機(jī)器人創(chuàng)新實驗室的多元化模式探究

姚志鳳，薛少平，陳亞娟

(西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西楊凌 712100)

將機(jī)器人引入大學(xué)生實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，可以打破學(xué)科間的界線，加強(qiáng)計算機(jī)科學(xué)、機(jī)械制造、電子信息工程以及自動控制等幾個相關(guān)學(xué)科間的橫向聯(lián)系，讓學(xué)生能夠從一個系統(tǒng)工程的角度，整體地理解所學(xué)的理論知識，擴(kuò)展綜合專業(yè)知識，提高創(chuàng)新實踐和自主構(gòu)建知識的能力［1，2］。國內(nèi)許多高校都開展了與機(jī)器人相關(guān)的實驗教學(xué)和課外活動。但是，如何圍繞機(jī)器人來構(gòu)建多元化的實踐創(chuàng)新培養(yǎng)體系，真正利用好機(jī)器人這一平臺，是一個值得關(guān)注的問題［3］。本文提出了機(jī)器人創(chuàng)新實驗室多元化模式的建設(shè)方案，并從實驗平臺、培養(yǎng)模式以及管理模式等諸方面對實驗室建設(shè)進(jìn)行了有益的探索。

1 機(jī)器人實驗平臺的多元化建設(shè)

高校中機(jī)器人實驗室的服務(wù)功能，大致可以分成以下幾類:①機(jī)械類和電子類學(xué)生的基礎(chǔ)訓(xùn)練;②非機(jī)械類、非電子類學(xué)生的工程訓(xùn)練;③機(jī)械類和電子類學(xué)生的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計;④大學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新項目;⑤機(jī)器人競賽等。

為了適應(yīng)不同學(xué)科和不同層次學(xué)生的需要，實驗室依照從簡單到復(fù)雜，由入門到精通，建設(shè)了三個層次的實驗平臺。

(1)初級機(jī)器人平臺

針對大一和大二的學(xué)生工程訓(xùn)練時間短和專業(yè)基礎(chǔ)薄弱的特點(diǎn)，平臺上主要進(jìn)行認(rèn)知教育，通過介紹和演示機(jī)器人的功能將學(xué)生對機(jī)器人的濃厚興趣引向?qū)ζ涔ぷ髟淼牧私?。為此，實驗室設(shè)置了撲翼飛行機(jī)器人、自主移動機(jī)器人、博思人形機(jī)器人和創(chuàng)意之星機(jī)器人等多個實驗設(shè)備。這些實驗設(shè)備具有操作簡單、形象直觀和適用面廣的特點(diǎn)。其中，撲翼飛行機(jī)器人是一種仿生飛行器，它仿照鳥類撲翼飛行方式設(shè)計;自主移動機(jī)器人按照機(jī)器人足球大賽的要求和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制作，通過采樣傳感系統(tǒng)追蹤定位目標(biāo);博思人形機(jī)器人是一款智能化機(jī)器人，具有17個自由度，通過自身智能編程軟件能自動地完成如舞蹈、行走、起臥和翻跟斗等高難度動作;創(chuàng)意之星機(jī)器人則有770多個高強(qiáng)度、高韌性的結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)件間可以任意連接，可以組裝成小車、多足機(jī)器人和蛇形機(jī)器人等多種不同造型的機(jī)器人。

(2)中級機(jī)器人平臺

針對大三和大四的機(jī)械類和電子類學(xué)生的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計，實驗室配置了工業(yè)機(jī)器人實驗平臺和寶貝車實驗平臺和模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)平臺。實踐教學(xué)中，側(cè)重介紹機(jī)器人各部分的工作原理，引導(dǎo)學(xué)生注重相關(guān)學(xué)科知識的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識進(jìn)行綜合研究的科學(xué)素質(zhì)。以模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)為例，它融機(jī)械、氣動、傳感、電氣及計算機(jī)等技術(shù)于一體，既接近于工業(yè)生產(chǎn)實際設(shè)備，又便于學(xué)生實際操作訓(xùn)練。學(xué)生通過對模塊生產(chǎn)系統(tǒng)的實際操作、測繪、制圖、PLC編程設(shè)計和運(yùn)行工作，掌握各部分的功能、結(jié)構(gòu)、工作原理和設(shè)計方法，從而認(rèn)識現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)特點(diǎn)和過程。

