機器人感知與交互技術(shù)課程教學(xué)方法探索

李一錦，王晶

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

隨著近些年科技的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的變革，智能機器人受到越來越多的關(guān)注。各個行業(yè)對智能機器人及其相關(guān)技術(shù)的需求非常迫切，因此培養(yǎng)滿足市場需求的機器人領(lǐng)域高級人才是高校人才培養(yǎng)的一個重要任務(wù)。為響應(yīng)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、《中國制造2025》、“互聯(lián)網(wǎng)+”等一系列重大戰(zhàn)略需求，新工科專業(yè)建設(shè)應(yīng)運而生[1]。新工科建設(shè)對人才培養(yǎng)質(zhì)量提出更高的要求[2]。機器人工程專業(yè)就是在新工科背景下建立的，以培養(yǎng)機器人產(chǎn)業(yè)、 智能制造等領(lǐng)域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才為目標(biāo)的多學(xué)科綜合專業(yè)[3]。該專業(yè)涉及控制工程、計算機、人工智能、微電子、傳感器、新材料、仿生技術(shù)等多個學(xué)科，具有典型的交叉學(xué)科性質(zhì)[4]。2016年，東南大學(xué)首先開設(shè)了機器人工程本科專業(yè)。至2020年，全國已有200 多所高校開設(shè)了機器人工程本科專業(yè)。機器人工程專業(yè)的培養(yǎng)方案和教學(xué)方法已經(jīng)逐漸系統(tǒng)化和專業(yè)化，但仍需要進(jìn)一步探索。

智能機器人技術(shù)主要包括感知、控制、驅(qū)動和交互四大技術(shù)特征。其中，機器人感知與人機交互技術(shù)是其實現(xiàn)自主智能行為的關(guān)鍵。通過感知技術(shù)，機器人將環(huán)境中各種有用信息及時采集并反饋給控制系統(tǒng)。通過交互技術(shù)，人與機器人之間可以實現(xiàn)雙向通信。機器人感知與交互技術(shù)能夠融合多種傳感器技術(shù)以有效地適應(yīng)環(huán)境變化，充分發(fā)揮人類的高級規(guī)劃智能和機器人執(zhí)行智能，實現(xiàn)人機優(yōu)勢互補，對于提高機器人復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性和操作便捷性具有重要意義[5-7]。因此，機器人感知與交互技術(shù)是機器人工程專業(yè)學(xué)生從事相關(guān)科研、工程設(shè)計和開發(fā)必須掌握的核心技能之一，該課程成為機器人工程專業(yè)培養(yǎng)方案中非常重要的一門課程。本文以《機器人感知與交互技術(shù)》課程為例，分析該課程的內(nèi)容和特點，并探索該課程的教學(xué)方法。

1 課程介紹

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）于2019年開設(shè)機器人工程本科專業(yè)并開始招生?！稒C器人感知與交互技術(shù)》是機器人工程專業(yè)本科生的一門專業(yè)核心課，于第5 學(xué)期開設(shè)。該課程總計48 學(xué)時，其中理論課40 學(xué)時，實驗課8 學(xué)時。機器人感知與交互技術(shù)課程的體系框架如圖1所示。本課程按內(nèi)容可以分為感知和交互兩大部分。

感知系統(tǒng)依賴多種傳感器，如視覺、力覺、觸覺、姿態(tài)覺等，實現(xiàn)相關(guān)信息的獲取、融合、理解及控制。本課程著重介紹力覺傳感器、 觸覺傳感器以及傳感器解耦方法，要求學(xué)生掌握傳感器的基本原理和應(yīng)用。當(dāng)傳感器技術(shù)應(yīng)用于機器人領(lǐng)域時，需要考慮其與機器人其他模塊的集成。因此，感知部分也介紹機器人交互技術(shù)涉及的感知和認(rèn)知基礎(chǔ)相關(guān)內(nèi)容，如人的感知基礎(chǔ)、知覺特性、認(rèn)知過程等。

交互系統(tǒng)主要實現(xiàn)人與計算機之間的信息交換。人們可以通過鍵盤、鼠標(biāo)、操縱桿、位置跟蹤器等設(shè)備，用手、腳、聲音、姿勢等向計算機傳遞信息。本課程的交互部分主要包括三個方面。首先總體介紹人機交互框架，交互模式和模型以及三維圖形交互。第二部分介紹物理性人機交互，包含基于鍵盤、鼠標(biāo)、手柄、數(shù)據(jù)手套的機器人交互，以及物理性人機交互的交互傷害分析和交互安全策略。第三部分介紹認(rèn)知性人機交互，包括基于手勢視覺識別的機器人交互。

