機(jī)器人制作給大學(xué)生動手能力培養(yǎng)帶來的啟示

孟　浩

摘要：大學(xué)生工程訓(xùn)練是提高大學(xué)生動手能力的一個有效方式。簡易智能機(jī)器人制作項目的開展能使參與的學(xué)生在機(jī)械、電子、計算機(jī)軟硬件等方面得到較大的提高，它不但可以培養(yǎng)學(xué)生們分析與解決具體問題的能力，也可以培養(yǎng)不同專業(yè)學(xué)生進(jìn)行具體零部件的加工制作能力，有效地加強(qiáng)了學(xué)生們的創(chuàng)新思維和工程實現(xiàn)能力。本文通過簡易機(jī)器人制作項目的開展對大學(xué)生動手能力的培養(yǎng)進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人；科技創(chuàng)新活動；動手能力

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

目前國際上研制出的機(jī)器人可謂種類繁多，外形各異。其中具有較高人工智能水平的機(jī)器人可以完成復(fù)雜的動作，屬高端機(jī)器人，其體積往往較大；而利用單片處理器實現(xiàn)控制的簡易智能機(jī)器人，則可以看作中檔機(jī)器人，其體積一般較??；相對而言，非處理器控制的機(jī)器人，可看作低檔機(jī)器人，一般結(jié)構(gòu)簡單，多用于研究或?qū)嶒災(zāi)康摹?/p>

機(jī)器人制作作為大學(xué)生科技創(chuàng)新活動的展示與比賽經(jīng)過多年的培育已得到了社會的極大關(guān)注，也激發(fā)了大學(xué)生們的參與熱情。盡管以此作為培養(yǎng)太學(xué)生動手能力的教學(xué)模式還在探討之中，但經(jīng)過多年的實踐，我們感到至少在以下幾方面得到了體現(xiàn)：

1機(jī)械設(shè)計能力的培養(yǎng)

機(jī)器人中常用的機(jī)械設(shè)計主要應(yīng)用一些連桿機(jī)構(gòu)，帶傳動機(jī)構(gòu)，連軸器，軸(承)座等簡單的機(jī)械機(jī)構(gòu)，相應(yīng)的機(jī)械設(shè)計中還會涉及到一些部件的安裝固定，整機(jī)各部件的位置配合，整機(jī)的裝配設(shè)計等，參與的同學(xué)從零部件的設(shè)計到整體裝配的各環(huán)節(jié)都能得到鍛練。任一個環(huán)節(jié)考慮不周，就可能造成返工，這樣既浪費(fèi)又可能延誤進(jìn)度。

機(jī)械設(shè)計中一些工量具的使用，位置的測算，外購件的位置與尺寸的測量也是一個極有價值的鍛練。簡易機(jī)器人所涉及的設(shè)計能力并不復(fù)雜，但要它求同學(xué)們從局部到整體進(jìn)行全面的考慮，所以說它是一個較好的訓(xùn)練項目。

對于工科專業(yè)的學(xué)生，在學(xué)習(xí)過機(jī)械原理，機(jī)械制圖的情況下并不會感到特別困難，而對于其它專業(yè)的學(xué)生來說，容易存在無從下手、想像不切實際的問題。盡管大型的機(jī)器人項目可以將不同專業(yè)的工作按人員進(jìn)行分組，但對于簡易型的項目說，同學(xué)們不得不完成跨學(xué)科的工作。

通過簡易機(jī)器人的設(shè)計與制作，把機(jī)械、電子、計算機(jī)、軟件工作融為一體，建立一個整體設(shè)計觀念是非常有益的。

2機(jī)械加工能力的培養(yǎng)

實物機(jī)器人必不可少的要進(jìn)行一些簡單的機(jī)械加工，自己動手是這項活動的意義所在。由于簡易機(jī)器人的選材多數(shù)以輕便材料為主，所以塑料件、鋁件、膠木件是選擇的主要對象，可以考慮選用常用的管型鋁材，角型鋁材。加工的強(qiáng)度與精度一般要求不高，大多可以在實驗室通過手工操作達(dá)要設(shè)計要求。操作難度可能在于其體積往往較小而結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作材料難以獲得上。

