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時間：2022-08-09 03:09:37
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智能機(jī)器人作為一個最為典型的工程系統(tǒng)對象，涵蓋了機(jī)械、電氣、信息、通訊、控制、系統(tǒng)等所有現(xiàn)代工程專業(yè)的內(nèi)容，因此機(jī)器人作為一個典型的系統(tǒng)對象，是所有創(chuàng)新工程專業(yè)教育改革的理想載體，可以貫穿工程訓(xùn)練、專業(yè)基礎(chǔ)教育和專業(yè)創(chuàng)新教育的全過程，是教學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究的最理想的平臺。智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室是一個涉及多學(xué)科，測、控充分結(jié)合的實(shí)驗(yàn)室，集各種傳感與執(zhí)行機(jī)構(gòu)于一體，又是一個測控一體化的綜合實(shí)驗(yàn)對象。
首都師范大學(xué)智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室是專門服務(wù)于智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)和實(shí)踐的系統(tǒng)平臺，是高年級智能機(jī)器人、模式識別等專業(yè)課程的實(shí)踐創(chuàng)新基地。經(jīng)過近10年的建設(shè)發(fā)展，我們在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、實(shí)驗(yàn)體系研究、目標(biāo)定位等方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。
1 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)定位和配置
智能機(jī)器人與模式識別是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的特色，其中，智能機(jī)器人重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生在智能機(jī)器人設(shè)計(jì)與開發(fā)、智能機(jī)器人傳感器技術(shù)、智能控制、多傳感器信息采集與融合等方面的實(shí)際應(yīng)用能力；模式識別是基于信號處理、人工智能、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，用機(jī)器代替人去識別和辨識客觀事物，用數(shù)學(xué)技術(shù)方法來研究模式的自動處理和判讀的學(xué)科內(nèi)容，其相關(guān)系統(tǒng)理論和方法的研究近年來迅速發(fā)展，因此實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)主要圍繞這兩門課程的實(shí)踐教學(xué)和科研活動展開。
實(shí)驗(yàn)室自2005年創(chuàng)建，占地面積約150m2。根據(jù)教學(xué)實(shí)踐需要，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備配置包括通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、小型組足球機(jī)器人、輪式智能移動機(jī)器人平臺、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐中級套件、示教型教學(xué)工業(yè)機(jī)器人、各種傳感器等。軟件系統(tǒng)包括Matlab、機(jī)器人編程系統(tǒng)、通用編程語言環(huán)境、模式識別工具箱等，在這些設(shè)備的基礎(chǔ)上，開展智能科學(xué)與技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)。隨著設(shè)備的老化，根據(jù)課程發(fā)展的需要，實(shí)驗(yàn)室即將購進(jìn)人形機(jī)器人、滅火機(jī)器人、游歷機(jī)器人以及自主設(shè)計(jì)機(jī)器人的各類配件。
2 實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)體系
2.1 通用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)體系
根據(jù)智能科學(xué)與技術(shù)的學(xué)科特點(diǎn)，智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室提供循序漸進(jìn)的系統(tǒng)訓(xùn)練課程：初級課程、中級課程、高級課程，具體開課情況見表1。
（1）針對低年級學(xué)生的系統(tǒng)化基礎(chǔ)工程訓(xùn)練：學(xué)生可以利用該平臺，進(jìn)行學(xué)科基本能力的培養(yǎng)，包括計(jì)算思維能力、算法設(shè)計(jì)與分析能力、程序設(shè)計(jì)能力、開發(fā)應(yīng)用能力等；并能夠動手組裝和調(diào)試簡單電路；編寫控制軟件；獲得全方位的、系統(tǒng)化的基礎(chǔ)工程訓(xùn)練。
（2）針對中年級學(xué)生：可以利用該平臺，進(jìn)行系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，要求學(xué)生能夠站在系統(tǒng)的全局去看問題、分析問題和解決問題，從而更加深入地學(xué)習(xí)并實(shí)踐自動控制、電子電路、微機(jī)原理接口技術(shù)及應(yīng)用、單片機(jī)原理與應(yīng)用等學(xué)科知識與試驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)合起來。
（3）針對高年級學(xué)生：利用該平臺，深入研究目前前沿的學(xué)科知識，進(jìn)行人工智能、圖像處理、語音識別、機(jī)器人自主導(dǎo)航、運(yùn)動控制、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械電子學(xué)、電機(jī)拖動、機(jī)器人學(xué)、自動控制、數(shù)字控制、先進(jìn)控制、智能控制、傳感器、傳感器信息融合、信號處理、模式識別、人工智能、面向?qū)ο缶幊?、軟件工程、圖像處理、語音識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等多學(xué)科的研究驗(yàn)證，進(jìn)行創(chuàng)新能力培養(yǎng)。
2.2 智能機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)體系
智能機(jī)器人是首都師范大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)高年級學(xué)生的重要專業(yè)課程，涉及的學(xué)科范圍包括力學(xué)、機(jī)器人拓?fù)鋵W(xué)、機(jī)械學(xué)、電子與微電子學(xué)、控制論、計(jì)算機(jī)、生物學(xué)、人工智能、系統(tǒng)工程等諸多課程，是理論性、實(shí)踐性和綜合性很強(qiáng)的課程，也是培養(yǎng)學(xué)生具有機(jī)械設(shè)計(jì)能力、能夠直接解決實(shí)際問題的課程。該課程授課課時為36學(xué)時，實(shí)驗(yàn)課時為36學(xué)時，達(dá)到了1：1的比例。
第一階段，教師以最為典型的能力風(fēng)暴機(jī)器人、示教—再現(xiàn)機(jī)器人為教學(xué)對象，讓學(xué)生掌握基本程序的編制，掌握電機(jī)的控制方法，掌握最簡系統(tǒng)的組裝、編程、調(diào)試的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)基本系統(tǒng)的各種控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人走正方形、機(jī)器人邊唱邊跳等經(jīng)典控制項(xiàng)目，從而對機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件編制以及優(yōu)化有一定的認(rèn)識。
第二階段，設(shè)計(jì)和開發(fā)自己的機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)，完成機(jī)器人綜合組裝、調(diào)試工作，在第一階段的基礎(chǔ)上增加一些標(biāo)準(zhǔn)傳感器知識，學(xué)生可以通過對典型傳感器，如紅外傳感器、光敏傳感器、碰撞開關(guān)、光電編碼器等使用學(xué)習(xí)，完成機(jī)器人跟人走、避障等實(shí)驗(yàn)。另外，學(xué)生熟練掌握完整智能控制系統(tǒng)的編程與應(yīng)用方法，為拓展其他各種傳感器與功能模塊的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
第三階段，學(xué)生可以在以上基礎(chǔ)上增加其他各種擴(kuò)展芯片、傳感器、大學(xué)生創(chuàng)新模塊套件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，熟練應(yīng)用不同傳感器，設(shè)計(jì)方案以及試驗(yàn)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)不同功能，例如完成語音控制機(jī)器人小車、加工車床等試驗(yàn)。通過這個環(huán)節(jié)，學(xué)生可以深入掌握不同傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理與應(yīng)用方法，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。
第四階段，面向競賽和學(xué)生科研課題，學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行自主創(chuàng)意或完成指定項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。在這個階段，學(xué)生可以對人工智能、圖像處理、自主導(dǎo)航、遺傳算法等前沿學(xué)科進(jìn)行深入研究及驗(yàn)證，例如火星隕石標(biāo)本采集概念機(jī)器人的設(shè)計(jì)、智能圖書存取系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。
2.3 模式識別課程實(shí)踐教學(xué)體系
模式識別課程是首都師范大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)高年級學(xué)生的重要專業(yè)課程，其目的是通過對模式識別基本理論、概念和方法的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠靈活運(yùn)用所學(xué)知識，借助計(jì)算機(jī)解決實(shí)際工程應(yīng)用中的自動識別問題，其主要任務(wù)是使學(xué)生掌握對物體進(jìn)行分類的有關(guān)理論和方法。實(shí)驗(yàn)課是本課程重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，目的是使學(xué)生掌握模式識別基本分類方法的算法設(shè)計(jì)及其驗(yàn)證方法。提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。本課程授課課時36學(xué)時，實(shí)驗(yàn)課時時。
第一類實(shí)驗(yàn)是安裝并使用模式識別工具箱。本次實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生了解模式識別軟件的具體形態(tài)、基本設(shè)置以及運(yùn)行流程，了解基本識別方法的工作過程。
第二類實(shí)驗(yàn)使用常用分類算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，例如，貝葉斯分類算法的原理和使用、最近鄰算法的分析試驗(yàn)。
第三類實(shí)驗(yàn)為課程設(shè)計(jì)，例如用支持向量機(jī)進(jìn)行人臉識別。本次實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生掌握支持向量機(jī)的運(yùn)行機(jī)理、參數(shù)選擇與快速算法等，了解在實(shí)際分類中學(xué)習(xí)樣本庫的重要性。
3 實(shí)驗(yàn)室發(fā)展成果
3.1 提高科研水平，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室良性發(fā)展
實(shí)踐證明，科研項(xiàng)目的研究對改善學(xué)科軟硬件條件作用重大。在帶動實(shí)驗(yàn)室建設(shè)上，科研課題以優(yōu)勢、特色學(xué)科為基地，購置大量先進(jìn)的儀器設(shè)備，構(gòu)建起堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)條件，在完成科研任務(wù)的同時，轉(zhuǎn)化為學(xué)科教學(xué)、科研發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，為培養(yǎng)高水平本科人才提供物質(zhì)支撐。首都師范大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)先后申請主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等國家級項(xiàng)目4項(xiàng)、省部級項(xiàng)目近20項(xiàng)，校級項(xiàng)目若干，發(fā)表包括SCI、EI檢索在內(nèi)的學(xué)術(shù)論文一百多篇，從而極大促進(jìn)了智能機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，為實(shí)驗(yàn)室的長期發(fā)展創(chuàng)造堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)和持續(xù)的科研動力。
3.2 開展學(xué)生科研，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力
智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)堅(jiān)持以智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室為依托，鼓勵學(xué)生申報(bào)、開展各級各類學(xué)生科研項(xiàng)目，進(jìn)行專業(yè)實(shí)習(xí)、完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，并按照本科生的學(xué)習(xí)發(fā)展階段，為學(xué)生規(guī)劃科研申報(bào)體系，如圖1所示。
近四年來，我們積極組織學(xué)生申請全國級大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃6項(xiàng)，參與學(xué)生近30人。申請校級各類學(xué)生科研項(xiàng)目近20項(xiàng)，參與學(xué)生近百人。通過有組織地、循序漸進(jìn)地開展學(xué)生科研，學(xué)生極大地發(fā)揮了鉆研精神和創(chuàng)新能力。
3.3 通過學(xué)科競賽，調(diào)動學(xué)生實(shí)踐積極性
中圖分類號： TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160132012
1 引言
隨著城市化的普及，人們經(jīng)濟(jì)收入的增加，生活水平的提高，人們對汽車的需求及購買力度越來越大，汽車需求量飛速增長，汽車車身涂裝是汽車制造中主要的生產(chǎn)工藝之一，它不僅能夠提高汽車產(chǎn)品的耐蝕性，延長汽車使用壽命，它還最直接地體現(xiàn)了汽車外表面顏色、光澤和亮度等質(zhì)量的優(yōu)劣，是人們對汽車質(zhì)量最直觀的評價(jià)[1]，所以它對汽車市場競爭力有著最直接的影響。在這種需求的驅(qū)動下，研究汽車涂料具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。實(shí)驗(yàn)室汽車噴涂機(jī)器人是根據(jù)生產(chǎn)線上的需求來模擬噴涂效果，是研發(fā)供生產(chǎn)線上使用涂料的重要設(shè)備。
2 汽車噴涂機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀
在國外，20世紀(jì)60年代末，挪威Trallfa公司發(fā)明了歷史上第1臺噴涂機(jī)器人，隨著時間的推移，國外機(jī)器人噴涂技術(shù)已相當(dāng)成熟。例如瑞士的 ABB 、日本的安川 MOTOMAN 和 FANUC、德國的 KUKA、法國的史陶比爾以及美國的 ADEPT是世界上處于領(lǐng)先的噴涂機(jī)器人。其中瑞士ABB 公司生產(chǎn)的靜電噴涂機(jī)器人最為著名。ABB公司在噴涂機(jī)器人設(shè)計(jì)制造方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，除此之外ABB公司還有其他的噴涂技術(shù)，所以ABB公司的產(chǎn)品被汽車行業(yè)廣泛使用[2-4]。
在國內(nèi)，噴涂機(jī)器人起步比較晚，于1990年前后，北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所機(jī)器人中心開始了對噴涂機(jī)器人的研究，我國研究機(jī)器人是在國外研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在此過程中還研發(fā)了不少周邊技術(shù)。2000以年來由于國內(nèi)汽車發(fā)展迅速，許多制造公司也在設(shè)計(jì)制造我國自己的噴涂機(jī)器人，在此同時國外的MOTOMAN公司與我國北京首鋼集團(tuán)合作；瑞士ABB公司在京滬建立分公司，以銷售噴涂機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人為主[5-8]，目前噴涂機(jī)器人已經(jīng)是我國需求最多的機(jī)器人之一，而我國在這方面相對落后，目前來看，我國大部分都是采用的國外的噴涂機(jī)器人，有的照搬國外的生產(chǎn)線，還存在維修，保養(yǎng)等問題，從而影響噴涂的發(fā)展。所以，設(shè)計(jì)制造出我國自己的噴涂機(jī)器人是非常迫切和必要的[9]。
3 實(shí)驗(yàn)室噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)及原理
3.1 實(shí)驗(yàn)室噴涂機(jī)器人的的整體結(jié)構(gòu)
實(shí)驗(yàn)室噴涂機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)分為6個部分如圖1所示： ①主體機(jī) ②中控機(jī) ③送料倉（升降艙）④轉(zhuǎn)向頭（1.旋杯，2.噴槍）⑤背板 ⑥X軸滑道。
3.2 汽車涂料實(shí)驗(yàn)機(jī)的工作原理
常見的涂料噴涂機(jī)構(gòu)：依據(jù)涂料霧化的原理可分為噴槍和旋杯2大類。依據(jù)加電的方式還可以分為內(nèi)部加電和外部加電2大類。其中最常用的噴涂類型有：手工噴槍噴涂，手工高流量低氣壓氣噴槍HVLP的噴涂，手工靜電噴槍噴涂，自動涂料實(shí)驗(yàn)機(jī)氣噴槍，間接加電旋杯（水性色漆）噴涂，直接加電旋杯（溶劑型色漆或水性色漆）噴涂等。
3.2.1 汽車實(shí)驗(yàn)機(jī)噴槍的工作原理
氣噴槍的工作原理是利用大流量的霧化空氣把油漆霧化成小液滴，利用壓縮空氣控制油漆小液滴和噴涂扇面的大小達(dá)到精確控制噴涂的目的。噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖2。
