淺談高校機器人創(chuàng)新實踐環(huán)境的建設(shè)與應用

朱恩亮

[摘要] 基于機器人的大學生科技創(chuàng)新活動的開展有利于培養(yǎng)學生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力、自學能力和協(xié)作能力。本文從機器人創(chuàng)新訓練基地的建設(shè)、競賽活動的組織開展以及機器人在高校實踐教學中的應用等方面進行探討。

[關(guān)鍵詞] 機器人 創(chuàng)新活動 實踐教學

機器人綜合應用了多門學科的最新成就,是機電一體化的典型產(chǎn)品,機器人競賽活動和訓練涉及人工智能、數(shù)字圖像處理技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感器應用、機械傳動和自動控制等多個領(lǐng)域。近年來,各級各類機器人大賽在全國各個地區(qū)廣泛開展,該活動的開展,有力地推動了大學生實踐創(chuàng)新能力的提高,促進了大學實踐教學的改革,同時也為廣大學生提供了學習和創(chuàng)新的舞臺,使得一批高素質(zhì)的學生脫穎而出。筆者作為鹽城工學院機器人參賽隊的指導老師,帶領(lǐng)學生參加了兩屆“廣茂達杯”全國智能機器人大賽,分別取得了Robocup中型組足球比賽大學組冠軍和季軍;參加了兩屆江蘇省大學生機器人大賽,在機器人滅火、Robocup中型組足球、機器人游江蘇項目上取得了一等獎、二等獎的比賽成績。本文從機器人創(chuàng)新訓練基地的建設(shè)、競賽活動的組織開展以及機器人在高校實踐教學中的應用等方面進行探討。

一、機器人創(chuàng)新訓練基地的建設(shè)

1.機器人創(chuàng)新訓練基地建設(shè)的必要性

機器人創(chuàng)新訓練基地作為工科院校的創(chuàng)新實踐教學平臺,可以直接為電子、電氣、自動化、計算機、機械類等專業(yè)的學生提供服務(wù),其應用除了組隊參加機器人競賽外,還可以為大學生畢業(yè)設(shè)計、學生科技活動、大學生創(chuàng)新項目研究等提供必要的條件,機器人以其技術(shù)先進性、綜合性、可開發(fā)性、趣味性成為綜合的實踐創(chuàng)新訓練平臺,基于機器人的大學生科技活動的開展有利于培養(yǎng)學生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力、自學能力、協(xié)作能力。

2.機器人的選擇

在機器人的選型上,我們考慮了幾個因素:一是機器人的資源開放性,作為教學型機器人,其硬件資源要具有開放性,在機器人本體的電路主板上能夠進行硬件擴充,為此,要求機器人提供一定數(shù)量的可擴充接口,實現(xiàn)以機器人本體為基礎(chǔ)的硬件功能擴展,特別是便于外接各種傳感器;機械方面要便于改造和擴充,實現(xiàn)機器人不同的作用需求。二是機器人的軟件開發(fā)平臺,應該能夠用高級語言(如C或者C++)進行機器人的軟件編程。能力風暴智能機器人提供的圖形化交互式C語言(簡稱VJC)軟件開發(fā)系統(tǒng),不僅可以用直觀流程圖編程,也可以使用交互式C語言(簡稱JC語言,具有C語言的基本語法結(jié)構(gòu))編寫機器人程序,從而為機器人的編程提供了方便。三是兼顧機器人比賽的需要,對于機器人比賽項目,不僅要求機器人能夠完成特定的任務(wù),還要求運行速度快,穩(wěn)定性好。對機器人CPU的運行速度和數(shù)據(jù)處理能力也提出了較高的要求。實踐證明,早期的采用以68HC11單片機為核心的機器人在運行比較復雜的程序時(例如PID算法)速度較慢。對于Robocup中型組足球比賽用的機器人,全向輪結(jié)構(gòu)的機器人以其運動控制靈活和反應快捷逐步取代過去的雙輪結(jié)構(gòu)。

二、機器人競賽和創(chuàng)新活動的開展

機器人競賽是一項很好的科技創(chuàng)新活動,機器人的趣味性易于激發(fā)學生學習和研究的興趣,同時將競爭引入訓練過程,使學生變被動學習為主動學習和研究的過程。以競賽項目為訓練課題,將不同專業(yè)和不同年級的學生組成一個競賽小組,同學們在研究競賽規(guī)則、制定策略方案、設(shè)計調(diào)試程序的過程中集思廣益、取長補短、團結(jié)協(xié)作,這種在探索中學習的過程對于培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力是其他教學環(huán)節(jié)無法實現(xiàn)的。通過幾次組隊參加機器人大賽,我們不斷總結(jié)經(jīng)驗,做了如下一些嘗試:

