構建機器人技術創新實踐基地的探索與實踐

徐曉紅， 鄭志強， 盧惠民

(國防科學技術大學 機電工程與自動化學院,湖南 長沙 410073)

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構建機器人技術創新實踐基地的探索與實踐

徐曉紅， 鄭志強， 盧惠民

(國防科學技術大學 機電工程與自動化學院,湖南 長沙 410073)

依托“十二五”國家本科教學工程建設項目，以專業創新型人才培養為出發點，結合國防科學技術大學機器人技術創新實踐基地建設成果，探索引發學習者創新意識、建設創新實踐平臺、培養創新實踐能力和形成創新文化的途徑。在多元化創新實踐活動牽引下，構建將實踐教學貫穿于創新人才培養全過程和全方位的立體化實踐教學體系，提出創新實踐基地條件建設的新思路與新方法，開創創新實踐基地管理與運行的新模式，落實全開放機制。結果表明，以亞太大學生機器人大賽為背景，建設專業創新實踐基地，促進專業教學建設，提高專業人才培養質量。

創新實踐基地； 機器人； 人才培養； 創新能力

0 引 言

為適應軍隊信息化建設對人才培養提出的加強學生復合知識結構和創新能力的要求，國防科學技術大學發揮各學科的優勢資源，投資建設了如機器人技術創新實踐基地、機械設計創新實踐基地、電子設計創新實踐基地等7個本科創新實踐基地。機電工程與自動化學院依托“控制科學與工程”、“機械工程”和“儀器科學與技術”學科，建立了本科機器人技術創新實踐基地。該基地面向全校各專業學生開放，開展機器人技術相關的創新實踐和學科競賽活動，以及承擔學院各工程技術和學歷合訓專業的相關課程設計、畢業設計等任務。

機器人技術創新實踐基地建設，緊密圍繞提高人才培養質量，重點研究了創新人才培養四要素(意識、平臺、能力和文化)及它們之間的相互作用關系，提出并實施了本科機器人技術創新實踐基地建設的新思路、新型的實踐指導團隊組織管理模式和創新實踐基地運行管理模式；探索建立了一套由課內實驗、課程設計和課外創新實踐相結合，基礎教學實驗、工程訓練實踐和創新設計實踐活動相補充的立體化實踐教學體系。將實踐教學和創新能力培養貫穿在專業系列課程教學和人才培養的全過程和全方位，為解決創新人才培養過程中，啟發學生的創新意識、搭建創新平臺、培養學生的創新能力及形成創新文化等教學問題提供了環境和管理經驗。參與基地活動的學生，綜合素質得到大幅提高，在以亞太大學生機器人大賽為典型背景的學科競賽中，取得了優異成績。

1 創新實踐基地支撐立體化實踐教學體系

本科機器人技術創新實踐基地早在2002年由學校立項建設，是重要的課外創新實踐活動場所，它有別于傳統教學實驗室，是本科控制技術與工程實驗室建設的延伸，也是構建立體化創新實踐教學體系不可缺少的必要環節。

1.1 構建立體化實踐教學體系

創新型人才培養依賴于良好的教育培養模式【1】，需要突出專業特色，設置個性化課程、豐富教學方法以促進學生個人形成良好的學習行為。我校自動化專業把實踐教學作為創新人才培養的重要途徑，堅持實踐教學不斷線，以課程實踐為基礎，拓展課外創新實踐，構建立體化的實踐教學體系。

立體化是指將實踐教學貫穿于創新人才培養的全過程，全方位，課內實驗、課程設計和課外創新訓練計劃項目相結合，基礎教學實驗、工程訓練實踐和綜合創新設計實踐相補充。課內實驗、課程設計和課外創新訓練計劃項目是基于本學科知識開展的實踐活動，而工程訓練實踐是跨學科開展的實踐活動，綜合創新設計實踐則是學科交叉融合開展的實踐活動。形成了專業特色突出，學科交叉融合，多元化的實踐教學模式。

經過多年實踐，學院各專業的學生依托本科教學實驗室完成本專業系列課程的基礎教學實驗，依托金工實習中心完成跨專業的工程訓練實踐，依托機器人技術創新實踐基地完成綜合創新設計實踐。例如：自動化專業的學生在控制技術與工程實驗室完成控制系列和計算機硬件系列課程基礎實驗，在機械學科建設的金工實習中心完成工程訓練實踐，在機器人技術創新實踐基地完成課程設計、畢業設計和開展課外創新實踐活動，如參加學科競賽、大學生創新訓練計劃項目、機器人文化節等活動。“逐步形成了與專業創新人才培養相適應的，以專業基礎實踐為基礎，拓展創新設計實踐，課內實驗、課程設計與課外創新實踐相結合的立體化實踐教學體系”。