機(jī)械加工中常用的加工工具，工量具，鉗工工具，使用方式方法對于非機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生來說有一定的困難，大多數(shù)同學(xué)根本沒有使用過這些工具?？梢缘玫藉憻挼墓ぷ饔袆澗€、打孔、銼平、銼園、攻絲、鋸斷、打磨等，工量具的輕拿輕放、加工過程中的自我保護(hù)、工具的保養(yǎng)等等都是訓(xùn)練的內(nèi)容。

機(jī)械加工能力的培養(yǎng)，可以從工具的認(rèn)識、簡單的使用方法的演示、獨(dú)立模仿摸索，由易而難的展開方式來實現(xiàn)。第一次看別人操作，然后再自己獨(dú)立完成，同學(xué)之間互相交流共同提高。

3電路設(shè)計能力的培養(yǎng)

電路設(shè)計是機(jī)器人電子系統(tǒng)從無到有的過程，也是關(guān)鍵工作之一。大多數(shù)機(jī)器人都需要控制與檢測電路，以獲得必要的信息反饋和動作執(zhí)行。電路設(shè)計的環(huán)節(jié)包括初步的試驗(搭建整體或部分電路)、電路參數(shù)的調(diào)整、元器件的選擇、初步試驗、確定方案等環(huán)節(jié)，最終還要與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制軟件共同調(diào)試并反復(fù)設(shè)計。電路設(shè)計大多要涉及到微控制器(或單片機(jī))及相關(guān)集成電路，單片機(jī)的選型、接口芯片的選擇、驅(qū)動能力的測算、控制電路的最終體積等等都需要反復(fù)論證與實驗，電源系統(tǒng)更是一大難題。機(jī)器人設(shè)計中的許多電路可能書本上并沒有針對性的介紹，而同學(xué)們必須在理論教學(xué)與實踐應(yīng)用中進(jìn)行綜合與發(fā)揮。

機(jī)器人項目的電子設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，它不是一個獨(dú)立的部件，往往沒有現(xiàn)成的參考。這個過程不但要求參與設(shè)計的同學(xué)掌握相關(guān)的電路知識，還要求有較好的綜合應(yīng)用能力。簡單合理的電路設(shè)計是一個重要的標(biāo)準(zhǔn)，各模塊電路之間的接口要求同學(xué)們進(jìn)行多次充分的協(xié)商，它可以極好地訓(xùn)練團(tuán)隊的協(xié)作?？梢哉f，機(jī)器人項目在電路的設(shè)計上對同學(xué)們的鍛煉優(yōu)于其他項目。

4電路板設(shè)計與制作能力的培養(yǎng)

電路板是電子元器件的載體，同時又是連接元器件的線路。電路板的設(shè)計關(guān)系到電路工作的方方面面，它是一個看似簡單實際上綜合了許多的相關(guān)知識的工作。電路板的設(shè)計對于許多學(xué)生來說是陌生的。元器件的擺放位置、功率導(dǎo)線的寬窄、接插件的位置、安裝固定孔的確定、焊盤與過孔的大小、甚至最終的外形尺寸都要統(tǒng)一考慮。熟練掌握一種電路板輔助設(shè)計軟件是必要的，它不但可以提高電路設(shè)計的效率，還可以提供許多集成電路的詳細(xì)信息。在這種實際工作中的訓(xùn)練，遠(yuǎn)比在課堂上的學(xué)習(xí)要有效的多。

從電子線路設(shè)計軟件中獲得的印制板圖到最終加工完畢對同學(xué)們來說是一個很大的進(jìn)步，它體現(xiàn)了從電路原理到實物形態(tài)的飛躍。只有當(dāng)元器件安裝調(diào)試成功后，才能說電子線路的設(shè)計完成了。這也正是許多學(xué)校都把簡易機(jī)器人制作作為同學(xué)們訓(xùn)練的一個首選方案的原因。

5電路焊接與元器件裝配能力的培養(yǎng)

之所以在本文強(qiáng)調(diào)電路焊接能力是因為我們發(fā)現(xiàn)本科生在這方面的訓(xùn)練太少，甚至包括對電烙鐵的使用、元器件裝拆技巧的掌握都極其缺乏。原本是好的元器件或是印制板，很可能在幾次拆裝后，輕則造成虛焊，重則報廢，給整個制作帶來較大的損失。而元器件的裝配能力不僅僅是焊接工作，也包括接插件的安裝、有關(guān)元器件的固定甚至器件的拆卸等。一個看似平凡的工作，對于大部分本科生來說其實并不簡單。

