面向人工智能專業(yè)的機(jī)器人實(shí)踐課程群建設(shè)初探

栗輝 李擎 崔家瑞 王粉花

摘? 要：文章針對(duì)當(dāng)前人工智能專業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀，圍繞機(jī)器人相關(guān)課程，提出基于多種機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)課程建設(shè)，從而更好地滿足人工智能專業(yè)機(jī)器人的實(shí)踐教學(xué)需求和未來辦學(xué)方向。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人技術(shù);實(shí)踐教學(xué);模塊化

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）06-0041-03

Abstract： In view of the current situation of robot practice teaching in artificial intelligence specialty， this paper puts forward the course construction of robot practice teaching based on many kinds of robot experimental platform around robot related courses， thus better meet the needs of artificial intelligence professional robot practice teaching and future orientation.

Keywords： robotics; practical teaching; modularity

人工智能專業(yè)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生在智能認(rèn)知和智能無人系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩方面的綜合能力，為畢業(yè)生從事智能無人系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)和管理工作提供技能基礎(chǔ)。2017年國(guó)務(wù)院發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，部署構(gòu)筑我國(guó)人工智能發(fā)展的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，加快建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和世界科技強(qiáng)國(guó)。人工智能的快速發(fā)展對(duì)該專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)提出了更高層次的要求，尤其在實(shí)踐與創(chuàng)新能力方面，要求學(xué)生除了掌握扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)外，更需要系統(tǒng)的實(shí)踐訓(xùn)練，而機(jī)器人相關(guān)技術(shù)作為人工智能專業(yè)重要的核心課程，其實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容更需要不斷更新和發(fā)展。本文主要圍繞人工智能專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)需求和未來辦學(xué)方向，研究探索機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐課程群的改革[1][2]。

一、建設(shè)背景及意義

學(xué)院原有機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)主要為DRRobot云臺(tái)輪式機(jī)器人，但該型號(hào)機(jī)器人平臺(tái)在實(shí)踐教學(xué)中有較強(qiáng)的局限性，主要表現(xiàn)為程序封裝性強(qiáng)，僅限于基于機(jī)器視覺的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，功能單一、程序固化，通用性和開放度不夠好，機(jī)器人基礎(chǔ)原理部分無法通過實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)，可開放實(shí)驗(yàn)較少，無法系統(tǒng)的為學(xué)生提供機(jī)器人技術(shù)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目。因此，實(shí)驗(yàn)室引入了“探索者”模塊化機(jī)器人平臺(tái)及Nao人形機(jī)器人成熟化產(chǎn)品，在原有《機(jī)器人組成原理》實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)上，結(jié)合新版培養(yǎng)計(jì)劃中《智能機(jī)器人》、《智能機(jī)器人應(yīng)用設(shè)計(jì)》等新開設(shè)的課程，設(shè)計(jì)了層次明確、開放性強(qiáng)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)了從機(jī)器人底層原理到上層應(yīng)用的實(shí)踐教學(xué)，保證知識(shí)的延續(xù)性并且逐層遞進(jìn)。

面向人工智能專業(yè)的機(jī)器人實(shí)踐課程群體系的設(shè)計(jì)原則和思路主要包括以下幾點(diǎn)：

（一）模塊化教學(xué)

“探索者”模塊化機(jī)器人平臺(tái)包括連桿類、平板類和框架類等30多種零件，以及各類智能控制電子元器件，需要學(xué)生自己動(dòng)手完成機(jī)器人從零開始的組裝設(shè)計(jì)，能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作熱情。平臺(tái)模塊化的設(shè)計(jì)豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師可以根據(jù)課堂理論教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生準(zhǔn)備豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主題，尤其在機(jī)器人基礎(chǔ)原理部分，可以更直觀詳盡的進(jìn)行模塊化展示，夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)[3]。

（二）層次化教學(xué)

通過實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的積累，構(gòu)建了體現(xiàn)層次化特征的三個(gè)階段實(shí)踐體系：基礎(chǔ)原理、綜合應(yīng)用、開放創(chuàng)新，而三種不同的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也使得這三個(gè)階段既相對(duì)獨(dú)立，又互相銜接，滿足培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)理論、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和工程素質(zhì)的需求。

（三）開放性教學(xué)

“探索者”模塊化機(jī)器人平臺(tái)適合讓學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)各式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人模型，各機(jī)器人構(gòu)件具備通用性、重構(gòu)性，構(gòu)件之間具有統(tǒng)一的接口，可根據(jù)用途進(jìn)行組合，得到所需的機(jī)器人構(gòu)型及功能[3]。實(shí)驗(yàn)過程中給出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)均為引導(dǎo)性、參考性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生均需要自行選取元器件進(jìn)行組裝和編程，該平臺(tái)滿足了從機(jī)器人基礎(chǔ)原理到綜合應(yīng)用各個(gè)層次的開放性實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)主導(dǎo)權(quán)更多的交予學(xué)生手中。

此外，在開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中，DRRobot云臺(tái)輪式機(jī)器人和Nao人形機(jī)器人等更為成熟的機(jī)器人產(chǎn)品也為學(xué)生提供了更多的選擇，適合實(shí)際應(yīng)用背景的創(chuàng)新項(xiàng)目研發(fā)。

二、機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐教學(xué)