1.2 實踐創新人才培養的案例

學生創新能力的培養是從創新意識啟蒙開始、通過在創新平臺上實施、逐步形成一種創新文化的過程。大量教學實踐表明：學生的創新意識、創新能力和創新精神不是老師“教會”的，而是學習者自己“學會”的，更是依靠學習者的主動實踐在“體會”中培養的。因此，不論是“學會”還是“體會”，本質上都是以學習者為主體，通過實施合適的教學模式，構建合適的創新實踐平臺而實現的。

亞太大學生機器人大賽(簡稱Robocon)，由亞洲-太平洋廣播聯盟發起，亞太地區各個國家輪流承辦的國際性機器人賽事。參與對象是各國的本科生，比賽目的是促進大學生國際交流，培養學生的創新能力。每年比賽的主題和規則由承辦國發布，主題設計通常反映了本國的風俗，具有民族特色。如2010年，承辦國為埃及，比賽主題是搭建三座金字塔。2011年，承辦國為泰國，比賽主題是祈福河燈。2012年，承辦國為中國香港行政區，比賽主題是平安大吉。

每屆機器人隊的學生們面對的都是全新的主題，需要研制全新的機器人以完成比賽任務。機器人的研制有明確要求和限制條件，除能夠自動完成特定的任務外，數量(3～4個)、尺寸(機器人全伸展長寬高限制)、重量(總重量<50 kg)、時間(3 min內完成任務)、通信方式(禁止使用射頻)等方面有嚴格的要求。

比賽機器人的研制涉及到控制、機械、儀器及信息等多學科內容研究，能為學生提供了一個多學科交叉融合的綜合創新研究平臺。因此比賽機器人技術的挑戰性、趣味性和競賽性質本身的殘酷性都能極大地激發廣大參賽隊員的創新意識，而他們在比賽機器人的研制中則需要充分發揮創新實踐能力和團結協作精神，才能在最后的比賽中取得優異成績。在整個準備比賽過程中，學生的創新能力能得到極大的鍛煉。經過幾年的積累傳承和指導教師的引導，就會在機器人參賽隊伍中形成一種創新文化，即只有通過創新才能提高技術水平取得最后比賽的勝利。

我國的國內賽始于2002年，由中央電視臺和教育部共同承辦。每年的比賽吸引了全國包括北京航空航天大學、北京郵電大學、東北大學、哈爾濱工業大學、西安交通大學、上海交通大學等知名院校在內的超過40支隊伍參賽。我校機器人代表隊，依托機器人技術創新實踐基地，參加了十二屆比賽，取得了較好的成績，水平一直保持在前列，3次獲得全國亞軍，獲得國家級一等獎、二等獎13項，最佳策略獎3項，最佳表現獎2項，最佳技術獎2項，被譽為國內“傳統強隊”。

2 創新實踐基地條件建設的探索與實踐

學生有了創新意識，還需要搭建不斷完善的創新平臺供學生學習、思考和實踐，該創新平臺的建設和完善需要教師、學生以及具有一定創新能力的企業共同參與才能完成。我校本科機器人技術創新實踐基地條件建設的思路是：以學科競賽項目研制為背景，相應需求為牽引，謀劃加強創新實踐基地建設，構建創新實踐平臺，增強支撐創新性探索性自主性實踐的能力。

2.1 創新實踐基地建設的思路與模式

以培養創新人才為指導、相應需求為牽引，科學謀劃和大力加強機器人技術創新實踐基地建設。經過多年實踐，我們探索提出了“創新人才培養需求牽引、項目方案驅動，共享基礎設施資源，發揮學科科研優勢，自研自制、自研定制和自購結合”的本科機器人技術創新實踐基地建設的新思路、新模式。

按這種新思路、新模式，在科學論證的基礎上，高質量、高效益地完成了國家985工程建設規劃對機器人技術創新實踐基地的投資計劃，并結合控制技術與工程本科實驗室建設，實現了基礎實驗設備裝置的合理升級換代，擴展了實踐空間，改善了實踐環境，提升了實踐條件，為全面實施創新人才培養，構建立體化創新實踐教學體系，創建國家級精品課程、湖南省教學實驗示范中心，組隊代表學校參加亞太大學生機器人大賽發揮了重要支撐作用。