1.報名與組隊

我校機器人大賽的報名與組織工作由教務(wù)處統(tǒng)一領(lǐng)導,由工程訓練中心具體承辦。為了做好機器人競賽的報名與組織工作,我們在學生中成立了大學生機器人興趣小組,興趣小組由相關(guān)專業(yè)的學生會干部負責,志愿報名,機器人興趣小組在教師的組織下利用課余時間開展機器人創(chuàng)新活動(包括機器人開發(fā)環(huán)境的學習與實踐、機器人運動控制的研究、機器人通信的實現(xiàn)、各種傳感器的功能及其應用實驗等等)。目前參加機器人興趣小組的學生數(shù)已經(jīng)有近30名同學,他們分別來自不同的專業(yè)和不同的年級。在組成參賽隊時,以不同專業(yè)不同年級的學生結(jié)合,大四的學生作為每個參賽隊骨干,以老帶新,形成梯隊。同時根據(jù)比賽項目選擇不同專業(yè)的學生參加,例如,機器人滅火比賽項目和機器人游江蘇比賽項目,以電氣、電子、自動化專業(yè)的學生為主,計算機和機械專業(yè)學生配合,對于中型組足球比賽項目,因為涉及計算機通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)、MFC編程技術(shù)等,則以計算機專業(yè)學生為主。機器人興趣小組的成立和平時的實踐活動,為學校參加機器人大賽組隊提供了保證,同時,在學校領(lǐng)導和主管部門給予大力支持下,我們盡量多組參賽隊,安排機器人興趣小組的同學參與機器人比賽,從而也吸引更多的同學參與機器人興趣小組。

2.集中訓練

機器人競賽訓練的過程實際上是綜合了機械、電氣、信息、控制、計算機等多學科的知識的一項綜合性實踐訓練環(huán)節(jié),在訓練過程中,教師制定粗線條的訓練計劃和進度,以學生自主訓練為主,教師進行適當?shù)妮o導和基礎(chǔ)知識的培訓。我們認為,競賽成績固然重要,但是賽前的訓練才是培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)的最好途徑。由于競賽的競爭性,同學們對訓練熱情很高,把課余時間都用在訓練上,營造出了良好的學術(shù)和學習氣氛。在第三屆江蘇省大學生機器人競賽訓練期間,我校的一個機器人滅火參賽小組用了一個學期的時間,自學嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)、自己設(shè)計電路、制作電路板、購置元器件、進行機器人的安裝調(diào)試,在機器人的設(shè)計和制作過程中,同學們查閱了大量的資料,克服了一個又一個難題,這樣一個設(shè)計制作的訓練過程就是一個工程實踐過程,對學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)和提高是其他教學環(huán)節(jié)無法達到的。機器人競賽是一個真正創(chuàng)新的平臺,學生的訓練成果在大賽中得以展示無疑會對學生的學習、實踐、創(chuàng)新等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和提高產(chǎn)生積極的影響。

3.賽后總結(jié)

每次參賽結(jié)束,無論成績?nèi)绾?我們都要求學生及時寫出書面總結(jié),這些參賽隊的總結(jié),既為下一屆的參賽同學留下了寶貴的經(jīng)驗,同時也是學生工程實踐的一個必不可少的訓練過程。在2004年我校奪得第五屆“廣茂達杯”全國智能機器人大賽中型組足球比賽項目冠軍后,同學們在總結(jié)中感慨地說:“在這樣一個全國性的比賽中,不論出現(xiàn)什么問題,都得現(xiàn)場調(diào)試、現(xiàn)場解決,讓我們得到了鍛煉,提高了我們解決實際問題的能力,我們要感謝學校給我們提供了這樣一個難得的機會,我們也希望學校能在校園里推廣這類活動,讓更多的同學參與進來,得到鍛煉?！?/p>

三、機器人在大學實踐教學過程中的應用

高校機器人創(chuàng)新活動和競賽活動的開展促進了大學生實踐創(chuàng)新能力的提高,借助于機器人創(chuàng)新訓練基地,近兩年,我校有4個工科畢業(yè)設(shè)計課題在工程訓練中心完成,成功申報了兩項江蘇省大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃省級項目。但是,機器人競賽活動和機器人興趣小組活動的組織與開展,畢竟是少數(shù)同學參與,就機器人平臺來說,其在實踐教學中如何更好地應用是我們一直思考的問題。智能機器人是技術(shù)前言之一,集成了數(shù)學、物理、化學、生物、機械、電子、材料、能源、計算機硬件、軟件、人工智能、多媒體技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等眾多領(lǐng)域的科學與技術(shù)知識,沒有一種技術(shù)平臺比智能機器人更綜合,為了培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì),在教學實驗中增加以移動機器人為平臺的綜合性實驗內(nèi)容是可行的,比如《計算機控制技術(shù)》課程中的PID控制算法實驗,《單片機原理及應用》課程中的PWM直流電機控制、A/D、D/A實驗等。在課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等實踐教學環(huán)節(jié)也可以引入機器人平臺。開展校內(nèi)機器人競賽活動,讓更多的學生和教師參與到機器人創(chuàng)新實踐活動中來,將有力地增強教學的實踐性和互動性,從而推動大學生實踐創(chuàng)新能力的提高。

四、結(jié)束語

機器人實踐創(chuàng)新訓練基地的建設(shè)和以機器人競賽活動為切入點的大學生科技創(chuàng)新活動,激發(fā)了大學生自主學習和研究創(chuàng)新的激情,培養(yǎng)了大學生的工程實踐能力,拓寬了知識面,同時,機器人作為一個綜合性實踐平臺在高校實踐教學中的應用,將有力推動大學實踐教學改革。

參考文獻:

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