為了獲得良好的噴涂效果，噴槍噴嘴的尺寸和合適的頂針的選用取決于涂料的類型，不能超出規(guī)定的最大的出漆量如表1。
3.2.2 汽車涂料實(shí)驗(yàn)機(jī)旋杯的工作原理
旋杯是通過高壓空氣驅(qū)動高轉(zhuǎn)速氣馬達(dá)，由驅(qū)動帶動杯口帶有齒紋的高速旋杯來霧化涂料。在此同時控制旋杯周圍的成形空氣來控制漆霧扇面的大小，以達(dá)到精確控制噴涂的目的。旋杯的結(jié)構(gòu)原理圖3。
4 噴涂機(jī)器人的發(fā)展趨勢
4.1 適應(yīng)性發(fā)展趨勢
為了追求最好的噴涂過程中的靈活性和效率，從21世紀(jì)起汽車工業(yè)開始使用機(jī)器人來代替噴涂機(jī)械，與此同時開始使用機(jī)器人進(jìn)行涂料的開發(fā)。 與傳統(tǒng)的機(jī)械噴涂相對比，采用自動噴涂機(jī)器人噴涂有2個最突出的優(yōu)點(diǎn)：可以減少大約35%的噴槍數(shù)量；提高了噴涂效益。為了適應(yīng)高速噴涂，在內(nèi)表面噴涂和第2層金屬漆噴涂時都要采用高速旋杯來噴涂。隨著社會的發(fā)展，人們生活水平的提高 ，汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，汽車型號和車體設(shè)計(jì)在不斷變化。為了適應(yīng)這一變化，只有利用好噴涂機(jī)器人才可能實(shí)現(xiàn)這種迅速發(fā)展要求。
機(jī)器人的作用是控制噴槍或者旋杯，使之在噴涂過程中與工件表面保持最佳的角度和一定的距離（一般為200～250mm）。為了突破這一難度，工程師利用三維專門的軟件對噴涂機(jī)器人進(jìn)行三維模型處理，確定噴槍的移動路徑和工件的移動路徑，相應(yīng)的噴涂參數(shù)。然后將這些數(shù)據(jù)輸人機(jī)器人中控器，來控制噴涂機(jī)器人的整個噴涂過程。
4.2 安全環(huán)保
今天人們的環(huán)保意識日益增強(qiáng)，安全性越來越高，人們稱環(huán)保效果好的涂料生產(chǎn)廠為“綠色工廠”，技術(shù)陳舊的涂料生產(chǎn)廠為“褐色工廠”。無論是新建綠色工廠還是改造褐色工廠，建立噴涂機(jī)器人全自動噴涂，模擬生產(chǎn)線噴涂都是十分必要的。
4.3 零部件標(biāo)準(zhǔn)化
歐美發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的噴涂機(jī)器人基本上都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了社會化大協(xié)作和零部件的系列化“專業(yè)化”標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)[8]，而我國生產(chǎn)的零部件品種單一、結(jié)構(gòu)簡單、制造粗糙、裝配精度不合格，嚴(yán)重制約了涂料研發(fā)的發(fā)展，因此，我國要加快開發(fā)研制零部件，使零部件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化。
5 結(jié)論
在汽車行業(yè)速度發(fā)展的情況下，設(shè)計(jì)制造出我國自己的適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)器人是我國國情的新型噴涂機(jī)器人是必然要求。我國應(yīng)該借鑒外國成功的經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)的技術(shù)，加快對噴涂機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造，以提高噴涂機(jī)器人的實(shí)用性和先進(jìn)性。
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中圖分類號：TB
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
doi：10.19311/ki.16723198.2017.12.090
0引言
2010年7月份，國家經(jīng)過長期的深入調(diào)研和分析，頒布了《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010―2020年）》該綱要對于高等教育的發(fā)展規(guī)劃明確了高等學(xué)校應(yīng)適應(yīng)就業(yè)市場和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求，為國家培養(yǎng)更多的高質(zhì)量、多樣化的復(fù)合型、創(chuàng)新型人才。合肥學(xué)院（以下簡稱我校）是一所在“改革中誕生，開放中成長，創(chuàng)新中發(fā)展”的地方本科院校，堅(jiān)持“地方性、應(yīng)用型、國際化”的辦學(xué)定位，借鑒德國應(yīng)用科學(xué)大學(xué)辦學(xué)經(jīng)驗(yàn)，圍繞應(yīng)用型人才培養(yǎng)關(guān)鍵要素，進(jìn)行了系統(tǒng)改革和實(shí)踐，構(gòu)建了具有鮮明特色的應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系，為區(qū)域發(fā)展培養(yǎng)了大批高素質(zhì)應(yīng)用型人才?；埕~機(jī)器人可以針對不同專業(yè)和不同學(xué)習(xí)階段的學(xué)生開設(shè)有系統(tǒng)、有層次的創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，旨在培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立動手、分析問題和解決問題的綜合能力培養(yǎng)，以適應(yīng)我校的辦學(xué)定位。
1關(guān)于慧魚機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室
高校實(shí)驗(yàn)室是科學(xué)研究與實(shí)踐分析的基地，是高校培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的搖籃，學(xué)生可以通過一系列與理論學(xué)科相關(guān)的開放性實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生在鞏固理論知識的同時，實(shí)現(xiàn)理論知識和實(shí)踐操作的完美結(jié)合。源于德國的慧魚創(chuàng)意模型（又稱慧魚機(jī)器人）是一種技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類智趣拼裝模型，憑借其專業(yè)涉及面廣、延展兼容性強(qiáng)以及小巧輕便等顯著特點(diǎn)，很早就被引進(jìn)到中國高校的實(shí)驗(yàn)室，通過這些年的發(fā)展，慧魚機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置對于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力都具有很明顯的提升作用。而且隨著電子通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代新型科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，慧魚機(jī)器人也必將隨之具有更為廣闊的應(yīng)用空間，依然能夠在高校實(shí)驗(yàn)室課程教學(xué)中具有舉足輕重的作用。
慧魚機(jī)器人大體上可以歸納為以下幾大構(gòu)件：機(jī)械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、電子構(gòu)件以及氣動構(gòu)件。機(jī)械構(gòu)件主要包含一些硬塑模型如齒輪鏈條、蝸輪蝸桿、導(dǎo)軌連桿等；電氣構(gòu)件主要有小巧型驅(qū)動、傳動馬達(dá)等；電子構(gòu)件主要有各類電子傳感器、限位開關(guān)、微動開關(guān)、智能CPU，PLC控制板等；氣動構(gòu)件含一些小型的空氣壓縮機(jī)，用于提供驅(qū)動用的氣源。學(xué)生經(jīng)過對相關(guān)課題的理論分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，選取合適的構(gòu)件，并對構(gòu)件進(jìn)行有序的拼裝搭接，采用圖形化的PLC語言或者VB、VC等高級語言編程寫入控制器中，完成設(shè)計(jì)方案的實(shí)際模型并能夠成功運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)踐的交叉融合。
2慧魚機(jī)器人在課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐活動中的用
2.1要求學(xué)生在掌握專業(yè)理論知識的前提下，以慧魚模型為平臺，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力
理論成果要走入社會，進(jìn)入工廠，必須要經(jīng)得住科學(xué)實(shí)踐的證明和考驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室課程通過其直觀、清晰的教學(xué)方式，有助于學(xué)生提升和鞏固理論知識的認(rèn)識和了解。合肥學(xué)院機(jī)械系自從引進(jìn)德國慧魚公司的“慧魚創(chuàng)意組合模型”之后，很快便建立了機(jī)械創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。其主要目的是讓學(xué)生在掌握機(jī)械專業(yè)理論知識的前提下，以慧魚模型為平臺，把已學(xué)習(xí)專業(yè)理論知識實(shí)踐化、扎實(shí)化，并注入創(chuàng)新活動的基本技法，進(jìn)而將創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技法滲透到實(shí)踐活動中去。例如先通過理論知識學(xué)習(xí)機(jī)械自動化原理、機(jī)械自動化設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、機(jī)械創(chuàng)新等課程，然后通過慧魚模型在實(shí)踐中使學(xué)生對典型的工業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，制造過程有一個基本的體驗(yàn)和認(rèn)識，通過結(jié)合典型產(chǎn)品的制造加工過程，對學(xué)生進(jìn)行基本操作技能的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，實(shí)踐創(chuàng)新精神和解決問題的能力，并為今后從事制造和設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)。在整個慧魚模型實(shí)踐過程中我們可以了解現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)先進(jìn)制造技術(shù)，要求學(xué)生必須具有工程意識和綜合設(shè)計(jì)能力；熟悉有關(guān)的工程術(shù)語，了解生產(chǎn)中的主要技術(shù)文件及生產(chǎn)組織管理方式；要求學(xué)生具有創(chuàng)新能力，能夠利用慧魚模型進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新實(shí)踐。學(xué)生通過反復(fù)構(gòu)思、反復(fù)設(shè)計(jì)、反復(fù)拆裝，利用一切可行方法進(jìn)行創(chuàng)新，不斷地試錯和思維探索，學(xué)生的創(chuàng)新思維得到不斷的啟發(fā)，創(chuàng)新能力也得到極大的提高，從而更有利于適應(yīng)社會創(chuàng)新型復(fù)合型人才的需求。
2.2在慧魚模型的平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新
慧魚創(chuàng)意組合模型需要科學(xué)的拼接方式，并具有良好的拓展性，各高校實(shí)驗(yàn)室不斷開發(fā)出了一系列的慧魚工業(yè)模型產(chǎn)品，例如智能物流機(jī)器人，智能拆卸機(jī)器人、智能洗車系統(tǒng)、自由度機(jī)械手、智能硬幣分離系統(tǒng)、包裹翻轉(zhuǎn)機(jī)、智能綜合倉儲加工系統(tǒng)等經(jīng)典模型。它巧妙的利用若干種類的慧魚標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件和良好的兼容性和拓展性，精確、生動的模擬了各種復(fù)雜的工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備和流水線，這些工業(yè)系統(tǒng)可以用于學(xué)生在大學(xué)期間進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)、認(rèn)知實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)生第二課堂等實(shí)踐活動，在慧魚模型的平臺基礎(chǔ)上學(xué)生能夠自主設(shè)計(jì)、自主實(shí)習(xí)、自主實(shí)踐創(chuàng)新。
2.3通過參加全國機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽使學(xué)生在知識綜合應(yīng)用能力、工程意識、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等方面得到鍛煉
自2004年開始舉辦至今的全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽是國內(nèi)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)效果顯著的大學(xué)生競賽項(xiàng)目之一。該創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽吸引了包括清華、北大、浙大等一流名校在內(nèi)的全國各大高校喜歡思考和動手操作的學(xué)生們積極的投入?yún)⑴c，鍛煉了當(dāng)今學(xué)子們親自動手創(chuàng)作能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作配合能力和綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐能力，為優(yōu)秀人才的培養(yǎng)提供了廣闊的平臺。
我校是從2008年開始參加機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，參加比賽近十年，不僅豐富了學(xué)生的課外生活，而且提高了他們的專業(yè)素養(yǎng)，鍛煉了學(xué)生各方面能力。全國機(jī)械創(chuàng)新大賽分為實(shí)物組和慧魚組兩個組別，分別進(jìn)行選拔，按一定比例進(jìn)入全國總決賽。本屆比賽我校有3件作品參加了全國過機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽慧魚組的比賽，其中“高效硬幣分離機(jī)”作品獲得一等獎，“全能包裝機(jī)”和“硬幣分離專家”獲得二等獎。實(shí)物組也有3件作品進(jìn)入了參加了安徽省大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新大賽比賽，其中“硬幣清點(diǎn)包裝一體機(jī)”作品獲得安徽省一等獎，并進(jìn)入全國總決賽獲得了國賽一等獎。該作品融合了慧魚組“高效硬幣分離機(jī)”和“全能包裝機(jī)”機(jī)械和電子的技術(shù)優(yōu)勢。我校自2007年以來也一直舉辦每年一次的校級機(jī)械創(chuàng)新大賽，今年正在舉辦第十屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，在這次的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中，學(xué)生先進(jìn)行初期的作品設(shè)計(jì)，進(jìn)行各種方案的論證，在比賽后期的選拔中計(jì)劃以慧魚實(shí)驗(yàn)室為平臺，利用慧魚模型來驗(yàn)證各種方案和設(shè)想，經(jīng)過多次的實(shí)踐和修改，最終拿出一個最優(yōu)作品。
每一個作品都是從方案的提出到設(shè)計(jì)完成，從模型的初步搭建到不斷改建，從改進(jìn)型的模型到系統(tǒng)方案的更新設(shè)計(jì)，這是一個不斷循環(huán)反復(fù)的過程，每一步都能感受到學(xué)生不斷思索，不斷創(chuàng)新的積極意識和思想?；埕~模型的智趣性和易于操作性充分調(diào)動了學(xué)生們的主觀能動性，激發(fā)了學(xué)生內(nèi)在的原動力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。
3慧魚機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐研究
按照學(xué)院的辦學(xué)定位和市場需求，在人才培養(yǎng)模式和課程體系設(shè)置等方面，不斷進(jìn)行改革和創(chuàng)新，在注重基礎(chǔ)、拓寬專業(yè)口徑的同時，強(qiáng)化專業(yè)能力培養(yǎng)，尤其重視對學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，逐步形成了自己的專業(yè)特色?；埕~模型匯聚了工程實(shí)踐中各種典型的模型，是集教學(xué)、實(shí)踐、研究、比賽于一體的綜合平臺。它對課程體系的實(shí)踐效應(yīng)如圖1。
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摘要：在對課外教學(xué)和教學(xué)設(shè)計(jì)策略概念加以界定的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了機(jī)器人課外教學(xué)設(shè)計(jì)策略，包括機(jī)器人課外教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織、教學(xué)評價(jià)共四個方面的內(nèi)容，明確了機(jī)器人教學(xué)的教育目的、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)，探討了機(jī)器人課外教學(xué)組織模式的構(gòu)建。
關(guān)鍵詞 ：機(jī)器人；課外教學(xué)設(shè)計(jì)；組織模式；教學(xué)評價(jià)
中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-5727( 2014) 02-0124-03
機(jī)器人教育是時代和社會發(fā)展的必然，是學(xué)校培養(yǎng)科技創(chuàng)新型人才的重要載體，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新精神有著至關(guān)重要的作用。機(jī)器人課程日益受到重視，在各類機(jī)器人競賽的推動下，機(jī)器人課外教學(xué)也在如火如荼地開展。但是，為競賽而競賽、學(xué)生管理的自主狀態(tài)、師資配置不足、缺乏系統(tǒng)管理等問題在機(jī)器人課外教學(xué)中也是客觀存在。因此，機(jī)器人課外教學(xué)迫切需要重新審視，堅(jiān)持以培養(yǎng)人為中心，認(rèn)真分析機(jī)器人課外教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)組織、教學(xué)評價(jià)等，系統(tǒng)研究機(jī)器人課外教學(xué)設(shè)計(jì)策略。
概念界定
關(guān)于課外教學(xué)的概念國際教育界對“課外”的英文詞語不外乎兩種：“extra-curricular（課程之外）”或“extra-class（課堂之外）”。教學(xué)是教育目的規(guī)范下的、教師的教與學(xué)生的學(xué)共同組成的一種教育活動。從系統(tǒng)性和完整性的角度，本研究將“課外”界定于extra-class．同時把課外教學(xué)納入課程范疇。根據(jù)教學(xué)定義，進(jìn)一步明確：課外教學(xué)應(yīng)該包括“教(teach)”和“學(xué)(learn)”兩種不同性質(zhì)的活動，教學(xué)實(shí)施過程中的行為主體包括教師和學(xué)生，課外教學(xué)是在教學(xué)目標(biāo)指引下，由教師的教與學(xué)生的學(xué)系統(tǒng)組成的一種教育活動。
