智能機器人實驗室可持續良性發展的探索與實踐

張大偉 鄧記才 趙新燦 趙廣艷

摘要：介紹了鄭州大學大學生訓練基地智能機器人建設的基本情況。從實驗室可持續良性發展考慮，結合國家和學校政策，提出將機器人競賽和創新實驗確立為實驗室的主要工作。通過比賽和創新實驗獲取國家和學校的資助，并通過從各個方面規范和完善實驗室的管理規章制度來保證實驗室高效且安全地運行，實現良性循環。與此同時對實驗室未來進一步可持續良性發展進行了規劃。

關鍵詞：機器人；創新；可持續發展；競賽；實驗室

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）09-0237-02

一、引言

智能機器人是多學科交叉的綜合體，是最典型的機電一體化產品[1]。對于工科領域的電子、控制、機械、傳感、計算機等學科均是最佳的教學研究平臺。另外，智能機器人是前沿的學科，易于激發學生的興趣，學生可以對機器人進行擴展設計和開發，從而開發學生的創新能力。因此，機器人學習與實踐是開展創新教育的較好選擇，建設以機器人為主要平臺的創新教學，可以讓各個專業的學生在專業課程學習的基礎上，將理論知識結合到實踐中，拓展綜合專業知識，發展多元智能，提高其創新、實踐的能力[3]。目前，許多高校都在通過建設機器人實驗室這一平臺強化大學生創新能力培養，取得了較好的教學效果[2-4]，但通過交流發現在實驗室建設后期往往都存在著諸多涉及可持續良性發展的問題，比如如何有效緩解經費緊張、管理實驗室流動性較大的人員、確保實驗室安全、提升實驗室水平等。因此，本文提出了智能機器人實驗室可持續良性發展的建設思路，尤其是針對初期建設且科研能力較弱的實驗室，并結合近五年來鄭州大學大學生訓練基地智能機器人實驗室建設的一些實踐經驗和未來發展規劃，對其進行了研究與探索。

二、實驗室建設宗旨與配置

依托于鄭州大學信息工程學院的師資力量，于2009年建立大學生創新訓練基地并組建智能機器人等實驗室。智能機器人實驗室以智能機器人技術為核心，以培養創新型學生為目標，以各種科技創新實驗、競賽活動為載體，為大學生提供開放性的創新實驗平臺和場所，組織大學生開展創新實驗和相關競賽活動。實驗室建設宗旨重點提高大學生六項素質：獨立求知與快速學習能力、創新能力、溝通交流能力、團隊協作能力和多學科交叉知識應用能力。實驗室現有面積800m2，可容納120名左右的學生，擁有90臺左右的電子測量、機械加工和無線開發設備。另外為了便于學生在較短的時間內開展實驗，實驗室統一采購經常用到的電子機械原材料。實驗室共有專業指導教師6人，來自學院不同的學科，以便于更好地指導學生。目前實驗室的主要工作分成兩部分：機器人競賽和創新實驗。

三、實驗室主要任務

（一）機器人競賽

實驗室成立以來每年都組隊參加中國機器人大賽，這是實驗室的一項重要工作，一方面參賽成績是體現實驗室學生技術水平的標志，另一方面這也是實驗室發展的基石，可以爭取更多的資助，畢竟當前參加機器人競賽的開銷都比較大，尤其是基于實物原型比賽的項目。目前中國機器人公開賽的比賽項目有13個大項，89個小項，每年有超過4000人參加，各參賽單位投入也都比較大，競爭非常激勵。有些項目雖然涉及技術較少、研發投入少，但參賽隊非常多，想從中脫穎而出非常不易。與之相反，參賽隊較少的項目往往涉及技術復雜、研發周期長且投入非常大。結合實驗室的基礎和近些年參加比賽的經驗，也為了保證多出成績，目前實驗室重點開展的競賽項目主要有三個方向：競技機器人比賽（其中包括武術擂臺、舞蹈和競步）、微軟足球仿真賽、水下和服務機器人比賽，而不再進行擴展。與此同時，實驗室自2012年以來連續三年在鄭州大學組織舉辦河南省大學生機器人競賽，一方面可提高省內高校機器人教學水平，另一方面也借此機會與省內高校進行交流、共同進步、鍛煉隊伍。

（二）創新實驗

依托大學生創新智能機器人實驗室，將實驗室建設與大學生國家級、校級創新實驗項目的申報與實施緊密結合起來，即實驗室為大學生創新實驗項目的申報與實施提供物質基礎，為學生提供前期的技術與技能培訓，并通過機器人大賽對學生的綜合實驗能力進行鍛煉，進而提高項目獲得資助的數量；創新實驗項目一方面可為實驗室提供部分項目資金、彌補實驗室經費不足，另一方面也為優秀團隊的孕育提供項目支撐，兩者結合非常有利于兩者共同發展，并為大學生盡早參與科學研究開辟新渠道。為了更高效地開展創新實驗，實驗室規范了創新實驗的實施流程：將學生和指導老師分成不同的團隊，每個團隊提出創新項目的研究；在實驗室內進行討論，進行淘汰或者修正，之后前期可由實驗室資助進行初步的實驗；組織各團隊撰寫國家級和校級申請書，包括調研分析、實施方案、創新點提煉；獲得資助的創新實驗項目可由實驗室各指導老師監督完成；對于未獲得資助或者經費有限且創意都較好的創新實驗項目，在實驗室經費充足的情況下也可以考慮進行資助完成；獲得國家、學校或實驗室經費資助的團隊留在實驗室，由隊長組織小組成員討論設計方案、安排分工、設計制作；項目結題撰寫相關的技術報告。選派優秀團隊的實驗成果參加機器人、大學生挑戰杯等創新比賽，通過獲得較好的成績進一步爭取學校資助，從而形成良性發展。