6軟件編程能力的培養(yǎng)

軟件編程是機(jī)器人設(shè)計中一個必不可少的環(huán)節(jié)。它的好壞不僅關(guān)系到最終功能的實現(xiàn)，還關(guān)系到實現(xiàn)的質(zhì)量、操作的靈敏性、可靠性與準(zhǔn)確性，有些甚至是機(jī)械或電路都無法實現(xiàn)的功能，要依靠軟件來實現(xiàn)。所以說軟件是機(jī)器人的靈魂，而硬件是機(jī)器的機(jī)體。

軟件設(shè)計中最為關(guān)鍵的是機(jī)器人的監(jiān)控程序，一般來說它是機(jī)器人加電后所執(zhí)行的常規(guī)工作，而其他具體的功能則可看成是相關(guān)的子程序。好的程序設(shè)計應(yīng)該是思路清晰，結(jié)構(gòu)合理，可靠性高，執(zhí)行效率高等等。

機(jī)器人軟件編程能力的培養(yǎng)最重要的是考慮問題的全面性。尤其是對于智能機(jī)器人，許多情況是由機(jī)器人自行推理而執(zhí)行的(這也包括以單片機(jī)為主的機(jī)器人)，那么所有的推理結(jié)果都應(yīng)在設(shè)計人員的考慮之中，即便是人工智能，也是在設(shè)計人員的考慮之中。設(shè)計之前由設(shè)計制作

小組進(jìn)行集體討論，預(yù)測出各種可能的情況，制成邏輯推理圖或流程圖，并針對性地在軟件功能中實現(xiàn)，通過反復(fù)的試驗與檢測，將程序進(jìn)行必要的修改與完善。有時機(jī)器人在執(zhí)行時會出現(xiàn)意想不到的情況，或做出意想不到的動作，這些都是在程序設(shè)計時所沒有完全考慮到的，需要進(jìn)行修改。而試驗與檢測也極為重要，必須要能夠提供相關(guān)的外部條件，才能了解程序執(zhí)行的情況，因此軟件的模擬應(yīng)該是試驗之前的重要步驟。

7儀器設(shè)備使用能力的培養(yǎng)

儀器儀表的使用是一個發(fā)現(xiàn)問題的手段，也是判斷問題的有效途徑，它可以在解決問題的前后反復(fù)進(jìn)行驗證，使設(shè)計與維修人員掌握電路中電路參量的變化規(guī)律與變化過程，是一個極其重要的實驗手段。使用儀器來觀查或檢測電路的工作情況是一個從理論分析到實際驗證的過程，能否主動的使用儀器儀表來解決問題，是電子類大學(xué)生動手能力培養(yǎng)與鍛煉的重要環(huán)節(jié)。

談到儀器設(shè)備，許多實驗室中都不可缺少。在機(jī)器人制作中所需要用到的儀器并不是什么高檔昂貴的設(shè)備，大多數(shù)是一些通用的測量儀器。也許許多人會覺得使用這些儀器并沒有什么困難，需要檢測什么電路量，就選擇什么方面的檢測儀器，這本來也很容易想到，但事實上不然。同學(xué)們在遇到困難時多數(shù)情況下并不能想到要使用哪種儀器來測量，甚至不會使用儀器測量。儀器設(shè)備的使用是發(fā)現(xiàn)問題的第一步，解決人們無法對相關(guān)參量的感知問題。對使用儀器的畏懼心理是一個普遍的現(xiàn)象。通過對具體問題的分析與儀器性能的掌握，同學(xué)們學(xué)會了主動使用儀器。

8資料檢索能力的培養(yǎng)