關(guān)于教學(xué)設(shè)計(jì)策略的概念策略是為達(dá)到某種目的使用的手段或方法。所謂教學(xué)策略，是在教學(xué)目標(biāo)確定以后，根據(jù)已定的教學(xué)任務(wù)和學(xué)生的特征，有針對性地選擇與組合相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織形式、教學(xué)方法和技術(shù)，形成的具有效率意義的特定教學(xué)方案。教學(xué)策略根據(jù)教學(xué)活動的內(nèi)容分為教學(xué)設(shè)計(jì)策略、教學(xué)實(shí)施策略和教學(xué)反思策略。教學(xué)設(shè)計(jì)是教學(xué)的首要環(huán)節(jié)，主要包括教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織、教學(xué)評價(jià)四個方面的內(nèi)容。
機(jī)器人課外教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)
確定機(jī)器人課外教學(xué)目標(biāo)首先要確定機(jī)器人教育目的和意義。從學(xué)生能力結(jié)構(gòu)上，可以將“機(jī)器人教育目的”理解為：推進(jìn)素質(zhì)教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力、團(tuán)體意識和合作精神、設(shè)計(jì)能力和研究能力以及跨專業(yè)綜合應(yīng)用能力。
教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)是對教學(xué)活動預(yù)期所要達(dá)到的結(jié)果的規(guī)劃，是教學(xué)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。合理的教學(xué)目標(biāo)是保證教學(xué)活動順利進(jìn)行的必要條件。教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)應(yīng)與教學(xué)內(nèi)容緊密相連，應(yīng)以教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，教學(xué)內(nèi)容的組織和實(shí)施應(yīng)能促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。教學(xué)內(nèi)容是學(xué)生所系統(tǒng)學(xué)習(xí)內(nèi)化的間接經(jīng)驗(yàn)和直接經(jīng)驗(yàn)的總和。根據(jù)建構(gòu)主義教學(xué)理論，教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)應(yīng)促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)而不是被動接收，應(yīng)激發(fā)學(xué)生思維，促進(jìn)知識內(nèi)化為技能，促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)自己的知識體系。
因此，機(jī)器人課外教學(xué)內(nèi)容需要教師認(rèn)真進(jìn)行選擇、加工、組織，遵循連續(xù)性、遞進(jìn)性和整合性的原則，同時教學(xué)內(nèi)容組織要考慮邏輯順序和心理順序。根據(jù)實(shí)踐，現(xiàn)將機(jī)器人課外教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式加以總結(jié)，如表1所示。
機(jī)器人課外教學(xué)組織模式
教學(xué)組織形式，就是教學(xué)活動中教師與學(xué)生的組合結(jié)構(gòu)形式，或者說是教師與學(xué)生共同活動在人員、程序、時空關(guān)系上的組合結(jié)構(gòu)形式。機(jī)器人課外教學(xué)因其靈活性、開放性、綜合性的特點(diǎn)，給課外教學(xué)的組織增加了難度。但通過實(shí)踐，逐步形成了以科技社團(tuán)為載體、以社團(tuán)組織課外教學(xué)活動開展為主線、以充分盤活資源為核心、以科技競賽為動力的師生互聯(lián)全員互動的機(jī)器人課外教學(xué)組織模式。機(jī)器人課外教學(xué)組織模式如圖1所示。
（一）機(jī)器人課外教學(xué)組織模式發(fā)展溯源
我們的研究最早從1996年開始，引進(jìn)了日本機(jī)器人教育的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國的具體國情，在機(jī)器人教育方面進(jìn)行了探索，并取得了一定的經(jīng)驗(yàn)，成功地組織了多屆大學(xué)生小型機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作比賽。將機(jī)器人教育與教學(xué)改革相結(jié)合，完成了全國職業(yè)技術(shù)師范教育委員會“九五”教育科學(xué)研究課題“電類專業(yè)現(xiàn)代職業(yè)技能開發(fā)一增設(shè)‘小型機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作’的教學(xué)內(nèi)容”項(xiàng)目的研究工作。
我們以“小型機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作”為課題，組織自控、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、工業(yè)設(shè)計(jì)等專業(yè)的教師組成跨學(xué)科的指導(dǎo)教師小組，吸收以上專業(yè)大學(xué)三年級以上的學(xué)生參加，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)改革試點(diǎn)。同時，在制作多臺不同結(jié)構(gòu)和功能的教學(xué)用智能機(jī)器人的基礎(chǔ)上，按照低成本、模塊化、系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)思想，研制了多種通用機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作的標(biāo)準(zhǔn)化模塊及多種傳感器模塊。系統(tǒng)采用開放式結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)需要，學(xué)生也可進(jìn)行特定的模塊設(shè)計(jì)。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行系統(tǒng)模塊配置，模塊設(shè)計(jì)，機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安裝、制作、調(diào)試、模塊軟件編程等環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)并制作小型機(jī)器人進(jìn)行比賽。
此項(xiàng)教育改革將機(jī)器人教學(xué)與第二課堂相結(jié)合，利用學(xué)生的課余時間延長畢業(yè)設(shè)計(jì)時間，提高了畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的綜合性。該項(xiàng)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究成果在第五屆“挑戰(zhàn)杯”天津市大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技競賽中獲科技制作類一等獎。
1997年，我們成立了電子工程師搖籃協(xié)會，組織開展電子競賽等科技活動：1999年，成立了機(jī)器人俱樂部，自主研制機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)開發(fā)平臺和各種機(jī)器人功能模塊，致力于機(jī)器人開發(fā)和研究，同時不斷研究和設(shè)計(jì)適合中國國情的比賽規(guī)劃。在星火創(chuàng)業(yè)協(xié)會成立后，以上三個學(xué)生科技社團(tuán)合并成立了大學(xué)生科技實(shí)踐中心，開展各項(xiàng)課外科技活動。
（二）機(jī)器人課外教學(xué)組織模式的形成
層層選拔，循序漸進(jìn)課外科技活動的實(shí)踐證明，科技社團(tuán)是機(jī)器人課外教學(xué)實(shí)踐的重要載體?？萍忌鐖F(tuán)與活動開展的思路逐步形成：電子工程師搖籃協(xié)會負(fù)責(zé)組織機(jī)器人相關(guān)培訓(xùn)、講座、參觀等，進(jìn)行機(jī)器人現(xiàn)成產(chǎn)品研究（包括實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證等），并通過小型科技競賽選拔學(xué)生到機(jī)器人俱樂部，開發(fā)機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)平臺，自主設(shè)計(jì)與制作機(jī)器人。同時選拔學(xué)生到專家實(shí)驗(yàn)室、研究所參與機(jī)器人相關(guān)課題研發(fā)，并參加全國的機(jī)器人大賽。堅(jiān)持循序漸進(jìn)的教學(xué)原則，如模式圖中的主線自下而上，對應(yīng)的機(jī)器人課外教學(xué)的難度從低到高設(shè)置，為不同專業(yè)、不同年級、不同興趣和特長的學(xué)生提供了多層面的選擇空間和學(xué)習(xí)平臺?？萍几傎惓蔀檫x拔、培養(yǎng)學(xué)生的重要手段。在教師的全面指導(dǎo)下，學(xué)生通過活動、競賽等進(jìn)階選拔，接觸到從社團(tuán)骨干到科技輔導(dǎo)員、從研究生到專家教授等多層面的輔導(dǎo)和培訓(xùn)，專業(yè)技能和綜合能力逐步提高。
全員參與，分工協(xié)作資源是機(jī)器人課外教學(xué)實(shí)施的重要保證。盤活資源能有效保證機(jī)器人課外教學(xué)質(zhì)量，有力提升資源效能，推動機(jī)器人課外教學(xué)的各項(xiàng)實(shí)踐活動。人是影響教學(xué)質(zhì)量的根本因素，教師在機(jī)器人課外教學(xué)中具有不可替代的作用。充分發(fā)揮教師作用的關(guān)鍵是全員參與。全員參與需要全體教師都能圍繞“機(jī)器人課外教學(xué)”明白自己該做什么、怎樣做、為什么這樣做、如何做得更好。在實(shí)踐中，學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)帶頭高度重視課外教學(xué)工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)模式，宏觀指導(dǎo)機(jī)器人課外教學(xué)工作，同時提供機(jī)器人課外教學(xué)必需的專家、教授、科技輔導(dǎo)員等人力資源和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備場地等資源的大力支持。我們在實(shí)踐中率先設(shè)立了科技輔導(dǎo)員崗位，負(fù)責(zé)指導(dǎo)科技社團(tuán)的各項(xiàng)活動，培養(yǎng)選拔科技人才，促進(jìn)學(xué)生科技水平提升和綜合實(shí)踐能力提高。同時設(shè)立了班級實(shí)踐委員，構(gòu)建了以班級為依托的學(xué)生科技實(shí)踐環(huán)境，改變了傳統(tǒng)意義上的班干部結(jié)構(gòu)，在班上設(shè)立了實(shí)踐委員。實(shí)踐委員負(fù)責(zé)在班里營造科技實(shí)踐氣氛，開展科技實(shí)踐活動，推薦并協(xié)助選拔學(xué)生進(jìn)入科技社團(tuán)。實(shí)踐委員對科技輔導(dǎo)員負(fù)責(zé)，接受科技輔導(dǎo)員的指導(dǎo)。同時，科技輔導(dǎo)員指導(dǎo)社團(tuán)的骨干力量對班級的科技活動給予相應(yīng)的支持和幫助。專家、教授不僅為科技社團(tuán)做培訓(xùn)和講座、指導(dǎo)學(xué)生參加科技競賽，而且從科技社團(tuán)選拔挑選學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)室課題研發(fā)，安排研究生參與活動中，指導(dǎo)研究生與本科生互助，快速提高、快速成長。此外，還通過校企合作，引入西門子獎學(xué)金，用于舉辦應(yīng)用創(chuàng)新類科技活動，并舉辦了“西門子杯”應(yīng)用創(chuàng)新類學(xué)生競賽。
機(jī)器人課外教學(xué)評價(jià)
機(jī)器人的基礎(chǔ)上自主開發(fā)了機(jī)器人上下料平臺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用真空吸附的工作原理實(shí)現(xiàn)板料的搬運(yùn)。制定并執(zhí)行了機(jī)器人運(yùn)動學(xué)控制以及機(jī)器人上下料模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，經(jīng)機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐，證明該實(shí)驗(yàn)方案能達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，在有限課時內(nèi)鍛煉學(xué)生的自主開發(fā)能力。
[關(guān)鍵詞]機(jī)器人;運(yùn)動學(xué);實(shí)驗(yàn)
[中圖分類號]G642.4[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1005-4634（2015）02-0103-03
0引言
機(jī)器人學(xué)的有關(guān)課程實(shí)質(zhì)上是迎接未來挑戰(zhàn)的有力武器和理想助手[1]。機(jī)器人教學(xué)在國內(nèi)高校中已被列入人工智能、自動化、機(jī)電一體化等的相關(guān)專業(yè)的課程之中[2]。機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)是燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)較早開設(shè)的一門針對高年級學(xué)生的專業(yè)課，主要介紹機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、雅可比矩陣、軌跡規(guī)劃、機(jī)器人控制以及機(jī)器人語言和離線編程等。該課程內(nèi)容抽象、邏輯性強(qiáng)、學(xué)生不易理解吸收。隨著工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中，掌握機(jī)器人的基本原理、控制過程以及應(yīng)用實(shí)例，對于機(jī)械電子工程專業(yè)本科生意義重大。
傳統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有限，課時安排僅圍繞理論教學(xué)大綱開展，無拓展性、開放性;實(shí)驗(yàn)形式單一，一切以教師的“教”為中心，學(xué)生只是被動地接受，演示型、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)多，創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)少，學(xué)生缺乏專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力，缺少獨(dú)立動手和創(chuàng)新的機(jī)會，抑制了學(xué)生的想象力、自由發(fā)揮空間和學(xué)習(xí)興趣。隨著社會對人才創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力要求的不斷提高，構(gòu)建創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系在培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力、創(chuàng)新能力等方面的重要性日益凸顯[3]。
本文在機(jī)電實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有ABB IRB1410機(jī)器人的基礎(chǔ)上自主開發(fā)了機(jī)器人上下料平臺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，制定了機(jī)器人運(yùn)動學(xué)控制以及機(jī)器人上下料模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。經(jīng)機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐，根
據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果以及研究過程中的心得體會證明該實(shí)驗(yàn)方案能達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，在有限課時內(nèi)鍛煉學(xué)生的自主開發(fā)能力。
1實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡介
1.1IRB1410工業(yè)機(jī)器人
ABB公司的IRB1410工業(yè)機(jī)器人工作周期短、運(yùn)行可靠，能大幅度提高生產(chǎn)效率。該機(jī)器人在弧焊、物料搬運(yùn)和過程應(yīng)用領(lǐng)域經(jīng)歷考驗(yàn)，能實(shí)現(xiàn)弧焊、裝配、上膠、密封、機(jī)械管理、物料搬運(yùn)等功能。承重能力為5 kg，上臂可承受18 kg的附加載荷;機(jī)器人工作范圍大、最長能到達(dá)1.44 m;其大臂背后設(shè)計(jì)有平行連桿及雙軸承支承結(jié)構(gòu)，對稱分布的接觸力使機(jī)械振動大為減小，因而比串行鏈接結(jié)構(gòu)更為堅(jiān)固、響應(yīng)更為迅速、工作空間更為集中，非常適合模擬汽車沖壓線的上下料任務(wù)。為本科生教學(xué)提供了良好的環(huán)境，為研究生科研搭建了良好的實(shí)驗(yàn)平臺。
IRB1410工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)包括：ABB IRB1410六自由度關(guān)節(jié)型串聯(lián)機(jī)器人、
ElexPendant示教器、IRC5控制柜以及RobotStudio/RobotWare離線編程軟件。
2機(jī)器人上下料實(shí)驗(yàn)平臺搭建
結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有ABB IRB1410機(jī)器人，參照汽車柔性自動化沖壓生產(chǎn)線機(jī)器人上下料系統(tǒng)，為之搭建相應(yīng)的上下料平臺系統(tǒng)，自主設(shè)計(jì)、選購機(jī)器人上下料各單元，完成端拾器的設(shè)計(jì)和組裝、上下料平臺的設(shè)計(jì)制造與裝配、視覺系統(tǒng)的搭建和真空氣路的連接等工作，在一定程度上實(shí)現(xiàn)旨在模擬汽車覆蓋件柔性沖壓過程的在線作業(yè)，為后續(xù)開展機(jī)器人上下料模擬實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。機(jī)器人上下料系統(tǒng)如圖2所示。
圖1ABB IRB1410工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)
圖2機(jī)器人上下料系統(tǒng)