2.2 創新實踐基地軟硬件平臺建設

依托“控制科學與工程”國家級重點一級學科和“機械工程”“儀器科學與技術”國家一級學科的科研優勢，以自研自制或自研定制的方式轉化科研成果為教學資源，直接用于支持創新實踐基地的條件建設和創新實踐平臺的搭建。

2.2.1 基礎平臺建設

(1) 機械加工：機器人創新基地購置有大小鉆床兩臺，銑床一臺，車床一臺，可以提供學生完成簡單的機械加工任務。主要零件加工依托于學院機械工程訓練中心，管材焊接依托于校外的焊接工師傅。

(2) 控制器件：機器人創新基地可以完成除制作印刷電路板外的其他相關基礎工作。基地依托本科“控制技術與工程實驗室”的建設條件，配有示波器、萬用表、電烙鐵和各類基本電子器件等設備，能夠滿足電路板焊接、機器人布線和相關電路維護等工作。

2.2.2 創新實踐平臺建設

依托完成每年的機器人比賽任務，創新實踐基地積累了多項機器人技術，搭建了適于創新人才培養的軟硬件綜合平臺。

(1) 以智能機器人控制器研制和數字化、信息化武器裝備研制的成果和經驗為基礎，原創設計了DSP運動控制系統和ARM控制系統。

(2) 以全向視覺機器人控制技術的項目研究為基礎，原創設計了雙目視覺點火控制系統。

(3) 以全向輪式移動機器人設計項目研究為基礎，以自研定制的方式設計了全向移動機器人輪系模塊系統。

(4) 以機器人抓取不同形狀物體研究為基礎，原創設計了通用的抓取輕型物質的抓手機構。

(5) 以傳感器研究與應用項目為基礎，設計了激光測距傳感器模塊、激光雷達傳感器模塊、超聲傳感器模塊、陀螺傳感器模塊和色標傳感器模塊等機器人感知模塊。

(6) 原創設計了電機選型軟件系統。

(7) 原創設計了比賽機器人在線交互調試系統。

(8) 原創設計基于手柄機器人操作控制系統。

(9) 原創設計了履帶車曲線路徑跟蹤算法。

上述裝置或技術，都是機器人技術創新實踐基地的學生研制的，也是根據每年不同比賽任務攻關并積累的技術，更是每屆隊員技術傳承的見證。不僅用于完成學科競賽任務，而且還支持了實驗室建設。“十一五”控制技術與工程實驗室自研定制的創意機器人組合系統裝置，其雛形就是全向移動比賽機器人，關鍵技術的攻關就是在機器人技術創新實踐基地完成的。

由創新實踐基地構建的實踐平臺，除滿足“自動化系統綜合設計”、“微機接口與應用課程設計”等課程設計教學需要外，還支持了本科優異生和學有余力又有興趣的其他學生的業余自主設計開發活動和本科畢業設計。

2.3 創新實踐基地條件保障

為提高機器人技術創新實踐基地的資源效益，基地每年還向開展以硬件為主的控制類畢業設計的學生全面開放，向他們提供資源保障和指導。

近3年來，創新實踐基地為百余名工程技術類、學歷合訓類學生的畢業設計提供場地及設備條件，使學生有機會充分利用基地硬件設施，緊貼學科競賽完成設計任務，如“比賽手動機器人控制系統設計”、“全向移動機器人底盤控制系統設計”、“自動機器人控制系統設計”、“移動機器人曲線運動控制算法研究”、“比賽機器人機電一體化設計”、“機器人位姿測量與定位方法研究”等。利用基地創新實踐平臺，充分鍛煉培養了學生的工程實踐能力和創新能力。

創新實踐基地平時全日制開放，鼓勵、吸納一部分學有余力、又有興趣的學生利用課余時間來做一些研究探索性實驗或開展其他科技創新活動，組織、指導學生積極申報國家級/省級/學校創新實驗訓練計劃項目，參加機器人文化節(舉辦機器人擂臺賽)和各種設計競賽活動。

3 創新實踐基地管理機制建設

為了確保創新人才培養方案實施及效果，推動創新能力培養從時間上、空間上和內容上全面開放，確保創新意識、創新平臺和創新能力協同作用，升華形成創新文化，必須創新實踐基地管理模式，實踐基地管理模式包括指導組織管理模式和實踐運行管理模式。