本課程的實驗部分共8 學(xué)時，安排兩次實驗，如圖1所示。感知技術(shù)部分，安排機器人力覺傳感器解耦方法實驗，指導(dǎo)學(xué)生采用多種方法，如最小二乘法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等，完成傳感器輸出數(shù)據(jù)的解耦。該實驗?zāi)軌蚣由顚W(xué)生對傳感信息的精確獲取、 多傳感器信息融合等內(nèi)容的理解。交互技術(shù)部分，安排機器人三維圖形交互實驗，基于Open Inventor 建立精確逼真的機器人模型及工作環(huán)境，實現(xiàn)機器人運動的模擬仿真。該實驗對機器人任務(wù)離線模擬與驗證、實時在線操作和控制等方面的應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

圖1 機器人感知與交互技術(shù)課程體系框架

2 課程特點分析

機器人工程是在新工科背景下建立的一個多學(xué)科的綜合性專業(yè)。機器人感知與交互技術(shù)正是面向機器人工程專業(yè)新開設(shè)的一門課程。準(zhǔn)確把握課程特點對制定課程教學(xué)方法具有重要意義。該課程的特點主要包括以下幾個方面：

（1）理論性強。作為一門專業(yè)核心課程，本課程內(nèi)容涵蓋很多基礎(chǔ)理論，如感知系統(tǒng)的設(shè)計原則和方法、傳感器的原理、交互的設(shè)計原則和框架、交互的原理和設(shè)計方法等。這些理論將在機器人感知與交互系統(tǒng)分析和設(shè)計過程中起到重要指導(dǎo)作用，是構(gòu)建完整感知與交互知識體系的基石。重視課程的理論基礎(chǔ)，將有助于學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，更好地推動相關(guān)實踐及創(chuàng)新環(huán)節(jié)的開展。

（2）不同章節(jié)的內(nèi)容之間關(guān)聯(lián)性強。本課程雖然按照內(nèi)容可以分為感知和交互兩個部分，但兩部分之間具有很強的相關(guān)性，綜合起來構(gòu)成機器人的感知與交互系統(tǒng)。感知部分不同于傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)，本課程充分結(jié)合機器人背景，內(nèi)容圍繞機器人感知展開，同時考慮機器人交互所涉及的感知和認(rèn)知基礎(chǔ)。交互部分，無論是物理性交互或認(rèn)知性交互，都融入了信息感知和傳感器的部分。因此本課程不同章節(jié)的內(nèi)容之間關(guān)聯(lián)性強，需要從系統(tǒng)角度、整體角度把握課程內(nèi)容。

（3）強調(diào)實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本課程是一門應(yīng)用性極強的課程。感知與交互技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，所有機器人都必須配備相應(yīng)的感知與交互系統(tǒng)，才能正常發(fā)揮其功能。同時，根據(jù)機器人的功能不同，其感知與交互系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)也千差萬別。通過本門課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生具有實踐能力和創(chuàng)新能力，能夠針對復(fù)雜工程問題的提出滿足特定需求的解決方案。

（4）課程內(nèi)容更新快。機器人技術(shù)不斷朝著自動化、智能化、微型化的方向發(fā)展，發(fā)展速度極快。課程內(nèi)容需要不斷更新，以適應(yīng)社會需求和行業(yè)需求。

3 課程教學(xué)方法探索

近年來，教學(xué)方法不斷改革創(chuàng)新，但“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”的理念和原則始終不變。通過改革教學(xué)方法、創(chuàng)新教學(xué)形式、強化實踐環(huán)節(jié)等，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，鼓勵學(xué)生積極參與到課堂中，加深學(xué)生對知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。機器人感知與交互技術(shù)課程是一門兼具理論性和應(yīng)用性的課程，由于機器人工程專業(yè)開設(shè)不久，可借鑒的針對本門課程的教學(xué)方法和體系仍不完善，因此本門課程教學(xué)方法的制定要尤為謹(jǐn)慎，提出以下幾點思考。

（1）強調(diào)理論教學(xué)的重要性。基本理論是構(gòu)建完整知識體系的重要基石，也是本課程的教學(xué)重點和難點之一。學(xué)生只有掌握了基本理論和基本方法，才能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用和創(chuàng)新研究。例如感知模塊，課堂教學(xué)要求學(xué)生掌握傳感檢測的基本原則、 基本原理和評價準(zhǔn)則。以此為理論基礎(chǔ)，當(dāng)遇到新的感知模塊時，學(xué)生能夠進(jìn)行類推，快速掌握要點，提高學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的能力。