資料的檢索能力是從事任何一項科研工作都必須具備的能力，甚至有人認(rèn)為資料檢索能力是人生最重要的能力之一。資料檢索不僅僅是指通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行的資料檢索，它可以涉及任何可以觸及到的資料，甚至包括不易觸及到的資料。資料檢索工作往往在設(shè)計選型階段最為繁重，這時的檢索面廣，涉及的學(xué)科多。如器件的選型、供貨廠家的查找、價格的詢問等等。值得一提的是要注重英文閱讀能力的培養(yǎng)，因為許多新器件只有英文資料。同學(xué)們經(jīng)過不斷的總結(jié)，已習(xí)慣于使用網(wǎng)絡(luò)工具來尋找資料。當(dāng)遇到刺手的問題時，可以通過較強(qiáng)的資料檢索能力來獲得解決方案。

由于資料檢索的周期較長，任務(wù)繁重，往往需要團(tuán)隊中的成員共同來進(jìn)行，所以這部分工作不止局限于某個人或某幾個人，它要求成員們同時完成。這不僅可以使團(tuán)隊中的成員共同了解相關(guān)的知識背景和技術(shù)狀況，也可以使他們在日后的討論中，在同一個水平層次上進(jìn)行。

9計劃與控制能力的培養(yǎng)

計劃與控制能力的培養(yǎng)關(guān)系到一個項目能否合理地分配下去，也關(guān)系到這個項目能否在預(yù)定的時間內(nèi)順利完成。計劃與控制的好壞甚至?xí)P(guān)系到工程的進(jìn)度，也會影響相關(guān)人員的潛力的發(fā)揮。計劃與控制能力的培養(yǎng)是一個看似簡單，但卻要經(jīng)過長期鍛煉的內(nèi)容，它不是哪本書上的理論的應(yīng)用，而是一個綜合能力的培養(yǎng)。它要求從事這部分工作的人員既要對業(yè)務(wù)有所了解，又要對機(jī)器人制作的團(tuán)隊有所了解，還要是一個很有預(yù)見的人。經(jīng)驗往往占據(jù)了知識的大部分內(nèi)容，它往往由團(tuán)隊的領(lǐng)袖級人物來擔(dān)任。我們的經(jīng)驗是由高年級專業(yè)的學(xué)生業(yè)擔(dān)任，并由指導(dǎo)教師來輔助其開展工作。

10團(tuán)隊協(xié)調(diào)能力的培養(yǎng)

任何一項工程或工作如果涉及到多人多單位的共同合作，這其中的協(xié)調(diào)工作就非常重要。要想能按時、按質(zhì)地完成任務(wù)，從任務(wù)的分配、計劃的明確、工期的催促、質(zhì)量的控制、半成品的檢查到技術(shù)問題的共同商討等，處處都需要協(xié)調(diào)。

協(xié)調(diào)者的個人立場、素質(zhì)、觀點(diǎn)也極大地影響了協(xié)調(diào)工作的有效進(jìn)行，甚至影響到整個工期的順利完成。它是一個上傳下達(dá)的工作，有時既是執(zhí)行者，又是操作者，完全可以認(rèn)為這個工作比具體的技術(shù)攻關(guān)還要重要。

協(xié)調(diào)中的溝通也涉及多種技巧，有好言相勸、有說服鼓動、也有苦口婆心，甚至有嚴(yán)歷的指責(zé)。溝通與協(xié)調(diào)應(yīng)該是相輔相成的，沒有良好的溝通技巧，就不能實現(xiàn)有效地協(xié)調(diào)。工程項目中的協(xié)調(diào)決不是一件簡單的工作，需要在多次機(jī)會中得到鍛煉。所以說，目標(biāo)明確、工作具體的機(jī)器人制作可以使大學(xué)生得到非常有益的鍛煉。

以上觀點(diǎn)是我們在實際指導(dǎo)大學(xué)生機(jī)器人制作活動中的一點(diǎn)體會。從能力培養(yǎng)的角度來說，僅這一點(diǎn)是不夠的，但從一個項目入手來豐富能力培養(yǎng)的方法是值得推廣的。當(dāng)然從實際的效果來看遠(yuǎn)不止以上這些羅列，但一個優(yōu)秀人才的能力培養(yǎng)需要更多的活動，使之經(jīng)受更多的磨練。我們將會本著培養(yǎng)大學(xué)生實用能力的原則，為他們創(chuàng)造更加真實、完善的環(huán)境，為提高新時代大學(xué)生的素質(zhì)與能力而努力。