四、實驗室管理

實驗室經過五年的發展，已經初具規模，但也逐漸暴露出了一些問題，一方面實驗室是面向全校開放，學生流動性和隊伍更新速度比較大，另一方面機器人制作往往涉及機械加工與焊接，不規范操作往往存在一定的安全隱患，一旦發生事故，后果將不堪設想。因此，此時實驗室管理對實驗室可持續良性發展越發顯得重要。

實驗室管理的具體思路如下：實驗室實行指導教師競賽項目負責制，各指導教師嚴格按實驗室制定的規章制度管理各自實驗室的設備、學生、衛生和安全；指導老師根據各實驗室所承擔的競賽項目的技術特點，每學年進行一次自主招生、培訓和選拔；實驗室組織選拔出的優秀學生參加競賽，為了確保各參賽團隊技術水平的繼承性，必需將不同些年的學生組合在一起，實現以老帶新、傳幫接帶；在競賽基礎上組織學生開展創新實驗申報工作，由指導老師組成專家組對學生創新實驗申報進行預審，獲得立項資助后方可在實驗室開展創新實驗，并定期對資助項目開展檢查工作；各實驗項目材料費用的使用、元器件購買必須由指導老師審核確定，大額機械配件支出需由實驗室討論決定；由指導教師指定具體學生管理實驗房間的鑰匙，統一規定實驗室白天開放，對于夜間需加班的特殊情況需經過指導教師同意；所有機械加工設備集中在機械加工房間統一使用，重點選拔出一些具有機械設計與設備使用專業知識的學生，由專業教師對他們進行系統培訓和資格認證考試，資格權限分為雕刻機操作資格、數控機床操作資格、鉆銑床和小型機床操作資格等，只有通過資格認證的學生才可以使用相關的機械加工設備，規定機械加工必須在工作日正常作息時間內進行且必須兩人協同操作（一人監督）。

五、成績與未來發展

經過五年來實驗室全體師生的努力和國家與學校的大力支持，截至2014年10月實驗室累計獲取中國機器人大賽冠軍13項、獲得國家級和校級大學生創新項目資助63項、申請發明專利13項，獲得資助200多萬，主要創新實驗項目的作品包括：智能輪椅、基于Kinect體感遙控機器人、迎賓機器人等。其中智能輪椅獲得了2012國家大學生物聯網創新創業大賽最高獎。實驗室目前也是學校對外展示大學生創新成果的一個主要窗口，分別接待過國家、教育部、科技部、河南省政府等部門主要領導人的參觀，他們都對實驗室目前所取得的成績給予了肯定和高度評價。

為了進一步提升實驗室水平從而更好地促進實驗室可持續良性發展，實驗室未來主要發展規劃如下：保持和進一步增強實驗室傳統的競賽項目的水平，重點培育一到兩項可以參加比如Robocup、FIRA這些代表世界水平的機器比賽項目；將機器人教學、競賽、創新實驗和各指導教師的科學研究結合在一起，或選擇前期較好的創新實驗項目，并在其基礎上開展科學研究，充分利用實驗室軟硬件資源，逐漸形成“教學—競賽—創新實驗—研究”的發展模式，以最終提高實驗室的科研水平；重點培育一些符合市場需求、可產業化的創新實驗項目，實現實驗室產學研一體化建設。

六、結語

鄭州大學大學生創新訓練基地智能機器人實驗室經過五年不斷的探索和實踐，找到了一條可持續良性發展的建設方法，從中積累了一定的經驗，也初步取得了較好的成績。目前，實驗室已建立了比較完善的機器人競賽、創新實驗和管理體系，通過實踐證明可有效地解決實驗室在后期擴建發展過程遇到的一些問題，這對目前剛起步且科研實力較弱的實驗室而言至關重要，具有一定的推廣價值。

參考文獻：

[1].王旭仁，劉麗珍，黃向陽，等.智能機器人實驗室建設研究[J].計算機教育，2013，（19）：85-87.

[2].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].研究生教育研究，2011，3（3）：48-52.

[3]莊未，黃用華，李雪梅，等.機器人研究在機械工程類應用創新型人才培養中的作用探索[J].教育教學論壇，2014，（9）：189-191

[4]姚志鳳，薛少平，陳亞娟.機器人創新實驗室的多元化模式探究[J].電氣電子教學學報，2012，34（5）：76-77，80.