ABB IRB1410機(jī)器人上下料實(shí)驗(yàn)采用了真空吸附的工作原理來實(shí)現(xiàn)板料的搬運(yùn)，其中，真空系統(tǒng)由真空泵、分路塊、兩位三通直通式電磁閥、真空開關(guān)、真空吸盤、緩沖支桿等構(gòu)成。ABB IRB1410機(jī)器人上下料系統(tǒng)真空吸附的電氣控制原理圖如圖3所示。
其工作原理如下：當(dāng)機(jī)器人手臂運(yùn)動到上料平臺上料中心之上的某一位置時，程序發(fā)出吸附指
令，IO板DSQC652的一路DO輸出高電平，繼電器線圈得電，常開觸點(diǎn)閉合，從而使兩位三通電磁閥得電，進(jìn)氣口和出氣口接通，真空泵將系統(tǒng)中的空氣向外排，整個系統(tǒng)氣路開始工作;當(dāng)吸盤內(nèi)達(dá)到設(shè)定的真空度后，真空開關(guān)自動給電磁閥發(fā)送電信號，令其控制真空泵保持當(dāng)前真空度不變;真空吸盤以恒定吸力抓取物料向下料平臺運(yùn)動，當(dāng)運(yùn)動到下料中心點(diǎn)某一指定位置時，程序發(fā)出釋放指令，DSQC652的同一路DO輸出低電平，繼電器線圈失電，常開觸點(diǎn)斷開，從而使兩位三通電磁閥失電，進(jìn)氣口和排氣口導(dǎo)通，整個系統(tǒng)氣路與外界大氣導(dǎo)通，從而破壞真空，真空吸盤釋放物料，
ABB IRB1410機(jī)器人完成一次板料傳遞任務(wù)。
3實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目
堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合的原則，實(shí)驗(yàn)時間安排在理論課基本知識講授完畢之后，要求學(xué)生提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，進(jìn)行理論知識儲備工作，以保證學(xué)習(xí)成效。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置方面，以“原理性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)相互滲透”為原則，既讓學(xué)生掌握基本的原理性知識，對機(jī)器人有基本的認(rèn)識，又通過開設(shè)深層次的研究性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立研究能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。
3.1機(jī)器人運(yùn)動學(xué)控制
實(shí)現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人在空間運(yùn)動軌跡的控制，完成預(yù)定的作業(yè)任務(wù)，就必須知道機(jī)器人手部在空間瞬時的位置與姿態(tài)。如何計(jì)算機(jī)器人手部在空間的位姿是實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制首先要解決的問題[4]。物體在空間的位姿可以用固定于物體上任一點(diǎn)上的坐標(biāo)系來表示，如果把坐標(biāo)系固定在每個連桿的關(guān)節(jié)上，通過齊次坐標(biāo)變換來描述兩個相鄰坐標(biāo)系之間的相互關(guān)系，就能建立并解算機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程。在該階段，要求學(xué)生能準(zhǔn)確理解物體在空間位置與姿態(tài)的表示方法，掌握齊次坐標(biāo)及齊次坐標(biāo)方程變換的定義，能進(jìn)行簡單的平移坐標(biāo)變換、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換及綜合坐標(biāo)變換（平移加旋轉(zhuǎn)）等計(jì)算。
通過本實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生完成以下內(nèi)容。
1） 觀察串聯(lián)機(jī)器人IRB1410的結(jié)構(gòu)，了解其動作原理，并繪制其結(jié)構(gòu)簡圖。
2） 計(jì)算IRB1410機(jī)器人自由度數(shù)并判別自由度性質(zhì)。
3） 根據(jù)ABB IRB1410機(jī)器人各軸標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖（如圖4所示）對IRB1410
機(jī)器人建立連桿坐標(biāo)系，確定連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量。相應(yīng)參數(shù)填入
IRB1410連桿參數(shù)表。
圖4ABB IRB1410
機(jī)器人各軸標(biāo)準(zhǔn)尺寸
4） 確定0nT
，在此基礎(chǔ)上利用上述機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程，求解關(guān)節(jié)變量q1，q2，……，qn。
5） 確定末端執(zhí)行器的操作速度V，在此基礎(chǔ)上利用機(jī)器人操作速度和關(guān)節(jié)速度的變換方程的逆變換方程V=J
，求解滿足末端執(zhí)行器速度要求的關(guān)節(jié)速度變量1，2，……，n。
6） 手動操縱機(jī)器人至某一姿態(tài)，對運(yùn)動學(xué)正、反解運(yùn)算結(jié)果與操縱窗口的顯示值進(jìn)行對比驗(yàn)證。
3.2機(jī)器人上下料模擬實(shí)驗(yàn)
通過機(jī)器人上下料模擬實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生增強(qiáng)對汽車覆蓋件自動化沖壓線機(jī)器人上下料的感性認(rèn)識。對6
自由度串聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析和機(jī)器人上下料的自動化控制有較深刻理解。也對用ABB
語言離線或在線編程加深體會。使學(xué)生能夠了解上下料平臺搭建的主要裝備及關(guān)鍵技術(shù)，掌握現(xiàn)代沖壓自動機(jī)器人上下料技術(shù)的發(fā)展方向。培養(yǎng)學(xué)生初步掌握實(shí)驗(yàn)研究的能力，正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力。
通過本實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生完成以下內(nèi)容。
1） 學(xué)習(xí)并熟練掌握利用示教器手動操作1410機(jī)器人到達(dá)指定目標(biāo)位置。
2） 完成1410機(jī)器人沖壓線上下料模擬實(shí)驗(yàn)的軌跡規(guī)劃。
3） 完成1410機(jī)器人沖壓線上下料模擬實(shí)驗(yàn)的程序編寫調(diào)試。
4） 記錄并分析1410機(jī)器人的實(shí)際工況（平穩(wěn)性、速度、加速度）等數(shù)據(jù)。
4結(jié)束語
通過機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生的課程實(shí)踐，證明該實(shí)驗(yàn)方案能達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，能幫助學(xué)生更好地理解機(jī)器人理論知識，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，在提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識和科研能力等方面有積極意義。
參考文獻(xiàn)
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Experimental teaching reform and practice
of Robot Technology Foundation course
TANG Yan-hua，ZHANG Qing-ling
（Mechanical Engineering College，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China）
Abstract
【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）10-0241-02
近年來，機(jī)器人作為自動化、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能、機(jī)械學(xué)等學(xué)科的典型載體， 被廣泛作為我國高校教學(xué)和研究的選題之一， 各級各類機(jī)器人競賽活動也在全國各地廣泛開展。該活動的開展，有力地推動了大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的提高，促進(jìn)了大學(xué)實(shí)踐教學(xué)的改革，同時也為廣大學(xué)生提供了學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的舞臺，進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)[1，2]。
一、機(jī)器人創(chuàng)新作為學(xué)生工程實(shí)踐模式的必要性
美國哈佛大學(xué)教育研究所的霍華德·加德納教授認(rèn)為，“一個人全身心投入一項(xiàng)活動中，主動去問、去想、去尋找問題的答案，這是獲取和積累知識的最佳途徑。被動的接受會隨時間的流逝很快被遺忘，不會產(chǎn)生持久的影響。”選擇機(jī)器人作為典型工程對象培養(yǎng)學(xué)生能力，主要考慮到借助于各級各類機(jī)器人競賽活動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以達(dá)到提高學(xué)生綜合水平和素質(zhì)，擴(kuò)大學(xué)生受益面的目的[3]。
總體來說，機(jī)器人創(chuàng)新訓(xùn)練可以培養(yǎng)學(xué)生以下幾個方面的能力：
1.基礎(chǔ)知識的熟練掌握和靈活應(yīng)用能力
學(xué)生通過對基本元器件應(yīng)用、基本實(shí)用電路設(shè)計(jì)以及繼電器、保護(hù)器、溫控器的應(yīng)用與設(shè)計(jì)，將所學(xué)理論知識靈活應(yīng)用于基礎(chǔ)電路訓(xùn)練項(xiàng)目中，為下一步機(jī)器人控制電路設(shè)計(jì)奠定了一個良好的基礎(chǔ)。
2.專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力
學(xué)生按競賽項(xiàng)目要求構(gòu)建相應(yīng)的機(jī)器人系統(tǒng)，將所學(xué)習(xí)的電路、數(shù)電模電、單片機(jī)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)等諸多本學(xué)科專業(yè)知識與機(jī)械設(shè)計(jì)加工、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等學(xué)科知識相結(jié)合[4]，培養(yǎng)學(xué)生綜合靈活應(yīng)用專業(yè)知識的能力。
3.分析問題、解決問題和獨(dú)立思考能力
競賽機(jī)器人要求學(xué)生從車體設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)、電源管理、傳感器應(yīng)用、系統(tǒng)安裝調(diào)試到軟件設(shè)計(jì)，最終構(gòu)建一個完整的控制系統(tǒng)，學(xué)生在整個過程中，綜合應(yīng)用所學(xué)知識，查閱相關(guān)資料、方案論證，傳感器選擇與布置，在完成基本任務(wù)的前提下，不斷完善機(jī)器人的軟硬件系統(tǒng)，以提高機(jī)器人的整體性能，這是一個不斷提高、不斷完善的過程，此過程中學(xué)生一直處于獨(dú)立思考、分析問題、解決問題的狀態(tài)中。
4.樹立自信，不畏挫折，吃苦耐勞、踏實(shí)勤懇、周密嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究態(tài)度
競賽機(jī)器人的設(shè)計(jì)訓(xùn)練中，涉及諸多專業(yè)知識，當(dāng)然也包括需要自學(xué)一些知識，在方案設(shè)計(jì)、安裝測試、軟硬件聯(lián)調(diào)、性能優(yōu)化過程中，每一個細(xì)節(jié)都要認(rèn)真對待，所遇到的每一個難題都必須解決，此過程能很好的培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究態(tài)度。
5.老實(shí)做人、踏實(shí)做事、團(tuán)體協(xié)作的綜合素質(zhì)
從競賽機(jī)器人的設(shè)計(jì)、調(diào)試、優(yōu)化、完善，直到比賽結(jié)束，需要小組成員全力協(xié)作，認(rèn)真對待遇到的難題，相互交流，集思廣益，此過程中學(xué)生會通過交流，達(dá)成共識，并促進(jìn)相互理解。
二、機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐模式的構(gòu)建
以學(xué)科競賽、科技創(chuàng)新、項(xiàng)目研發(fā)為主線，以校內(nèi)外創(chuàng)新平臺實(shí)踐為基礎(chǔ)，采用階梯化培養(yǎng)模式，擴(kuò)大學(xué)生受益面，提升學(xué)生的整體素質(zhì)，培養(yǎng)新形勢下“卓越”自動化技術(shù)人才。
基于機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐平臺階梯化學(xué)生培養(yǎng)模式，如圖1所示，通過科技創(chuàng)新活動、大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、智能汽車競賽、機(jī)器人競賽、“挑戰(zhàn)杯”比賽、工程項(xiàng)目研發(fā)等激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，煅煉學(xué)生分析、解決和綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力和技巧[5]。使學(xué)生及早涉足科研活動。充分利用機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新平臺，為學(xué)生提供一個真實(shí)的工業(yè)環(huán)境，讓學(xué)生建立材料、工藝、加工設(shè)備、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量之間相互關(guān)系的概念，掌握各種加工方法和設(shè)備的合理運(yùn)用，煅煉學(xué)生尋求、接受新科技的敏銳性，培養(yǎng)人的求知精神和自我知識更新的能力，授人以“漁”。
圖1 基于機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐平臺的階梯化學(xué)生培養(yǎng)模式
三、機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐模式下的教學(xué)方式方法改革
充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，激勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)。促進(jìn)科研與教學(xué)互動，及時把科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容。鼓勵本科生參與科研活動，早進(jìn)課題、早進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、早進(jìn)團(tuán)隊(duì)。
1.突出基于項(xiàng)目的“研中學(xué)”、“做中學(xué)”教學(xué)模式
進(jìn)行基于問題、基于項(xiàng)目、基于設(shè)計(jì)的教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和工程知識運(yùn)用能力，改革課程的考核方法，引導(dǎo)學(xué)生從注重“考試結(jié)果”向注重“學(xué)習(xí)過程”轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、研究能力和工程實(shí)踐能力[6]。
在工程基礎(chǔ)課程和工程專業(yè)課程教學(xué)過程中，依托機(jī)器人創(chuàng)新平臺，使學(xué)生們透過“真實(shí)的工廠環(huán)境”獲得處理工程問題的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。全面采用基于項(xiàng)目的教學(xué)模式，采取以問題為導(dǎo)向，以大作業(yè)、專題研究報(bào)告、文獻(xiàn)綜述報(bào)告、研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告等為載體的探索式學(xué)習(xí)模式，注重培養(yǎng)學(xué)生從工程全局出發(fā)，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識、各種技術(shù)和現(xiàn)代工程工具解決工程實(shí)際問題的能力和綜合素質(zhì)，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識和探索未知領(lǐng)域的興趣。
2.注重創(chuàng)新教育，將學(xué)生創(chuàng)新成果推廣至課堂教學(xué)
經(jīng)過一些年的創(chuàng)新教育的積累，產(chǎn)生了大量較高水平的學(xué)生科技作品和成果，這些成果源自高年級學(xué)生，對于低年級的同學(xué)非常有說服力，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、自信心和主動性?？梢詫⑦@些成果以課程進(jìn)行分類，由任課教師進(jìn)行講解，也可由作品完成的同學(xué)進(jìn)行講解，重點(diǎn)講解解決問題的思路和方法，以及需要哪些知識、技術(shù)的綜合。也可進(jìn)行討論式教學(xué)，針對某個作品大家發(fā)表各自的意見或者提出改進(jìn)的建議，有能力的同學(xué)可進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。
3.推進(jìn)企業(yè)工程師場景化課堂教學(xué)，增加課堂教學(xué)工程案例
機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于周邊生產(chǎn)制造企業(yè)，企業(yè)工程師有著豐富的工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，對問題的思考角度與校內(nèi)教師也有不同，對項(xiàng)目的理解更是有血有肉，能更好的把握關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。把一些典型的機(jī)器人技術(shù)工程案例引入課程教學(xué)，由工程師進(jìn)行講解，包括項(xiàng)目背景、設(shè)計(jì)要求、技術(shù)路線、詳細(xì)方案、現(xiàn)場調(diào)試過程、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)以及整個項(xiàng)目的管理辦法。通過工程案例的講解，學(xué)生對于實(shí)際項(xiàng)目的管理、實(shí)施過程有了全面的了解和熟悉，對于增加工程意識和工程實(shí)踐能力非常有益。
四、基于機(jī)器人的創(chuàng)新型工程訓(xùn)練實(shí)施策略
1.總體規(guī)劃，分步實(shí)施
基于機(jī)器人的創(chuàng)新工程訓(xùn)練方案內(nèi)容豐富，可以采用“統(tǒng)一規(guī)劃，分步實(shí)施”的策略。逐步投入資金，逐步積累師資力量和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。首先開展一些相對比較成熟、難度相對較低的方案，待經(jīng)驗(yàn)積累到一定程度以后再逐步深入。