（2）鼓勵動手實踐，加強實踐能力的培養(yǎng)。本門課程安排了8 個實驗學(xué)時，利用機器人專業(yè)實驗室，通過完成實驗來培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和實踐能力，但這對工科學(xué)生來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。由于課程具有很強的應(yīng)用性，可以通過與相關(guān)企業(yè)達(dá)成合作意向或者實訓(xùn)意向，為學(xué)生提供接觸工業(yè)現(xiàn)場的機會。通過現(xiàn)場的參觀、交流以及見習(xí)等，加深學(xué)生對理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，及時了解工業(yè)現(xiàn)場以及市場需求，引導(dǎo)學(xué)生有針對性地進(jìn)行能力提升，適應(yīng)行業(yè)需求。

（3）創(chuàng)新項目輔助。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（大創(chuàng)項目）開設(shè)在第4-6 學(xué)期。機器人感知與交互技術(shù)課程開設(shè)在第5 學(xué)期，正是“大創(chuàng)”項目開展的關(guān)鍵階段。本專業(yè)的“大創(chuàng)”項目一般圍繞機器人相關(guān)技術(shù)展開，通過本課程的學(xué)習(xí)，鼓勵學(xué)生將所學(xué)知識運用于“大創(chuàng)”項目，為機器人增加或者完善感知與交互模塊，在研究中積累實踐經(jīng)驗，通過發(fā)現(xiàn)問題、討論、提出解決方案、調(diào)試、解決問題的一系列過程，加深學(xué)生對知識的理解，鍛煉學(xué)生的實踐能力。

（4）競賽引導(dǎo)。機器人領(lǐng)域的學(xué)科競賽活動非常豐富，如北京市大學(xué)生機器人大賽、華北五省（市、自治區(qū)）大學(xué)生機器人大賽、中國機器人大賽暨RoboCup 大賽等。校內(nèi)的團學(xué)組織也組織了相關(guān)的科技競賽，如智能小車循跡大賽等。通過鼓勵學(xué)生積極參加機器人領(lǐng)域的學(xué)科競賽，以解決問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識，設(shè)計機器人系統(tǒng)，進(jìn)一步加強創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)。

（5）前沿追蹤，開闊學(xué)生的視野。近年來，機器人技術(shù)正飛速發(fā)展，機器人感知與交互技術(shù)作為機器人技術(shù)的重要部分，也不斷經(jīng)歷更新與迭代。僅依靠教材的更新是不夠的。因此，通過合理利用開放教學(xué)資源，補充了解學(xué)習(xí)國內(nèi)外教學(xué)網(wǎng)站的學(xué)習(xí)資料，將有助于加強學(xué)生對課程內(nèi)容的理解。同時，鼓勵學(xué)生查閱機器人感知與交互領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)，了解行業(yè)前沿，緊跟科研及產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)，不斷更新開闊自己的認(rèn)知和視野，將有利于學(xué)生未來的研究生學(xué)習(xí)及相關(guān)領(lǐng)域就業(yè)。

（6）設(shè)置持續(xù)改進(jìn)措施，提高教學(xué)效果。教學(xué)要堅持以學(xué)生為中心，學(xué)生“學(xué)得好”才是教學(xué)的目標(biāo)。本課程是機器人工程專業(yè)的新開課程，教學(xué)經(jīng)驗積累較少。通過設(shè)置學(xué)生反饋、隨堂測驗等環(huán)節(jié)，進(jìn)行教學(xué)過程跟蹤，加強與學(xué)生的溝通，及時把握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，深入了解學(xué)生的學(xué)習(xí)難點，了解學(xué)生需求，有針對性地調(diào)整教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，逐漸實現(xiàn)學(xué)生“學(xué)得好”的目標(biāo)。

4 結(jié)語

機器人感知與交互技術(shù)是機器人工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課。本文介紹了課程內(nèi)容體系，分析了課程特點，提出了對課程教學(xué)方法的幾點思考。機器人感知與交互技術(shù)課程具有理論性、交叉性、實踐性、前沿性等特點，因此在教學(xué)中應(yīng)重視理論基礎(chǔ)，加強實踐能力的培養(yǎng)，結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新項目和學(xué)科競賽等培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，追蹤前沿發(fā)展動態(tài)，開闊學(xué)生視野。同時，設(shè)置持續(xù)改進(jìn)機制，不斷完善教學(xué)效果。