèi)和國際上各種機器人比賽層出不窮，通過創(chuàng)建機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺培養(yǎng)學(xué)生，積極參與國內(nèi)外機器人賽事，不斷取得優(yōu)異成績，這對提升院校知名度，具有重要意義。 （三）提升學(xué)生就業(yè)競爭力。 隨著產(chǎn)業(yè)的升級，就業(yè)競爭在不斷加劇，更需要動手強，具備專業(yè)知識過硬的中高端人才。目前適合企業(yè)的專業(yè)人才缺口相當(dāng)大，造成這種原因的本質(zhì)是學(xué)校教育過多地注重了知識的傳授， 而忽略了創(chuàng)新技能、動手能力和工程實踐能力的培養(yǎng)。學(xué)生通過參與機器人實驗室的學(xué)習(xí)和

6、工作，能增強就業(yè)競爭力，畢業(yè)后能夠廣泛適用于機電一體化、電氣工程、自動化工程等方向的就業(yè)需求，更好的適應(yīng)社會對人才的需求，做到學(xué)有所用，學(xué)所必用。 1         三、機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺的總體規(guī)劃建設(shè) （一）硬件平臺的建設(shè) 建設(shè)機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺需結(jié)合本校的實際情況。由于高端機器人經(jīng)費投入較大，受益人群較小，因此采取對中低端機器人的投入為主，高端為輔的策略。 低端機器人采用自制設(shè)備的方式，采用AVR單片機為控制平臺，小型直流伺服電機為動力源，加裝多種傳感器，自行設(shè)計電路板，制作小型機器人。通過調(diào)動師資力量，

7、開發(fā)出基本的控制程序庫，程序開源，并設(shè)計多種軟件接口，方便學(xué)生調(diào)用學(xué)習(xí)。該種機器人造價低廉，成本為千元以下，能夠配置2個班的數(shù)量，滿足人數(shù)較多的教學(xué)要求。 中端為進(jìn)階版本，采用ARM或DSP處理器作為控制核心，采用高精度數(shù)字舵機，構(gòu)建小型雙足人形機器人或多足機器人。既可以選購零組件自由搭配的產(chǎn)品，如BIOLOID的專家版機器人，也可以使用學(xué)校的車床和銑床自行加工通用型的構(gòu)件，學(xué)生能用這些構(gòu)件搭配出不同造型，風(fēng)格各異的機器人。 高端機器人技術(shù)含量較高，造價昂貴。一般針對具體比賽，如中型組足球機器人，機器魚競賽平臺等。大部分兄弟院校都是采用購買的形式，主要研究軟件開發(fā)、算法的改進(jìn)，如圖象處理等。這

8、些機器人較適合高年級及其研究生以上使用，受眾小，不適合大規(guī)模推廣，但少量的購置對提高院校的科研能力有所幫助。 （二）課程設(shè)置與實施方法。 以機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺為載體，針對不同專業(yè)，不同學(xué)習(xí)階段和層次的學(xué)生特點及專業(yè)教學(xué)的需求，組織師資力量，編寫出具有專業(yè)特色，從入門到進(jìn)階的教材，并提供創(chuàng)新性的教學(xué)、工程訓(xùn)練和實驗平臺。 機器人的硬件兩大構(gòu)成要素是機械部件和電氣部件。機器人硬件的基本結(jié)構(gòu)由機械系統(tǒng)構(gòu)成，操作和運動由電氣電子部件控制。機械部件主要包括減速機構(gòu)、移動機構(gòu)、連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)和同步帶傳動等。電氣電子部件包括伺服電機、電源模塊、機、微處理機、嵌入式系統(tǒng)、傳感器和控制電路等。

9、采用機器人模型作為創(chuàng)新性實踐教學(xué)平臺，是因為機器人堪稱機械設(shè)計 、電子工程、自動化及自動控制等專業(yè)課程實踐的最佳載體，可以在實驗過程中，對機械加工、機械傳動、氣動技術(shù)、電子電路和軟件編程等相關(guān)知識有更深刻的理解。2而軟件則主要涉及計算機和應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)，含括了圖象處理、語音識別、神經(jīng)、模式匹配、專家系統(tǒng)、智能路徑算法等方面。 因此在課程設(shè)置與實施上，一是可以結(jié)合學(xué)科的特點進(jìn)行設(shè)置，發(fā)揮學(xué)科特色。 例如：機電學(xué)生能夠結(jié)合數(shù)控加工課程，設(shè)計與加工機器人零件，進(jìn)行安裝、調(diào)試及運動控制；自動化專業(yè)的學(xué)生可以結(jié)合嵌入式課程的學(xué)習(xí)，對電機驅(qū)動進(jìn)行PID閉環(huán)控制等課程設(shè)計；計算機等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生結(jié)合圖象處理課

10、程，開設(shè)機器人視覺識別等進(jìn)階課程。 二是開展綜合性的創(chuàng)新實驗，鼓勵學(xué)生利用學(xué)科交叉的知識，打破孤立的知識體系，不同專業(yè)學(xué)生組成團(tuán)隊，進(jìn) 行多學(xué)科綜合性的創(chuàng)新性設(shè)計和驗證。 四、機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺的應(yīng)用 經(jīng)過一段時間的機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺的實踐中，我們發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行創(chuàng)新思維訓(xùn)練時，大多數(shù)學(xué)生對于機械創(chuàng)新和機器人創(chuàng)新興趣濃厚，但對于其中涉及到的機電一體化的、智能化的、對控制技術(shù)要求較高的知識，就會覺得不知道從何下手，甚至失去信心。 通過機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺，進(jìn)行一段時間綜合學(xué)習(xí)與創(chuàng)新訓(xùn)練以后，學(xué)生對材料的種類和用途、機械結(jié)構(gòu)、機械傳動、結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳感器和電子器件、單片機 、機器人控制 、機器人編程

11、等有了比較直觀認(rèn)知，同時通過實驗平臺，驗證了自己創(chuàng)意，組合出可控制的機器人后，增強了自信心 ，激發(fā)濃厚的興趣。 在機器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺的基礎(chǔ)上，除了綜合創(chuàng)新學(xué)習(xí)訓(xùn)練，我們組織了多個課題組，如多功能搜救機器人，迎賓機器人等，讓學(xué)有余力的學(xué)生參與進(jìn)來。實現(xiàn)更高層次的項目創(chuàng)新活動。通過自主研制各種機械產(chǎn)品和機器人，學(xué)生得以進(jìn)一步提高自己的創(chuàng)新能力和動手實踐能力。 我們在綜合訓(xùn)練和項目創(chuàng)新訓(xùn)練的過程中，通過組織去兄弟院校去參觀學(xué)習(xí)，舉辦機器人講座，介紹機器人最新成果等活動，提高學(xué)生的參與意識和興趣。由此不僅可以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力 ，而且使他們積累比賽經(jīng)驗，以便在省級和全國級的各種比賽中能發(fā)揮出更好的水平。由于本校的機器人教學(xué)仍在起步階段，因此該平臺還要在實踐中不斷改進(jìn)完善，更好的為本校師生服務(wù)。 ： 1 張勇，蘇學(xué)軍 組建人形機器人實驗室，構(gòu)建新型創(chuàng)新實驗平臺J 裝備 2008 （6）：129-13