3.1 創新實踐基地組織管理模式

多年來，我們參照國外名校先進理念，結合本單位實際，打破傳統的實踐管理隊伍建設理念，創造性地提出并堅持實行了一種新的實踐指導團隊組織管理模式：以學術造詣深的專家教授領頭，以教學經驗豐富、工程實踐能力強的中青年教師為實踐活動指導主力，以有參賽經歷的在讀博士、碩士研究生為培訓骨干，以管理能力強的專職教師為組織管理和運行負責人。

按照這一組織模式，機器人技術創新實踐基地以控制學科、機械工程學科和儀器科學與技術學科教授為帶頭人，他們學術造詣深，科研經歷豐富，工程實踐能力強，總是站在學科前沿，不失時機、與時俱進地進行頂層謀劃，提出創新人才培養的思路和方案。控制學科的教師作為創新實踐基地負責人，組織開展基地的全面工作。機械工程學科、控制學科副教授、講師等教學科研工程經驗豐富教師，負責技術指導。專職實驗技術人員負責創新實踐基地的日常管理。每年至少有2名博士研究生和6名碩士研究生參與指導，他們都是歷屆的競賽隊員，主要負責技術培訓和傳幫帶。

3.2 創新實踐基地運行管理模式

為解決競賽項目難度大，研發周期長，團隊作戰，以及參加競技比賽要求機器人高可靠性、高穩定性等問題，我們創造性地提出并實施了一種新型的創新實踐基地運行管理模式：基本技能培訓，方案策略討論，專家教授講座，關鍵技術攻關，賽前強化訓練，以及師隊組三級管理，本科生主力，以老帶新，教師決策。

我校機器人代表隊隊員來自自動化、機械、仿真工程、測控技術與儀器、電子工程、計算機等專業的本科學員，一般以大四、大三學生為主力。

依據每年機器人比賽規則，隊員分成3或4個小組，2或3個機器人組和1個綜合保障組。設置機器人隊隊長、副隊長以及組長等管理崗位。參賽準備工作分4個階段有計劃地進行。4個階段的工作，各小組列有詳細計劃，導師組全程檢查、落實各環節工作。至少每周一次例會時間，首先各小組匯報完成工作計劃情況，說明問題及困難；其次是技術攻關項目匯報進展情況；最后是集體討論解決辦法。

4 創新實踐基地建設成果與效益

機器人技術創新實踐基地經過幾年建設，培養了一批專業拔尖人才，促進了教學建設。每年來創新實踐基地參加課外創新實踐活動的學生少則七八十人，多則一二百人。近3年，成功申報國家級/省級/校級大學生創新實驗訓練計劃項目10余項。一批尖子學生在Robocon全國機器人大賽，RoboCup足球機器人和救援機器人比賽，各級電子設計、嵌入式系統設計、挑戰杯、創新杯等大學生設計、發明大賽中取得了優異的成績。近年來，有200人次相繼獲得學校、湖南省和全國這類大學生競賽的一、二等獎，其中僅全國二等獎以上就有106人(一等獎87人)。

4.1 提升了專業人才培養質量

(1) 構建的立體化實踐教學體系，已在2009人才培養方案的實踐性教學環節中全面實施。探索的創新人才培養四要素，即：創新意識，創新平臺，創新能力和創新文化，以及他們之間的相互作用，已通過亞太大學生機器人大賽得到驗證。

(2) 近年來，依托本科機器人技術創新實踐基地培養了300余名優秀本科畢業學生。目前，他們中取得/攻讀博士、碩士學位的學生占96%以上;出國留學的學生占10%以上。在碩士和博士研究生階段，大量基地學生承擔了學生隊的管理工作，并在課程學習、學科競賽和實驗室科研工作中充分發揮骨干作用。

(3) 創新實踐基地團隊組織管理模式和運行管理模式，造就了一個本科生在成長成才的關鍵機遇期，通過三年基礎知識的扎實學習，加上1年的綜合實踐與強化訓練，不僅拓展了專業知識，提高了技術水平，而且明顯提高了組織管理能力，培養了團隊意識，并養成了扎實的工作作風，形成了敢于挑戰、勇于拼搏的頑強精神，走在了同齡人的前列，更為成為新型軍事人才打下堅實基礎。機器人技術創新實踐基地建設對于我校培養高素質創新性人才起到了重要支撐作用。