(3)高級機(jī)器人平臺

針對大學(xué)生科技創(chuàng)新項目和機(jī)器人競賽，實驗室在初、中級機(jī)器人實驗的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化了機(jī)器人的軟硬件，拓展了機(jī)器人的功能，為學(xué)生提供了開放式的設(shè)計平臺。例如:歐鵬的寶貝機(jī)器人是一個微型自主移動機(jī)器人設(shè)備，核心是單片機(jī)控制器。通過擴(kuò)展傳感器、超聲波和紅外等外部接口，使寶貝機(jī)器人增加了觸覺避障、尋光、巡線、滅火、搬運(yùn)、溫濕度檢測和巡游校園等功能，為機(jī)器人大賽提供了多元化的研究平臺。為了培養(yǎng)學(xué)生協(xié)同作業(yè)和團(tuán)隊合作的精神，實驗室將四臺兩自由度機(jī)械臂聯(lián)成資源共享的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，由一套8軸嵌入式網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動控制器通過HUB對8臺學(xué)生電腦聯(lián)機(jī)控制。同時，機(jī)械臂又增加了多種繪圖控制方式，包括:計算機(jī)編程控制繪圖、鼠標(biāo)繪制圖形和手寫板繪制圖形;通過數(shù)碼照相機(jī)或攝像頭拍攝照片，提取圖像輪廓點(diǎn)陣圖形繪制素描圖像等。改進(jìn)后的兩自由度機(jī)器臂人機(jī)交互界面友好，功能完備，成功支持了多項大學(xué)生科技創(chuàng)新項目。

2 學(xué)生培養(yǎng)模式的多元化

機(jī)器人教學(xué)是以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、科學(xué)品質(zhì)、探索精神和實踐能力為目標(biāo)的［4］，因而在實驗教學(xué)中，我們采用了項目式、團(tuán)隊競賽式和答辯式等多元化培養(yǎng)模式。

(1)項目式—教師在課前下發(fā)項目書，每個項目都有一個核心任務(wù)，針對任務(wù)，提供相關(guān)的參考資料。學(xué)生可自主選擇項目，也可在課程和平臺可支持的范圍內(nèi)自立項目。學(xué)生可自行決定時間和進(jìn)度，但教師通過設(shè)置項目節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行啟發(fā)式督導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生完成從設(shè)計、執(zhí)行到論證的全過程。

(2)團(tuán)隊競賽式—以團(tuán)隊合作的方式，開展實踐教學(xué)。根據(jù)實驗的難度和設(shè)備的數(shù)量，每個團(tuán)隊由2到4人組成，共同完成一項任務(wù)。團(tuán)隊競賽的學(xué)習(xí)方式，既可以加強(qiáng)學(xué)生間的交流與合作，又創(chuàng)造了互相競爭的學(xué)習(xí)氣氛。

(3)研討答辯式— 在實驗考評方面，由學(xué)生走上講臺，進(jìn)行答辯和演示。學(xué)生首先進(jìn)行自評，評價自己的構(gòu)想設(shè)計，分享實驗中的問題和收獲。然后，讓其他學(xué)生進(jìn)行提問，問題涉及實驗方案、過程論證和實驗結(jié)論等各個環(huán)節(jié)。最后，由教師進(jìn)行總體評價。這種評價方式可以真實反映學(xué)生水平。

3 實驗室管理模式的多元化

為提高設(shè)備的利用率，增加學(xué)生的實踐機(jī)會，根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計特點(diǎn)和需求，機(jī)器人實驗室實行多元化和開放式管理［5］。

(1)布局多樣化—傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ较?，教師是主?dǎo)，學(xué)生處于接受知識的被動地位，課堂缺乏互動和交流。為了改變這一狀況，實驗室打破原有教室的布局，在擺放桌椅時，考慮到學(xué)生的討論與互動的便利，改成圓桌式布局，讓學(xué)生成為課堂的主人，以研討的方式進(jìn)行問題分析、方案設(shè)定和實施論證。

(2)時間開放式—實驗室全天候開放，學(xué)生提前預(yù)約，盡量滿足學(xué)生的合理要求，保證學(xué)生有足夠的時間完成實驗或是科技創(chuàng)新項目。

4 結(jié)語

我校機(jī)器人創(chuàng)新實驗室支持了多項國家級、校級大學(xué)生科技創(chuàng)新項目和本科畢業(yè)設(shè)計。同時，它為大學(xué)生挑戰(zhàn)杯競賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽提供了實驗平臺和技術(shù)指導(dǎo)，使參賽的我校學(xué)生取得了全國二等獎1項和省級獎多項的好成績。

機(jī)器人創(chuàng)新實驗室的多元化建設(shè)是我校實踐教學(xué)改革的一次有益嘗試，激發(fā)了學(xué)生科技研發(fā)的興趣和愛好，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和團(tuán)隊合作精神，同時也為活躍校園科技，培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才提供了一個有益的平臺。

［1］ 萬佑紅，蔣國平.機(jī)器人教育與大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2005，(04)

［2］ 薛子云.以“Future Star”為平臺的機(jī)器人課程的研究與創(chuàng)新［A］.北京;高教學(xué)會實驗室工作研究會2010年學(xué)術(shù)研討會論文集(上冊)［C］，2010

［3］ 陳小平，羅文堅.以機(jī)器人實驗為載體的實踐創(chuàng)新培養(yǎng)體系研究［J］.合肥:研究生教育研究，2011，(03)

［4］ 李彥林，郭建新，胡蓉.工程訓(xùn)練課程體系中機(jī)器人模塊教學(xué)改革［J］.成都:實驗科學(xué)與技術(shù)，2010，(05)

［5］ 王詠梅，葛建宏，王炳謙.機(jī)器人創(chuàng)新開放實驗室建設(shè)［J］.上海:實驗室研究與探索，2009，(11)