按照以上的規(guī)劃設(shè)計(jì)思路，我們提出將整個工程訓(xùn)練計(jì)劃分三步實(shí)施：
（1）機(jī)器人基礎(chǔ)訓(xùn)練即認(rèn)知實(shí)驗(yàn)：以基礎(chǔ)訓(xùn)練機(jī)器人和配套傳感器為實(shí)踐對象。（2）機(jī)器人綜合訓(xùn)練即設(shè)計(jì)、綜合訓(xùn)練：以綜合訓(xùn)練機(jī)器人和配套傳感器為實(shí)驗(yàn)對象。（3）機(jī)器人高級訓(xùn)練即創(chuàng)新、研究訓(xùn)練：以RoboCup中型組機(jī)器人、工業(yè)級模塊化機(jī)械手等為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對象。
2.先專題再選修后必修，逐步推廣應(yīng)用
原則上，每個學(xué)生都需要接受一些以機(jī)器人對象為平臺的基礎(chǔ)認(rèn)知實(shí)踐或其他工程訓(xùn)練內(nèi)容，可以根據(jù)實(shí)際情況，先以對部分學(xué)生開設(shè)專題的方式起步，繼而面向全院學(xué)生提供選修課，待時機(jī)成熟時在院系作為必修課進(jìn)行推廣。
本教學(xué)法的教學(xué)模式有兩大顯著的特點(diǎn)：按照“任務(wù)驅(qū)動”的模式分解課程的知識點(diǎn)；按照“實(shí)踐-歸納-推理-再實(shí)踐”的模式講課，完全打破“講課+實(shí)驗(yàn)”的傳統(tǒng)模式，將講課與實(shí)驗(yàn)合二為一，其結(jié)果是：老師“在講中做，在做中講”，學(xué)生“在學(xué)中做，在做中學(xué)”。 機(jī)器人及應(yīng)用體系便于采用工程對象教學(xué)法。
3.校企合作，優(yōu)勢互補(bǔ)
典型工程對象和相關(guān)教材是工程對象教學(xué)法順利實(shí)施的基礎(chǔ)，而工程對象的選擇、制造與維護(hù)等工作由企業(yè)完成比較合適，雙方聯(lián)合編寫部分教材。因此，建立良好、緊密的校企合作關(guān)系可以充分發(fā)揮各方優(yōu)勢，更好地為學(xué)生服務(wù)。
五、機(jī)器人創(chuàng)新平臺建設(shè)
1.教師團(tuán)隊(duì)建設(shè)
機(jī)器人是非常典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，它融合了機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)軟硬件、控制、人工智能和造型技術(shù)等眾多的先進(jìn)技術(shù)，是高等學(xué)校開展工程訓(xùn)練、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、課外創(chuàng)新活動和科研最為理想的平臺。正因?yàn)闄C(jī)器人創(chuàng)新綜合了多學(xué)科知識，因此需要一個相對穩(wěn)定的，具有共同興趣且學(xué)科知識互補(bǔ)的教師團(tuán)隊(duì)，以利于更好的指導(dǎo)學(xué)生。
2.學(xué)生團(tuán)隊(duì)與梯隊(duì)建設(shè)
考慮不同程度學(xué)生參與競賽的能力和水平，可以采取國家級、省級競賽和校內(nèi)競賽選拔方式。即在國家級和省級學(xué)科競賽開展前一個學(xué)期， 學(xué)院提前組織校內(nèi)選拔賽， 選拔賽的競賽形式和競賽內(nèi)容完全按照上級競賽的要求，為學(xué)生量身定制與其學(xué)習(xí)能力相匹配的競賽項(xiàng)目，在難度上略微降低要求。這種競賽校內(nèi)選拔方式一方面擴(kuò)大了學(xué)生學(xué)科競賽的參與面，提高了學(xué)生參與學(xué)科競賽的熱情，另一方面為學(xué)院選拔優(yōu)秀學(xué)生組隊(duì)參加國家級、省級競賽提供參考。與此同時，也建立了相應(yīng)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)與梯隊(duì)。
六、結(jié)束語
機(jī)器人競賽是一個以目標(biāo)為驅(qū)動的對抗性比賽，易于激發(fā)學(xué)生科技創(chuàng)新的興趣和能力；提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神；提高學(xué)生駕馭專業(yè)基礎(chǔ)知識技能的能力和水平。通過學(xué)生在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的鍛煉，學(xué)生在設(shè)計(jì)能力、動手能力、創(chuàng)新意識，以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用、工程實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)研究、國內(nèi)外資料查詢等方面都會有較大程度的提高。機(jī)器人競賽為大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供基礎(chǔ)條件，并將帶來競爭性學(xué)習(xí)機(jī)會，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)教育的缺陷，鍛煉學(xué)生多方面的能力。
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【中圖分類號】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【論文編號】1009―8097(2009)07―0138―02
一 前言
近年來,我國的機(jī)器人教育有了很大的發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)課程逐步成為高校綜合性實(shí)踐課程[1]。在傳統(tǒng)的教學(xué)方法中,我國機(jī)器人教育普遍存在著重視知識傳授、輕視能力培養(yǎng),重視理論教學(xué)、輕視實(shí)踐環(huán)節(jié)的問題,使得學(xué)生只滿足于死記硬背知識點(diǎn),沒有注重學(xué)生獨(dú)立動手能力、綜合分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)[2]。
在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)方面,機(jī)器人課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本上是圍繞基礎(chǔ)理論的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),缺少設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn),不能給學(xué)生提供一個創(chuàng)新意識自由發(fā)揮的空間。學(xué)生很少有機(jī)會進(jìn)行思考和創(chuàng)意,創(chuàng)新意識和創(chuàng)新潛能無法得到充分的培養(yǎng)[3]。
因此,對機(jī)器人技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索是非常必要的,而德國慧魚模型的出現(xiàn),為機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了良好的載體。
二 慧魚模型簡介
慧魚模型是由德國發(fā)明家Arthur Fischer博士在1964年從其專利“六面拼接體”的基礎(chǔ)上發(fā)明的[3-4]?；埕~模型是由機(jī)械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、傳感器、氣動構(gòu)件、電腦控制器及軟件所組成的系統(tǒng)[5];模型采用模塊式設(shè)計(jì),可無限擴(kuò)充,可反復(fù)拆裝;產(chǎn)品系統(tǒng)化,種類多樣化,可逼真地表現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)成和控制過程及科學(xué)原理,便于對機(jī)器人原理、組成、控制的全面認(rèn)識;以機(jī)械傳動為核心,融傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)為一體的教學(xué)及仿真模型。該智能模型能夠展示科學(xué)原理和技術(shù)過程,緊密聯(lián)系研究設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐過程,不斷創(chuàng)新,不斷發(fā)展,學(xué)生可以通過自己動手搭建機(jī)械、氣動、傳感器部件,熟悉并掌握機(jī)器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工作原理,并可在此基礎(chǔ)上利用PLC、計(jì)算機(jī)接口或單片機(jī)接口板進(jìn)行自動控制,培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識交叉融合、用于解決具體問題的能力,同時培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力。該模型也代表了高科技的許多領(lǐng)域,受到國內(nèi)外各地教育工作者的關(guān)注和思考。
三 慧魚模型在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用方案
東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院2006年購進(jìn)慧魚模型,建立機(jī)器人創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)室。結(jié)合機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)安排與慧魚模型的特點(diǎn),將機(jī)器人實(shí)驗(yàn)在內(nèi)容上分為以下五部分:機(jī)器人技術(shù)入門實(shí)驗(yàn)、移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、氣動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)和工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為必選和選修兩部分內(nèi)容,將機(jī)器人入門實(shí)驗(yàn)列為必選實(shí)驗(yàn),機(jī)器人基本的實(shí)驗(yàn)原理、編程及控制方法在必選實(shí)驗(yàn)中得到訓(xùn)練,使學(xué)生了解慧魚機(jī)器人的制作與控制過程,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識;將難度較大的移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、氣動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)列為選修實(shí)驗(yàn),學(xué)生可根據(jù)興趣進(jìn)行選擇,通過對各種專用機(jī)器人的制作與控制,進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新意識,提高學(xué)生的動手能力。
每個實(shí)驗(yàn)的完成過程大致按三個階段進(jìn)行:首先是模仿學(xué)習(xí)階段,學(xué)生通過對提供的資料、圖片、教具進(jìn)行觀察、研究和琢磨,進(jìn)行自主的學(xué)習(xí)模仿性實(shí)驗(yàn),獲取大量感性認(rèn)識,根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的提示制作慧魚機(jī)器人,學(xué)習(xí)各種經(jīng)典的機(jī)構(gòu)組合方式,結(jié)合電腦語言編程,對設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行編程和控制;第二階段是改進(jìn)階段,在已制作好的機(jī)器人基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),使之實(shí)現(xiàn)更多地動作,培養(yǎng)想象力和創(chuàng)造力;第三階段是創(chuàng)新階段。擺脫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的束縛,創(chuàng)造出具有新的機(jī)構(gòu)和功能的機(jī)器人。
四 移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)創(chuàng)意組合實(shí)踐
如何利用慧魚模型進(jìn)行機(jī)器人的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),如何能使學(xué)生的創(chuàng)意得到很好的發(fā)揮,是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程之前值得認(rèn)真思考的問題。東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)機(jī)器人創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)室通過實(shí)施模仿、改進(jìn)和創(chuàng)新三個階段,完成慧魚模型組合的三個過程,取得了良好的實(shí)踐效果。下面以移動機(jī)器人創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)為例,介紹慧魚模型在進(jìn)行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的實(shí)踐過程:
1 基本知識的準(zhǔn)備。首先引導(dǎo)學(xué)生熟悉慧魚模型的各個模塊功能,復(fù)習(xí)機(jī)器人技術(shù)、傳感器、微機(jī)原理和Robo Pro編程等一些基本知識,為進(jìn)行機(jī)器人創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。
2 主要實(shí)驗(yàn)器材的準(zhǔn)備。各實(shí)驗(yàn)小組準(zhǔn)備慧魚移動機(jī)器人組合包一套、慧魚專用電源一套、PC機(jī)一臺、Robo Pro軟件一套、智能接口電路板一塊。
3 題目擬定。起初學(xué)生對慧魚模型不了解,首先由老師確定題目:運(yùn)行小車。采用兩個傳感器檢測所行距離,含有一個接觸開關(guān)和一個脈沖齒輪,脈沖齒輪連接到電機(jī)的減速軸上,使得電機(jī)開關(guān)啟動四次。要求學(xué)生通過計(jì)算所有脈沖邊沿,使運(yùn)行小車能夠?qū)崿F(xiàn)以邊長為一米的正方形軌跡行走功能。該題目集機(jī)、電、控制、傳感技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)為一體,構(gòu)思與組裝具有一定的創(chuàng)意。
4 方案的改進(jìn)階段。在運(yùn)行小車制作完成之后,啟發(fā)學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),制作一個類似于工廠AGV車的追蹤軌跡機(jī)器人。學(xué)生通過了解AGV小車的運(yùn)行原理,采用黑色膠帶作為軌跡,車身下安裝光電傳感器,當(dāng)傳感器反射出黑線,馬達(dá)就會做出相應(yīng)的反應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)過程中,應(yīng)注意軌跡的轉(zhuǎn)彎不能太急,否則機(jī)器人會出現(xiàn)因看不到軌跡而頻繁偏離軌跡的現(xiàn)象。同時,為了保證傳感器功能的準(zhǔn)確性,應(yīng)保證軌跡有足夠的亮度。
5 方案的創(chuàng)新階段。要求學(xué)生開動腦筋,依據(jù)自己的想法組合出新的移動小車。有的同學(xué)根據(jù)追蹤軌跡機(jī)器人的運(yùn)行原理,又增加了新的功能,設(shè)計(jì)出尋光避障機(jī)器人,該機(jī)器人將尋光和避障的功能結(jié)合起來。首先,機(jī)器人尋找光源,發(fā)現(xiàn)光源,進(jìn)行跟蹤,如果探測到妨礙其前進(jìn)的障礙物,識別障礙的功能將開始起作用,當(dāng)障礙全部掃光,機(jī)器人繼續(xù)尋找光源前進(jìn)。該方案將進(jìn)行尋光功能的光電傳感器連接到兩個輸入端,當(dāng)模型向左右旋轉(zhuǎn)時,采用接觸傳感器計(jì)算脈沖。該任務(wù)主要分成三部分:檢測機(jī)器人是否看到光源(子程序Light),檢測機(jī)器人是否碰到障礙(子程序Obstacle),機(jī)器人鑒于上述判斷功能的相應(yīng)反應(yīng)動作(子程序Driving)。該方案的完成不僅鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手技能,同時訓(xùn)練了學(xué)生“自頂而下”的編程思想,收到良好的效果。
五 應(yīng)用慧魚模型進(jìn)行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)的收獲
通過利用慧魚模型進(jìn)行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,得出一些收獲與經(jīng)驗(yàn):
1 由于慧魚模型的自身特點(diǎn),通過模型的搭建和組裝,提供了一種特殊的學(xué)習(xí)模式,即一邊動手制作,一邊學(xué)習(xí)相關(guān)知識,在機(jī)器人制作過程中,每時每刻都會出現(xiàn)新的問題,明確的目標(biāo)激發(fā)學(xué)生主動去尋找答案,培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、解決實(shí)際問題能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。而且,由于慧魚模型要求學(xué)生完成創(chuàng)意設(shè)計(jì),許多內(nèi)容超出教材甚至超出教師的知識范圍,因此必然敦促教師自身的再學(xué)習(xí)和提高。有了教學(xué)實(shí)踐中師生共同探討問題的經(jīng)歷,學(xué)生有問題愿意找老師答疑和探討,可形成一種互相學(xué)習(xí)、互相促進(jìn)的新型師生關(guān)系。
2 在進(jìn)行慧魚模型的組裝和創(chuàng)意過程中,應(yīng)以學(xué)生動手實(shí)踐為主,教師為輔。教師不要過多地干預(yù)學(xué)生的思維,給學(xué)生充分思考和創(chuàng)新的空間,盡量創(chuàng)造一個使學(xué)生的潛能得以充分發(fā)揮的環(huán)境,使學(xué)生的特長得以展示,能力得以提高,而且逐漸養(yǎng)成“不墨守成規(guī),不拘泥于傳統(tǒng)”的思維習(xí)慣。
3 教師應(yīng)用最簡潔的方法教會學(xué)生使用慧魚控制軟件,避免學(xué)生在軟件上遇到過多的障礙。由于實(shí)驗(yàn)課的課時有限,教師應(yīng)將準(zhǔn)備工作做好做細(xì),將軟件的使用方法和要點(diǎn)提前向?qū)W生講授,使學(xué)生在軟件學(xué)習(xí)上不要花費(fèi)太多的時間,重點(diǎn)將程序編制中對學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)放在程序的邏輯關(guān)系、時間分配和控制方法上。
4 加強(qiáng)慧魚零件的管理?；埕~模型在使用的過程中,普遍存在著一個問題:慧魚構(gòu)件種類繁多,形狀細(xì)小,容易出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)課中,如果構(gòu)件使用不當(dāng)或管理不嚴(yán),經(jīng)常會出現(xiàn)損失和丟失構(gòu)件的現(xiàn)象,而且有的構(gòu)件一套組合包中就只有一個,在這種情況下,無法從廠家購買一個或兩個單獨(dú)的構(gòu)件,可能會出現(xiàn)為購買一個構(gòu)件而需要購買整套模型的現(xiàn)象。因此,在進(jìn)行慧魚創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)課之前,應(yīng)思考如何有效地管理慧魚構(gòu)件的問題。