(4) 機器人技術創新實踐基地開展創新實踐活動的成功經驗表明，創新實踐活動促進了學生創新思維和創新能力的培養，促進了學科交叉人才培養。亞太大學生機器人大賽本身是典型的學科交叉綜合平臺，任務研發周期長，難度大，且需要跨學科人才。所以，我校機器人隊的隊員一般來自機械、控制、儀器、電子等大類專業的學生，經過近9個月的協同工作，他們取長補短，相互學習，共同進步，開闊了視野和知識面，全面提升了綜合利用多交叉學科知識分析問題和解決問題的實踐能力和創新能力。

4.2 促進了專業教學建設

(1) 創新源于興趣，源于對事物的敏銳，需要探索的欲望【2】。創新意識發端于教師的課堂教學、學生的實踐體會、典型學生的示范效應以及學生獲得的某些資訊。創新人才培養四要素相互協同作用效應，反哺課堂教學，促進了教學改革。在自動化專業控制系列和計算機硬件系列課程，如：自動控制原理、計算機硬件技術基礎、智能機器人系統、機器人技術新生研討課教學中，開展任務驅動式教學法研究，收到較好效果。

(2) 機器人技術創新實踐基地的建設成果，機器人大賽積累的先進技術，以自研自制、自研定制等形式及時轉化為教學條件資源，建設了創意機器人組合系統、履帶機器人系統等模塊，推動了控制技術與工程本科實驗室建設更上一層樓。通過這些新的機器人教學設備在“自動化系統綜合設計”、“微機接口與應用課程設計”等課程中的使用，既提高了學員綜合應用所學知識和解決實際問題的能力，又初步激發了學員們對機器人相關技術的研究興趣，為機器人技術創新實踐基地選拔參賽隊員奠定了一定的基礎。同時共享創新實踐基地拔尖人才培養的成功經驗，將其應用到專業人才培養中，提高了學生的綜合素質。

(3) 創新實踐基地建設成果是國家精品課程“計算機硬件技術基礎”和“計算機控制技術”，以及湖南省精品課程“自動控制原理”和湖南省實驗教學示范中心“機電工程與自動化綜合訓練中心”申報內容的重要組成部分。其中，立體化實踐教學體系，創新實踐平臺的構建和創新實踐基地的管理模式，為國家級精品課程“計算機控制技術”、湖南省精品課程“自動控制原理”和“機電工程與自動化綜合訓練中心”的建設提供了有力支持。

5 結 語

機器人技術創新實踐基地是專業創新人才培養的重要場所，通過開展多元化的創新實踐活動，培養了一批控制、機械、儀器等學科的優秀人才。以亞太大學生機器人競賽為例，首先，按比賽規則設計機器人是激發學生創新意識的過程[3]，需要不斷完善的比賽用機器人則是一個創新平臺，創新能力的培養在制作和調試比賽機器人過程中表現出來，機器人隊每個小組成員、小組以及指導教師與學生之間相互協調和共同努力，逐步形成了一種影響整個競賽過程的創新文化。創新意識、創新能力、創新平臺和創新文化之間的協同效應通過競賽指導教師的引導，覆蓋了從理論到實踐的各個環節，全面促進了教學建設，完善了高素質創新型人才培養的實踐教學體系。

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Exploration and Practice of Constructing the Innovation Practice Base of Robot Technology

XUXiao-hong,ZHENGZhi-qiang,LUHui-min

(College of Mechatronics and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Based on the National Undergraduate Engineering Construction Projects in the 12th Five-Year Plan, and considering cultivating innovative talents as the starting point, this paper integrates the development achievements of the innovation practice base of robot technology in NUDT, and explores the ways to inspire the innovation consciousness, construct the innovation practice platform, develop innovation practice abilities, and foster the innovation culture. Under the guidance of various innovation practice activities, the practical teaching and learning has been formed during the whole innovative talent training process, so the whole tridimensional practical teaching and learning system is constructed successfully. Meanwhile, the new methods of constructing the innovation practice base have been proposed, and the new mode of base management has also been used to realize the full-open mechanism. Under the background of ABU competition, the results show that the development of teaching philosophy was promoted and the quality of talent training was also improved by constructing the innovation practice base of robot technology.

innovation practice base; robots; talent training; innovation ability

2014-04-24

湖南省教育廳教育改革項目(湘教通【2012】401號)

徐曉紅(1966-)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士，副教授，實驗室主任，研究方向：計算機控制。

Tel.:13873120915;E-mail:xxhac311@126.com

TP 291

A

1006-7167(2015)03-0185-05