機器人創新實驗室的多元化模式探究

姚志鳳，薛少平，陳亞娟

(西北農林科技大學機電工程學院，陜西楊凌 712100)

將機器人引入大學生實踐教學環節，可以打破學科間的界線，加強計算機科學、機械制造、電子信息工程以及自動控制等幾個相關學科間的橫向聯系，讓學生能夠從一個系統工程的角度，整體地理解所學的理論知識，擴展綜合專業知識，提高創新實踐和自主構建知識的能力［1，2］。國內許多高校都開展了與機器人相關的實驗教學和課外活動。但是，如何圍繞機器人來構建多元化的實踐創新培養體系，真正利用好機器人這一平臺，是一個值得關注的問題［3］。本文提出了機器人創新實驗室多元化模式的建設方案，并從實驗平臺、培養模式以及管理模式等諸方面對實驗室建設進行了有益的探索。

1 機器人實驗平臺的多元化建設

高校中機器人實驗室的服務功能，大致可以分成以下幾類:①機械類和電子類學生的基礎訓練;②非機械類、非電子類學生的工程訓練;③機械類和電子類學生的課程設計和畢業設計;④大學生科學創新項目;⑤機器人競賽等。

為了適應不同學科和不同層次學生的需要，實驗室依照從簡單到復雜，由入門到精通，建設了三個層次的實驗平臺。

(1)初級機器人平臺

針對大一和大二的學生工程訓練時間短和專業基礎薄弱的特點，平臺上主要進行認知教育，通過介紹和演示機器人的功能將學生對機器人的濃厚興趣引向對其工作原理的了解。為此，實驗室設置了撲翼飛行機器人、自主移動機器人、博思人形機器人和創意之星機器人等多個實驗設備。這些實驗設備具有操作簡單、形象直觀和適用面廣的特點。其中，撲翼飛行機器人是一種仿生飛行器，它仿照鳥類撲翼飛行方式設計;自主移動機器人按照機器人足球大賽的要求和標準設計制作，通過采樣傳感系統追蹤定位目標;博思人形機器人是一款智能化機器人，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;創意之星機器人則有770多個高強度、高韌性的結構件，結構件間可以任意連接，可以組裝成小車、多足機器人和蛇形機器人等多種不同造型的機器人。

(2)中級機器人平臺

針對大三和大四的機械類和電子類學生的課程設計和畢業設計，實驗室配置了工業機器人實驗平臺和寶貝車實驗平臺和模塊化生產系統平臺。實踐教學中，側重介紹機器人各部分的工作原理，引導學生注重相關學科知識的學習，培養學生運用多學科知識進行綜合研究的科學素質。以模塊化生產系統為例，它融機械、氣動、傳感、電氣及計算機等技術于一體，既接近于工業生產實際設備，又便于學生實際操作訓練。學生通過對模塊生產系統的實際操作、測繪、制圖、PLC編程設計和運行工作，掌握各部分的功能、結構、工作原理和設計方法，從而認識現代工業自動化生產特點和過程。

(3)高級機器人平臺

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

2 學生培養模式的多元化

機器人教學是以培養學生的創新思維、科學品質、探索精神和實踐能力為目標的［4］，因而在實驗教學中，我們采用了項目式、團隊競賽式和答辯式等多元化培養模式。

(1)項目式—教師在課前下發項目書，每個項目都有一個核心任務，針對任務，提供相關的參考資料。學生可自主選擇項目，也可在課程和平臺可支持的范圍內自立項目。學生可自行決定時間和進度，但教師通過設置項目節點的方式進行啟發式督導，引導學生完成從設計、執行到論證的全過程。

(2)團隊競賽式—以團隊合作的方式，開展實踐教學。根據實驗的難度和設備的數量，每個團隊由2到4人組成，共同完成一項任務。團隊競賽的學習方式，既可以加強學生間的交流與合作，又創造了互相競爭的學習氣氛。

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

3 實驗室管理模式的多元化

為提高設備的利用率，增加學生的實踐機會，根據創新設計特點和需求，機器人實驗室實行多元化和開放式管理［5］。

(1)布局多樣化—傳統實驗模式下，教師是主導，學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，考慮到學生的討論與互動的便利，改成圓桌式布局，讓學生成為課堂的主人，以研討的方式進行問題分析、方案設定和實施論證。

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

4 結語

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

機器人創新實驗室的多元化建設是我校實踐教學改革的一次有益嘗試，激發了學生科技研發的興趣和愛好，培養學生的創新精神和團隊合作精神，同時也為活躍校園科技，培養科技創新人才提供了一個有益的平臺。

［1］ 萬佑紅，蔣國平.機器人教育與大學生創新能力培養的探索［J］.南京:電氣電子教學學報，2005，(04)

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

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

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

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