六 結(jié)語
在應(yīng)用慧魚模型進(jìn)行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,學(xué)生將綜合應(yīng)用到機(jī)械原理、氣動技術(shù)、電子電路、測試及控制和軟件編程等知識,而且慧魚模型的組建沒有特定的標(biāo)準(zhǔn)答案和固定的模式,不受教材制約,不需要反復(fù)記憶和練習(xí),因而學(xué)生完全在一個開放性的環(huán)境中進(jìn)行自主式的探索和研究,鼓勵學(xué)生積極思考,開創(chuàng)學(xué)生之間、師生之間進(jìn)行平等討論的良好環(huán)境,可建立自主學(xué)習(xí)的研究氣氛和學(xué)習(xí)方法。因此,通過采用慧魚模型對目前機(jī)器人技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行改革,可以體現(xiàn)“以學(xué)生發(fā)展為本,以能力發(fā)展為主”的現(xiàn)代教育理念,是一條探索培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑。
參考文獻(xiàn)
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中圖分類號：G633 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1673-4289（2014）01-0057-02
在中小學(xué)信息技術(shù)課程中，如何有效地引入機(jī)器人載體以促進(jìn)信息技術(shù)教育、教學(xué)的創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的操作實(shí)踐能力，提高創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，這是中小學(xué)信息技術(shù)課程建設(shè)實(shí)踐中需要研究的重要課題。
一、實(shí)踐研究的做法
（一）注重平臺建設(shè)，打好研究基礎(chǔ)
在中小學(xué)信息技術(shù)課程中引入機(jī)器人載體的研究需要兩個平臺的支撐：一是教材，二是機(jī)器人器材。前者是信息技術(shù)課程的要素，后者是開展實(shí)踐研究活動的載體，缺一不可。
為此，首先對我國部分省市現(xiàn)行義務(wù)教育階段《信息技術(shù)》教材進(jìn)行了查閱分類，以了解目前國內(nèi)機(jī)器人進(jìn)入義務(wù)教育階段信息技術(shù)課程的現(xiàn)狀。這包括：義務(wù)教育階段《信息技術(shù)》教材中有關(guān)機(jī)器人內(nèi)容分布，內(nèi)容的詳略，涉及的機(jī)器人品牌型號等。同時，對所涉及的機(jī)器人進(jìn)行比較，確定其教育教學(xué)性能，經(jīng)濟(jì)性等，最終確定了適合我省義務(wù)教育階段開展機(jī)器人教育教學(xué)活動可選用的機(jī)器人品牌型號。這一階段的研究成果也被我省義務(wù)教育階段課程改革實(shí)驗(yàn)教材《信息技術(shù)》修訂組吸收，形成了適應(yīng)本省教學(xué)需求的機(jī)器人教學(xué)教材，也為本課題研究的開展提供了范本。
在此基礎(chǔ)上，向義務(wù)教育階段課程改革實(shí)驗(yàn)教材《信息技術(shù)》所涉及的機(jī)器人公司尋求支持，得到了智慧天下公司、四川天平教學(xué)儀器公司的鼎力相助，為20個實(shí)驗(yàn)學(xué)校各捐贈了25套“智慧天下機(jī)器人套件”，為實(shí)踐研究工作開展打下了良好物質(zhì)基礎(chǔ)。
（二）申報(bào)省級課題，推動實(shí)踐研究
為更好地推動中小學(xué)信息技術(shù)課程中引入機(jī)器人載體的實(shí)踐研究，2011年申報(bào)了四川省教育廳普教科研資助金項(xiàng)目：《中小學(xué)信息技術(shù)課程中以機(jī)器人為載體的創(chuàng)新教育研究》（批準(zhǔn)文號為：川教函[2011]632號），并設(shè)置了21個子課題研究學(xué)校，目的是通過子課題的研究，取得一手研究資料，提供研究實(shí)例，以支持實(shí)踐研究的成果。
二、實(shí)踐研究的效果及影響
（一）實(shí)驗(yàn)學(xué)校信息技術(shù)課程教學(xué)得以優(yōu)化
智能機(jī)器人技術(shù)融合了造型技術(shù)、機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)軟件、硬件和人工智能等眾多先進(jìn)技術(shù)，充分地體現(xiàn)了當(dāng)代信息技術(shù)多個領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，是綜合知識和技術(shù)的結(jié)晶。機(jī)器人活動不僅主題有趣，富有挑戰(zhàn)性，更重要的是其問題解決方案是開放性的，學(xué)生可以用不同的方法達(dá)到同一個目標(biāo)，因而智能機(jī)器人活動能激發(fā)學(xué)生充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的開放性思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。
（二）實(shí)驗(yàn)學(xué)校教師創(chuàng)新意識增強(qiáng)
1.教師的教學(xué)觀念得以更新
參研教師通過自學(xué)、參培、研討等形式提高了理論認(rèn)識；對教材、教法的研討、課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)、反思，教學(xué)效果的總結(jié)中教師的業(yè)務(wù)水平得到提升；教師將“課堂交給了學(xué)生”，通過生動、直觀、有趣的實(shí)際情境，激發(fā)學(xué)生興趣和參與熱情，促使學(xué)生主動探究，充分發(fā)揮學(xué)生能動性和創(chuàng)造性，而教師只是課堂組織者。這樣一來，老師的觀念得到了轉(zhuǎn)變。
2.提高了教師的綜合能力
在活動開展及課題研究過程中，課題組老師通過自己設(shè)計(jì)活動、組織活動、了解收集活動資料、整理分析、歸納總結(jié)、撰寫經(jīng)驗(yàn)文章及研究報(bào)告等，一步步學(xué)會了教學(xué)研究，提升了研究能力，促進(jìn)老師向一個創(chuàng)新型、研究型、專家型教師發(fā)展。
（三）實(shí)驗(yàn)學(xué)校學(xué)生創(chuàng)新能力明顯提升
中小學(xué)信息技術(shù)課程中引入機(jī)器人載體的實(shí)踐研究，其最終目標(biāo)還是落實(shí)到對人的培養(yǎng)上，通過實(shí)踐研究，學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力是否有效提高，實(shí)驗(yàn)學(xué)校對實(shí)驗(yàn)班和參照班進(jìn)行了《威廉斯創(chuàng)造性傾向量表》測試，結(jié)果表明：經(jīng)過機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)的班級，其冒險(xiǎn)性，好奇性、想象力和挑戰(zhàn)性等四項(xiàng)指標(biāo)明顯高于對比班。
（四）以機(jī)器人為載體的教育、教學(xué)影響廣泛
實(shí)驗(yàn)學(xué)校通過實(shí)踐研究，產(chǎn)生強(qiáng)大的社會效應(yīng)。如內(nèi)江十小的機(jī)器人教育是該校特色教育之一，從2006年至今多次榮獲省、全國機(jī)器人比賽一等獎，在省、市都有較高的聲譽(yù)。四川教育電視臺于2013年1月專門就此進(jìn)行了采訪，從管理、教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)、課外活動等多方面介紹該校在機(jī)器人教育教學(xué)方面的經(jīng)驗(yàn)，社會反響強(qiáng)烈。
又如自貢市大安區(qū)回龍中心校等實(shí)驗(yàn)學(xué)校也被多家網(wǎng)絡(luò)及報(bào)刊媒體進(jìn)行宣傳報(bào)道，提高了學(xué)校知名度。
三、問題及建議
（一）機(jī)器人引入課堂的制約因素
1.器材
從教學(xué)理念來說，現(xiàn)在使用機(jī)器人產(chǎn)品與目前的教育潮流相符合，有利于同學(xué)們動手能力的培養(yǎng)。機(jī)器人的搭建空間很大，能充分發(fā)揮學(xué)生的想象力。整個機(jī)器人平臺符合中小學(xué)生的年齡特點(diǎn)，有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
但機(jī)器人套件成本較高、損耗較大，直接影響了機(jī)器人在常規(guī)教學(xué)中的應(yīng)用。同時機(jī)器人本身的質(zhì)量問題需進(jìn)一步提升，在面向全體學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)時，如何對學(xué)生和器材進(jìn)行科學(xué)有效的管理才能方便實(shí)施教學(xué)等問題需要思考。
2.上課環(huán)境
開展機(jī)器人創(chuàng)新教育要面向全體學(xué)生，學(xué)校首先需要購置大批機(jī)器人設(shè)備，電腦設(shè)備，還需要標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室以及一些機(jī)器人文化背景的設(shè)置。上課環(huán)境的配置需要學(xué)校投入一定的資金和場地。這對多數(shù)學(xué)校來說，經(jīng)濟(jì)支撐能力是不足的。
3.教師水平
機(jī)器人知識涵蓋的范圍很廣，涉及機(jī)械、電子、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、控制理論、傳感檢測、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科，老師對這些學(xué)科的基礎(chǔ)了解很有必要。同時，因?yàn)闄C(jī)器人對程序的要求很高，對機(jī)器人語言、程序設(shè)計(jì)等方面，應(yīng)該有深入的學(xué)習(xí)，掌握好這方面的知識和能力。在教學(xué)活動中，不可避免的會有機(jī)器人器材的損壞，因此，對簡單的電子電路維修，對一些維修器具的使用，教師也需要有所了解和掌握。只有教師本身具備了足夠的與機(jī)器人有關(guān)的知識，才能夠保證教學(xué)活動的正常進(jìn)行。
4.教學(xué)大綱要求
教育部2000年頒布的《中小學(xué)信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要（試行）》沒有機(jī)器人教育的內(nèi)容，目前，各省只能根據(jù)自己的實(shí)際情況，編寫教材?！皺C(jī)器人教育”進(jìn)入中小學(xué)課堂是一項(xiàng)新內(nèi)容，各地所使用的教材版本不一樣，可供參考的案例、課堂實(shí)錄及相關(guān)研究成果很少。因此，修訂全國課程標(biāo)準(zhǔn)，明確教學(xué)目標(biāo)，有利于機(jī)器人引入課堂的推廣。
（二）進(jìn)一步深入開展研究的建議
1.系統(tǒng)的教師培訓(xùn)
義務(wù)教育階段機(jī)器人教育需要教師不僅掌握信息技術(shù)知識，還需要了解數(shù)字電路，機(jī)器人組裝等多種知識，針對許多信息技術(shù)教師不了解機(jī)器人模塊教育，不能很好的指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。建議對義務(wù)教育階段的信息技術(shù)教師開展系統(tǒng)的機(jī)器人教育培訓(xùn)。
2.統(tǒng)一的器材配備
由于機(jī)器人套件費(fèi)用較高，學(xué)校自主配置比較困難，建議將機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室納入中小學(xué)教學(xué)儀器配備目錄，統(tǒng)一為所有中小學(xué)配備機(jī)器人套件，電腦設(shè)備，以利課堂教學(xué)的開展。
中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）06-0087-02
一、前言
隨著經(jīng)濟(jì)與知識全球化的到來，社會對人才的培養(yǎng)提出了更高的要求，要求大學(xué)生不僅要有寬厚的多學(xué)科知識、較好的綜合素質(zhì)，而且要有較強(qiáng)的創(chuàng)新實(shí)踐能力，基于此，需要改革傳統(tǒng)的大學(xué)人才培養(yǎng)模式[1-2]。教育部提出：“實(shí)踐教學(xué)方法改革是推動實(shí)踐教學(xué)改革和人才培養(yǎng)模式改革的關(guān)鍵，各高校應(yīng)加強(qiáng)綜合性實(shí)踐科目設(shè)計(jì)和應(yīng)用?！盵3-4]但如何在不改變原有學(xué)科知識傳授及傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，為大學(xué)生在未來的就業(yè)市場中找到自己的立足之地，成為新形勢下高校創(chuàng)新實(shí)踐教育面臨的一個重大課題。
美國哈佛大學(xué)教育研究所的霍華德?加德納教授曾說：“一個人主動去問、去想、去尋找問題的答案，是積累知識的最佳途徑，被動的接受不會產(chǎn)生持久的影響。”[5]機(jī)器人是極富趣味性和挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，不僅容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且綜合了信息技術(shù)、機(jī)械工程、電子工程等多學(xué)科的知識，是理論和實(shí)踐的高度結(jié)合[6]。而在機(jī)器人競賽中，需要學(xué)生根據(jù)比賽要求從無到有，將自己的想法變成能夠完成給定要求的機(jī)器人實(shí)體，整個過程不僅使學(xué)生增加了理論知識的理解，而且有利于激發(fā)學(xué)生的想象力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力及實(shí)踐能力[7]。本文結(jié)合近兩年指導(dǎo)河南省機(jī)器人大賽的經(jīng)驗(yàn)，探討了在高等學(xué)校中如何以機(jī)器人競賽為載體，提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。
二、機(jī)器人競賽在創(chuàng)新實(shí)踐能力人才培養(yǎng)中的重要作用
1.高校創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)現(xiàn)狀分析。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)由于受到教學(xué)條件的限制，缺乏規(guī)范、行之有效的實(shí)踐教學(xué)體系，致使學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力受到影響[8]，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）重理論，輕實(shí)踐，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力投入有限。多數(shù)學(xué)校由于經(jīng)費(fèi)限制，為學(xué)生提供的創(chuàng)造性實(shí)踐條件有限，同時部分教學(xué)環(huán)節(jié)缺乏對該方面的引導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐意識不能得到發(fā)揮。（2）創(chuàng)新實(shí)踐激勵機(jī)制不完善。長期以來，學(xué)生接受的教育模式是理論為主，實(shí)踐為輔，在學(xué)習(xí)中，僅僅受單純驗(yàn)證性實(shí)踐課程的影響，導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力得不到有效的鍛煉。（3）創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)跨度大，創(chuàng)新實(shí)踐體會不深。很多高校雖然開展了形式多樣的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)，但是參加此項(xiàng)活動的大部分是大二和大三的學(xué)生，僅僅參加了部分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，當(dāng)學(xué)生接觸到需要有一定創(chuàng)新實(shí)踐能力的科研項(xiàng)目時，由于跨度較大，導(dǎo)致很難做出高水平的科技成果，無法真正體會到創(chuàng)新思維與科技發(fā)展之間的相互作用，進(jìn)而阻礙了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)和鍛煉。
2.機(jī)器人競賽創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)。機(jī)器人教育進(jìn)入學(xué)校的主要表現(xiàn)形式是競賽，而競賽機(jī)器人要求學(xué)生從車身設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)、傳感器應(yīng)用、軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試，最終構(gòu)成一個完整的控制系統(tǒng)。在整個工作過程中，學(xué)生可以綜合應(yīng)用所學(xué)知識，查閱資料，進(jìn)行方案論證，在制作中，不斷對機(jī)器人的軟、硬件系統(tǒng)進(jìn)行完善，以提高機(jī)器人的整體運(yùn)行能力。整個過程中，學(xué)生一直處于獨(dú)立思考、分析問題、解決問題的狀態(tài)中，有效地促進(jìn)了學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)踐能力的提高[9]。具體體現(xiàn)如下：（1）專業(yè)知識綜合應(yīng)用能力得到提高。競賽中，在設(shè)計(jì)及制作滿足參賽要求的機(jī)器人系統(tǒng)過程中，學(xué)生需要將所學(xué)的專業(yè)知識加以綜合應(yīng)用。（2）學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題能力得到提高。學(xué)生在完成機(jī)器人的硬件制作工作后，就可以根據(jù)競賽要求進(jìn)行軟件編程，以在指定場地上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動控制，而整個過程需要學(xué)生小組獨(dú)立完成。（3）學(xué)生的實(shí)踐動手能力和科學(xué)研究態(tài)度得到提高。在競賽過程中，需要學(xué)生對機(jī)器人的不同部件進(jìn)行改裝，按照比賽規(guī)則進(jìn)行程序的調(diào)試。而在整個方案的設(shè)計(jì)、安裝測試及硬件聯(lián)調(diào)中，所遇到的每個難題都要認(rèn)真解決，否則功虧一簣。
三、機(jī)器人競賽在培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力中的具體實(shí)施
機(jī)器人是極富挑戰(zhàn)性和趣味性的領(lǐng)域，能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣，使學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究由被動變?yōu)橹鲃?。本文以參?014年河南省機(jī)器人大賽為例，按照以下五個步驟對學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力進(jìn)行培養(yǎng)。