面向人工智能專業(yè)的機(jī)器人實(shí)踐課程群主要分為三個(gè)層次，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過循序漸進(jìn)的三個(gè)階段課程結(jié)合在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)踐操作，讓學(xué)生能夠輕松入門，并在具備相應(yīng)基礎(chǔ)后進(jìn)一步獲得創(chuàng)新實(shí)踐能力的提高。

（一）機(jī)器人組成原理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

第一層次是機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)階段，開設(shè)課程有《機(jī)器人組成原理》，使用的硬件設(shè)備主要為“探索者”模塊化機(jī)器人平臺(tái)，其教學(xué)目標(biāo)是了解機(jī)器人技術(shù)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括機(jī)器人零件構(gòu)成、主控及編程、執(zhí)行器、檢測(cè)與交互、通信等基礎(chǔ)內(nèi)容。

（二）智能機(jī)器人綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

第二層次是應(yīng)用階段，開設(shè)課程有《智能機(jī)器人》，使用的硬件設(shè)備包括“探索者”模塊化機(jī)器人平臺(tái)及DRRobot云臺(tái)輪式機(jī)器人，其教學(xué)目標(biāo)是通過深入學(xué)習(xí)單片機(jī)控制器、舵機(jī)、傳感器的內(nèi)部原理、使用方式，以項(xiàng)目的方式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，配合特定的電子模塊以及應(yīng)用場(chǎng)景，達(dá)到鞏固知識(shí)、鍛煉實(shí)踐能力的目的。實(shí)驗(yàn)中需要學(xué)生自行選擇主控版、舵機(jī)執(zhí)行器、傳感器等零件模塊，完成機(jī)械組裝，最終編寫相應(yīng)的執(zhí)行程序來實(shí)現(xiàn)。主要內(nèi)容有掃地機(jī)器人、機(jī)械臂抓取、循跡小車、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及步態(tài)規(guī)劃、基于視覺的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)、基于顏色分揀機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

（三）智能機(jī)器人開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

第三層次是開放創(chuàng)新階段，開設(shè)有實(shí)踐課程《智能機(jī)器人應(yīng)用設(shè)計(jì)》，同時(shí)適用于科技創(chuàng)新、科技競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，使用的硬件設(shè)備包括“探索者”模塊化機(jī)器人平臺(tái)、DRrobot云臺(tái)輪式機(jī)器人、Nao人形機(jī)器人等所有機(jī)器人設(shè)備，其教學(xué)目標(biāo)為通過復(fù)雜完整的項(xiàng)目鍛煉學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，該部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為開放性選題，鼓勵(lì)學(xué)生自選主題、自選設(shè)備、自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。教學(xué)過程采用CDIO的項(xiàng)目式教學(xué)開展，培養(yǎng)學(xué)生的工程技術(shù)水平和實(shí)踐素養(yǎng)。

三、應(yīng)用效果

案例1 課程設(shè)計(jì)實(shí)例

在智能機(jī)器人應(yīng)用設(shè)計(jì)、智能專業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐等課程中，學(xué)生運(yùn)用“探索者”模塊化機(jī)器人平臺(tái)自行設(shè)計(jì)組裝并編程實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人模型。如圖2，圖3。

案例2 科技創(chuàng)新實(shí)例

該科技創(chuàng)新項(xiàng)目以DRrobot云臺(tái)輪式機(jī)器人為基礎(chǔ)，研發(fā)一款針對(duì)礦井、地下未知空間和管道等空間的智能探測(cè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)移動(dòng)、自動(dòng)避障、人臉人體識(shí)別進(jìn)行跟隨，并添加Stm32單片機(jī)開發(fā)板、DHT11溫濕度傳感器、MQ135有害氣體檢測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)將采集的溫濕度氣體濃度通過ZIGBEE_E30模塊無線射頻傳輸至上位機(jī)監(jiān)測(cè)。如圖4。

案例3 畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)例

該畢業(yè)設(shè)計(jì)“基于Nao機(jī)器人的目標(biāo)識(shí)別和行為設(shè)計(jì)”，基于Nao機(jī)器人，設(shè)計(jì)一種控制算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主搜尋、識(shí)別與定位目標(biāo)物體，運(yùn)用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)原理規(guī)劃行走路徑，并調(diào)動(dòng)機(jī)器人手臂實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取，以實(shí)現(xiàn)為人們提供智能化服務(wù)的目的。如圖5，圖6。

四、結(jié)束語

本文通過對(duì)人工智能專業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的改革探索，提出了模塊化、層次化、開放性的機(jī)器人實(shí)踐課程群建設(shè)。在教學(xué)過程中，學(xué)生能夠基于模塊化技術(shù)了解機(jī)器人組成原理，能夠自主性設(shè)計(jì)機(jī)器人應(yīng)用主題，并且結(jié)合科技創(chuàng)新、科技競(jìng)賽提高學(xué)生自主創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，學(xué)生根據(jù)課程體系由淺入深的完成了機(jī)器人工程綜合應(yīng)用能力的系統(tǒng)性實(shí)踐訓(xùn)練，達(dá)到提高人工智能專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力的目的，從而適應(yīng)新興技術(shù)的發(fā)展和未來社會(huì)技能型人才的需求。

參考文獻(xiàn)：

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