1.項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的建立。在確定人員時，可以讓不同專業(yè)和不同年級的學(xué)生進(jìn)行報(bào)名，對于低年級的學(xué)生，在難度上略微降低要求，這樣，一方面擴(kuò)大了不同學(xué)科學(xué)生的參與面，另一方面，建立了相應(yīng)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)和梯隊(duì)，為后續(xù)的各類競賽奠定基礎(chǔ)。團(tuán)隊(duì)建立后，指導(dǎo)教師確定一名能力比較強(qiáng)且盡量是高年級的學(xué)生作為隊(duì)長，由隊(duì)長實(shí)現(xiàn)對本組學(xué)生的管理，充分利用高年級對低年級的傳幫帶動作用，有序開展創(chuàng)新活動。
2.項(xiàng)目任務(wù)的制定和分工。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人和隊(duì)員共同制定機(jī)器人項(xiàng)目工作計(jì)劃，確定工作步驟。以機(jī)器人滅火比賽項(xiàng)目為例來進(jìn)行說明，在機(jī)器人滅火比賽中，要求制造一個由計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人，能夠按照操作規(guī)則在房間中以最短的時間找到火源并將它熄滅。在進(jìn)行任務(wù)分配時，盡量考慮團(tuán)隊(duì)中學(xué)生的專業(yè)及特長，如機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，由具有機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的隊(duì)員負(fù)責(zé)，硬件電路的制作如電機(jī)驅(qū)動電路、避障電路等由電路分析基礎(chǔ)好的隊(duì)員負(fù)責(zé)，軟件程序的編寫由計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的隊(duì)員負(fù)責(zé)。這樣，團(tuán)隊(duì)中每個隊(duì)員分工明確，使學(xué)生真正參與到項(xiàng)目中。
3.項(xiàng)目的制作。據(jù)比賽項(xiàng)目類型，分析每個隊(duì)員學(xué)生的實(shí)際情況，建議他們選擇規(guī)模和難度適中的項(xiàng)目。在比賽項(xiàng)目制作的前期，對學(xué)生進(jìn)行相關(guān)知識的訓(xùn)練，如第一階段，對他們進(jìn)行有關(guān)機(jī)器人基本傳感器及硬件電路組裝訓(xùn)練；第二階段，要求他們掌握機(jī)器人中相關(guān)傳感器的綜合應(yīng)用；第三階段，要求他們按要求完成機(jī)器人制作及調(diào)試。整個項(xiàng)目制作過程中，隊(duì)員之間可以相互討論，一起解決問題，團(tuán)結(jié)協(xié)作，做到共同進(jìn)步，而這個過程在其他教學(xué)環(huán)節(jié)中是無法實(shí)現(xiàn)的，對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力非常重要。
4.項(xiàng)目的評估。項(xiàng)目的評估采用答辯和實(shí)物演示的形式向指導(dǎo)教師和選定的評測小組匯報(bào)。首先由負(fù)責(zé)整體設(shè)計(jì)的隊(duì)員對整個項(xiàng)目進(jìn)行匯報(bào)，再由各個隊(duì)員對自己負(fù)責(zé)的工作進(jìn)行匯報(bào)，匯報(bào)完畢，針對項(xiàng)目中出現(xiàn)的問題，教師盡量引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，自己解決問題。匯報(bào)完畢后，由每個小組逐個進(jìn)行作品的演示，作品演示結(jié)束后，由指導(dǎo)教師和評測小組當(dāng)場給予評判計(jì)分，并對優(yōu)勝者給予一定的獎勵。
5.項(xiàng)目技術(shù)文檔的規(guī)整。為使學(xué)生養(yǎng)成善于總結(jié)的良好習(xí)慣，同時給后續(xù)招生隊(duì)員一定的參考，項(xiàng)目結(jié)束后，要求學(xué)生將整個項(xiàng)目的工作進(jìn)行技術(shù)文檔的規(guī)整。這樣使學(xué)生科技寫作的能力也得到了相應(yīng)的提高。
四、機(jī)器人競賽創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)成果
經(jīng)過上面五個步驟的訓(xùn)練及評估后，從中挑選中具有較強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)踐能力的學(xué)生，集中進(jìn)行機(jī)器人競賽實(shí)戰(zhàn)練習(xí)，使學(xué)生的能力在項(xiàng)目訓(xùn)練過程中切實(shí)得到提高。近年來，我院學(xué)生參加了多次河南省機(jī)器人大賽，以2014年的河南省機(jī)器人大賽為例，我院在交叉足項(xiàng)目上包攬了一、二、三等獎，在狹窄足、越野游項(xiàng)目中獲得了二等獎、三等獎的好成績。機(jī)器人競賽的全面開展在提升我院大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和增強(qiáng)就業(yè)競爭力中發(fā)揮了積極的作用，促進(jìn)了大學(xué)生健康成長和全面成才。
五、結(jié)論
實(shí)踐是認(rèn)識的源泉，是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，本文以機(jī)器人競賽載體，分析了我院如何通過機(jī)器人競賽活動系統(tǒng)地訓(xùn)練大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。通過機(jī)器人競賽，在創(chuàng)新意識上，學(xué)生了解了工程師應(yīng)該具有的素質(zhì)和創(chuàng)新能力；在實(shí)踐能力上，學(xué)生通過機(jī)器人的設(shè)計(jì)加工、機(jī)器人的焊接和不斷調(diào)試，其實(shí)踐能力得到了鍛煉。因此，在機(jī)器人競賽過程中，大學(xué)生的各項(xiàng)理論知識和實(shí)踐技能能有機(jī)地進(jìn)行結(jié)合，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造潛能，提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的綜合能力。
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關(guān)鍵詞：機(jī)器人；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；轉(zhuǎn)臺；開放性
中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）24-0267-02
一、機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問題
高校機(jī)器人課程是一門多學(xué)科綜合交叉的邊緣學(xué)科。隨著中國制造的產(chǎn)業(yè)化升級和“中國制造2025”政策的，對機(jī)器人領(lǐng)域的專業(yè)人才需求量越來越大，機(jī)器人教學(xué)應(yīng)當(dāng)積極應(yīng)對這一變化，順勢而為。針對高校機(jī)器人課程教學(xué)中存在的問題，已有很多相關(guān)的研究和探索，旨在改進(jìn)課程教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。然而，機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然存在諸多問題，包括實(shí)驗(yàn)儀器開發(fā)、實(shí)驗(yàn)方法研究和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等，僅靠教學(xué)人員或?qū)嶒?yàn)人員均無法獨(dú)立解決。筆者多年從事機(jī)器人教學(xué)和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：首先，組成機(jī)器人的機(jī)械、控制和感知系統(tǒng)對應(yīng)的知識內(nèi)容相互孤立；其次，機(jī)器人教學(xué)、科研和應(yīng)用開發(fā)等用途之間相互孤立。二者分別對應(yīng)微觀、宏觀兩個層面的“孤島效應(yīng)”，制約了學(xué)生對機(jī)器人課程關(guān)鍵知識的理解和吸收，無法形成完整的閉環(huán)?，F(xiàn)有的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器存在功能、開放程度、與課程體系的結(jié)合程度等方面的不足，無法滿足新形勢下機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。為此，自主研制了一款開放式可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺。該轉(zhuǎn)臺獲得了安徽省首屆高等學(xué)校自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備展評活動一等獎和第四屆全國高等學(xué)校自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備評選活動三等獎。
二、開放式可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺的研制
該轉(zhuǎn)臺是一款由可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制的三自由度云臺，由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。通過在轉(zhuǎn)臺上安裝視覺傳感器，可以進(jìn)行運(yùn)動物體檢測與跟蹤。
1.機(jī)械系統(tǒng)。由升降、偏航和俯仰機(jī)構(gòu)組成。升降機(jī)構(gòu)使用電動缸帶動轉(zhuǎn)臺在豎直方向上直線移動。偏航、俯仰機(jī)構(gòu)使用直流伺服電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速和同步帶傳動后，分別繞豎直、水平轉(zhuǎn)軸做回轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在水平轉(zhuǎn)軸上安裝了視覺傳感器，通過轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)多視角圖像采集。
2.控制系統(tǒng)。底層控制器為西門子S7-1214 PLC及其擴(kuò)展模塊，用于進(jìn)行電機(jī)控制、編碼器數(shù)據(jù)采集和輸入輸出控制等。上位機(jī)使用筆記本電腦，用于進(jìn)行視覺傳感器圖像采集與處理、以及三自由度運(yùn)動插補(bǔ)計(jì)算。為了跟蹤運(yùn)動物體的方位，使其始終處于圖像中心位置，使用插補(bǔ)算法，計(jì)算每個自由度的關(guān)節(jié)變量。最后，通過以太網(wǎng)通信，將計(jì)算值傳遞給PLC，控制轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動，并返回編碼器數(shù)據(jù)。為了便于調(diào)試，分別使用電子手輪、無線遙控手柄進(jìn)行精確、粗略手動控制，并使用觸摸屏進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)置和運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測。該轉(zhuǎn)臺既是教學(xué)、科研實(shí)驗(yàn)臺，同時也是一款具有實(shí)用價(jià)值的機(jī)電產(chǎn)品。
三、轉(zhuǎn)臺在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用
為了配合機(jī)器人本科課程教學(xué)，結(jié)合開放式可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺的功能和特點(diǎn)，開展了以下機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。
1.底層運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)。使用PLC進(jìn)行轉(zhuǎn)臺的底層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，繪制電氣控制原理圖。使用順序控制設(shè)計(jì)法，編寫相應(yīng)的控制程序，進(jìn)行轉(zhuǎn)臺運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)。學(xué)習(xí)用于控制步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)的PLC程序設(shè)計(jì)及相關(guān)運(yùn)動功能模塊。進(jìn)行電機(jī)的位置、速度控制實(shí)驗(yàn)和PID參數(shù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的手動輸入裝置和人機(jī)交互裝置。
2.傳感器實(shí)驗(yàn)。內(nèi)部傳感器實(shí)驗(yàn)：使用光電編碼器測量電機(jī)轉(zhuǎn)角。利用PLC的高速脈沖輸入端口和程序中的高速脈沖計(jì)數(shù)器，進(jìn)行升降、偏航和俯仰電機(jī)對應(yīng)的編碼器脈沖數(shù)據(jù)采集和處理。另外，為了精確測量轉(zhuǎn)臺每個轉(zhuǎn)軸的零點(diǎn)位置，通過增加使用增量式光編碼器，檢測編碼器的Z信號，設(shè)計(jì)相應(yīng)的零點(diǎn)檢測程序，進(jìn)行轉(zhuǎn)臺自動回零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。外部傳感器實(shí)驗(yàn)：使用視覺傳感器進(jìn)行運(yùn)動物體測量。在轉(zhuǎn)臺的U形架上安裝視覺傳感器，使用筆記本電腦進(jìn)行圖像采集和處理，進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺算法實(shí)驗(yàn)，包括物體顏色識別、邊緣輪廓提取和中心位置提取等，從而檢測視角范圍內(nèi)運(yùn)動物體的位置。
3.機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)。研究機(jī)器視覺算法和多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動控制，進(jìn)行運(yùn)動物體檢測與跟蹤實(shí)驗(yàn)。多軸協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)：在使用手動方式控制轉(zhuǎn)臺運(yùn)動時，升降、偏航、俯仰運(yùn)動各自獨(dú)立進(jìn)行。為了讓轉(zhuǎn)臺上安裝的傳感器或末端執(zhí)行器能夠在三維空間中任意運(yùn)動，在筆記本電腦上進(jìn)行軟件編程，協(xié)調(diào)控制升降、偏航和俯仰電機(jī)的運(yùn)動。分別進(jìn)行雙軸旋轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)控制和三軸協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動插補(bǔ)控制。運(yùn)動物體檢測與跟蹤實(shí)驗(yàn)：將具有顯著顏色或幾何形狀特征的物體放在轉(zhuǎn)臺前方，通過手拿該物體任意運(yùn)動，使用視覺傳感器檢測該物體，計(jì)算該物體的位置和運(yùn)動速度，然后使用插補(bǔ)算法計(jì)算轉(zhuǎn)臺每個轉(zhuǎn)軸的角度。將轉(zhuǎn)臺每個轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速信號通過以太網(wǎng)傳送給底層控制器，由PLC分別控制轉(zhuǎn)臺的每個轉(zhuǎn)軸運(yùn)動，從而使視覺傳感器始終對準(zhǔn)該運(yùn)動物體的中心位置，實(shí)現(xiàn)自動跟蹤功能。上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：在筆記本電腦上進(jìn)行Windows程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行檢測、路徑規(guī)劃和插補(bǔ)計(jì)算，通過以太網(wǎng)通信將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給底層控制器，并返回編碼器測量值，監(jiān)控轉(zhuǎn)臺的實(shí)際運(yùn)動情況。設(shè)計(jì)圖形化軟件界面，模擬轉(zhuǎn)臺的三維動態(tài)變化過程。本科生通過參加轉(zhuǎn)臺實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)，可以從系統(tǒng)的角度理解如何自動控制機(jī)械部件的運(yùn)動，并利用外部傳感器實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán)控制。本文設(shè)計(jì)的基于視覺傳感器的運(yùn)動物體檢測與跟蹤，僅是轉(zhuǎn)臺的典型應(yīng)用示例。學(xué)生只要獲得底層運(yùn)動控制器的通信接口規(guī)范，即可進(jìn)行不同用途的應(yīng)用開發(fā)。因此，該轉(zhuǎn)臺可以鍛煉學(xué)生的邏輯思維、系統(tǒng)性思維和發(fā)散思維能力，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。
四、結(jié)論
針對機(jī)器人課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)性不強(qiáng)、聯(lián)系不緊密等問題，設(shè)計(jì)了一款開放式可升降雙軸隨動轉(zhuǎn)臺，通過在轉(zhuǎn)臺上安裝視覺傳感器，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動物體檢測與跟蹤功能。該轉(zhuǎn)臺可以提供底層運(yùn)動控制、傳感器實(shí)驗(yàn)和機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)，適用于本科生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有很好的開放性和推廣價(jià)值。
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中圖分類號：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
Abstract：This paper designed and developed a robot system can real-time game Gobang with people.The chess robot identifies chessboard information with the camera，then make up the decision with the strategy system，and then execute action through the mechanical arm.This paper introduced the software and hardware design，implementation and debugging of each function module of the system.It has been testified that the robot achieved human-computer interaction at low cost，and played a promoting role in the experimental teaching of computer control device，artificial intelligence，software technology curriculum.
Keywords：chess robot；Gobang；image recognition；PLC；experiment teaching
1 引言（Introduction）
“人工智能之父”圖靈在1950年曾說：“下棋是很抽象的活動，是機(jī)器可以和人競爭的純智能領(lǐng)域之一[1]?！彪S著1997年“深藍(lán)”戰(zhàn)勝人類國際象棋冠軍卡斯帕羅夫，人機(jī)對弈成為一種人工智能的代表應(yīng)用形式，被普通民眾所熟知。
隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的普及，人機(jī)對弈類型的應(yīng)用軟件層出不窮[2-4]，豐富了人們的休閑娛樂生活。隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，娛樂機(jī)器人成為機(jī)器人領(lǐng)域中一支極具前景的新生力量[5]，新的技術(shù)也對人機(jī)對弈平臺在人機(jī)交互方式[6]和真實(shí)用戶體驗(yàn)方面提出了新的需求。國內(nèi)的人機(jī)對弈系統(tǒng)一般針對中國象棋或五子棋[3-7]，其中五子棋尤其具有現(xiàn)代休閑“短、平、快”的特征[2]。本文設(shè)計(jì)制作了一個實(shí)時交互的五子棋人機(jī)對弈系統(tǒng)，旨在提供一個具有真實(shí)用戶體驗(yàn)，服務(wù)于相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的人機(jī)對弈實(shí)驗(yàn)平臺。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（System design）
五子棋人機(jī)對弈系統(tǒng)主要包括視覺系統(tǒng)、策略系統(tǒng)和機(jī)械臂系統(tǒng)三大功能模塊，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。視覺系統(tǒng)對棋盤進(jìn)行圖像采集，通過特定的圖像識別算法對雙方棋子進(jìn)行識別和定位，得到當(dāng)前的棋盤布局。策略系統(tǒng)對當(dāng)前棋盤布局進(jìn)行分析，調(diào)用智能對弈算法計(jì)算出最優(yōu)落子位置坐標(biāo)，并換算成為執(zhí)行器的動作量，通過串行數(shù)據(jù)線發(fā)送至機(jī)械臂系統(tǒng)，由其完成取子、移動、落子等運(yùn)動控制。從而在真實(shí)的棋盤上實(shí)現(xiàn)人機(jī)對弈。策略系統(tǒng)提供可視化的人機(jī)界面，能將視覺系統(tǒng)得到的棋盤布局圖形化顯示，實(shí)現(xiàn)對弈過程中界面與棋盤信息的同步。此外，用戶亦可通過人機(jī)界面與策略系統(tǒng)進(jìn)行純軟件的虛擬對弈，增強(qiáng)了趣味性，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
3 視覺系統(tǒng)（Vision system）
視覺子系統(tǒng)是機(jī)器人的眼睛，由攝像頭與圖像處理算法組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。攝像頭采集棋盤圖像，通過USB傳至裝有圖像處理程序的計(jì)算機(jī)，再經(jīng)過色塊分割、識別和定位得到雙方棋子的布局情況，上傳至策略系統(tǒng)。攝像頭型號為PHILIPS SPC900NC，USB接口，最高幀速率為90幅/s，安裝于棋盤正上方。圖像處理算法通過C++語言實(shí)現(xiàn)，開發(fā)平臺為Visio Studio 2010，程序流程如圖3所示。
圖像識別[8，9]的步驟為：色塊分割、棋子識別、棋子定位。首先根據(jù)顏色特征來區(qū)分雙方棋子。將攝像頭獲取圖像轉(zhuǎn)換為YUV顏色空間信息，分別定義雙方棋子顏色的閾值范圍，即可將圖像分成不同顏色的色塊。綜合考慮圖像噪聲等因素的影響，根據(jù)色塊面積、形狀等特征嚴(yán)格地判斷是否為待識別目標(biāo)。為了輔助定位，在棋盤的四個角上用不同于棋子的顏色作為標(biāo)記，因此實(shí)際的目標(biāo)識別還包括對四角標(biāo)志點(diǎn)的識別。識別出標(biāo)志點(diǎn)后，根據(jù)棋子和標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐標(biāo)的關(guān)系，即可獲得具體的位置信息，識別效果如圖4所示。
4 策略系統(tǒng)（Strategy system）
策略系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。它接收來自視覺系統(tǒng)的棋盤位置信息，判斷當(dāng)前的勝負(fù)關(guān)系，計(jì)算出下一步落子點(diǎn)坐標(biāo)，再經(jīng)過機(jī)械臂控制執(zhí)行換算得到輸出動作量，通過串行口發(fā)送至機(jī)械臂系統(tǒng)。策略系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)，包括智能決策算法與人機(jī)界面兩部分。智能決策算法采用C++語言開發(fā)，界面采用C#語言開發(fā)，開發(fā)平臺為Visio Studio 2010。
4.1 智能決策算法
智能決策算法主要包括最優(yōu)落子點(diǎn)的計(jì)算，勝負(fù)判定和控制執(zhí)行換算三部分，程序流程如圖6所示。計(jì)算最優(yōu)落子點(diǎn)采用最直接也是最有效的遍歷搜索法。預(yù)設(shè)棋盤布局為10格×10格，計(jì)算可得雙方均分別有192種取勝的狀態(tài)。首先對取勝緩沖標(biāo)識區(qū)以及雙方的搜索空間分別進(jìn)行初始化；隨著雙方對弈的深入，棋子的增長與局勢的變化，系統(tǒng)通過判斷對方所有符合條件的取勝狀態(tài)及其威脅性，按照一定的加分規(guī)則來更新搜索空間的評價(jià)值，以數(shù)值最大的點(diǎn)為下一步的最佳落子點(diǎn)，如此往復(fù)循環(huán)。對于結(jié)果的判斷比較簡單，取勝的條件為五子連線；平局的條件為棋子布滿棋盤。
在真實(shí)對弈的過程中，機(jī)器人的落子行為通過機(jī)械臂系統(tǒng)來執(zhí)行，機(jī)械臂控制執(zhí)行換算實(shí)現(xiàn)最優(yōu)落子點(diǎn)坐標(biāo)與機(jī)械臂動作量之間的數(shù)值轉(zhuǎn)換。根據(jù)機(jī)械手爪的位置與目標(biāo)落子點(diǎn)的坐標(biāo)，規(guī)劃出最優(yōu)的移動路徑；再結(jié)合機(jī)械臂各個自由度上的機(jī)械參數(shù)，計(jì)算得到各執(zhí)行電機(jī)的輸出動作量。
4.2 人機(jī)界面
人機(jī)界面是棋盤之外的輔助人機(jī)交互接口，具有參數(shù)設(shè)置、信息可視化和軟件模擬的功能。人機(jī)界面如圖7所示，設(shè)計(jì)有黑、白方的選擇按鈕，啟動、停止、重啟比賽按鈕，串口參數(shù)設(shè)置以及計(jì)時器等功能模塊；與實(shí)際對弈競賽一樣，人/機(jī)雙方在落子之后還需點(diǎn)擊相應(yīng)的“落子確認(rèn)”按鈕。由于系統(tǒng)具有真實(shí)和虛擬兩種人機(jī)對弈模式，在真實(shí)對弈過程中，界面能實(shí)時顯示當(dāng)前的棋盤布局；在虛擬對弈過程中，用戶直接通過界面與智能對弈算法進(jìn)行較量。
5 機(jī)械臂系統(tǒng)（The mechanical arm system）
機(jī)械臂系統(tǒng)是機(jī)器人的手臂，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，它通過RS-232接收來自策略系統(tǒng)的電機(jī)輸出動作量，經(jīng)可編程控制器（PLC）轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖信號，由開關(guān)量輸出（DO）端口傳送至驅(qū)動器，控制電機(jī)和電磁閥帶動轉(zhuǎn)盤、絲桿及汽缸動作。結(jié)合開關(guān)量輸入（DI）端口接收到的位置傳感器反饋信號，完成在立體空間中抓取、移動和放置棋子的動作。
機(jī)械臂系統(tǒng)選用亞龍公司YL-SJ-Z型工業(yè)機(jī)械臂實(shí)訓(xùn)臺，由全金屬架構(gòu)搭建而成（長×寬×高：1200mm×780mm×840mm）。通過垂直、水平和底盤旋轉(zhuǎn)三個自由度的活動環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪在一定三維空間區(qū)域內(nèi)活動定位，即使用了坐標(biāo)式架構(gòu)。底盤旋轉(zhuǎn)通過直流減速電機(jī)與光電碼盤配合實(shí)現(xiàn)精確定位；垂直與水平移動分別由兩個步進(jìn)電機(jī)帶滾珠動絲桿旋進(jìn)，行程終點(diǎn)裝有限位開關(guān)，保證電機(jī)安全運(yùn)行；機(jī)械手爪采用高精度氣動式手爪，配備電磁位置開關(guān)及兩位三通電磁閥，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的抓取和放開動作。
實(shí)訓(xùn)臺的主控制器為歐姆龍CP1H-XA40DT-D型PLC，CP1H-XA40DT-D是一款緊湊型一體化高性能PLC，具有24路DI和16路DO，直流24V供電，能通過USB與RS-232/485等多種方式與計(jì)算機(jī)通訊。PLC程序采用梯形圖編程語言編寫，開發(fā)軟件為CX-programmer7.0。程序流程如圖9所示，可分為抓取棋子，接收串口數(shù)據(jù)，產(chǎn)生并發(fā)送控制信號，移動至落子位置，放置棋子，返回起點(diǎn)幾個步驟。
6 結(jié)論（Conclusion）
將各功能模塊聯(lián)機(jī)調(diào)試，挑選學(xué)生志愿者與機(jī)器人進(jìn)行對弈測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，真實(shí)對弈與虛擬對弈都較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，尤其是真實(shí)對弈模式在一定區(qū)域內(nèi)很好地實(shí)現(xiàn)了棋子的識別，機(jī)械手取子、移動、落子等動作，給用戶沉浸式的操作體驗(yàn)。實(shí)際測試效果如圖10所示。系統(tǒng)各功能模塊都具有通用的軟硬件接口，供學(xué)生探索研究和繼續(xù)開發(fā)，已經(jīng)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)控制裝置、人工智能、軟件技術(shù)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，收到良好的效果。
對弈機(jī)器人利用硬件設(shè)備將人機(jī)交互實(shí)物化，更加符合傳統(tǒng)對弈的形式，在教學(xué)研究、科技展示、家庭娛樂等方面具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價(jià)值。通用的硬件配置，個性化的軟件設(shè)計(jì)，既降低了開發(fā)成本，也使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可移植性。
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