視覺導向機器人與自動化專業學生創新能力培養的實踐探索

呂繼東， 鄒 凌， 陳嵐萍， 陳 陽， 楊 彪

(常州大學 微電子與控制工程學院，江蘇 常州 213164)

0 引言

創新應是當代大學生的內在素質，其創新能力的培養是當前高校各個專業都要面對的重大課題[1]。自動化專業的培養目標旨在培養具備電工電子技術、控制理論、檢測與儀表、信息處理、計算機及網絡技術等較寬廣領域的工程技術基礎和專業知識，能在運動控制、過程控制、電力電子技術、檢測與自動化儀表、電子與計算機技術，信息處理等領域開展工作的應用型工程技術人才[2]。由于其寬基礎、知識體系更新快，以往傳統實驗設備和實踐平臺對專業學生創新能力的培養是有限的[3]。

近年來，科技進步帶來社會生產的高度發展，越來越多的生產加工制造行業步入自動化領域。機器人技術集精密化、柔性化、智能化、集成化于一體，是衡量國家科技創新的重要標志，是工業自動化水平的最高體現，可廣泛用于生產加工制造行業，大幅提高其自動化水平。在《中國制造2025》規劃中，機器人產業作為重點領域，認為是中國實現中國制造2025的關鍵。為貫徹落實好規劃，國家三部委聯合印發的《機器人產業發展規劃(2016-2020年)》中，對機器人產業要求組織實施人才培養計劃，加強大專院校機器人相關專業學科建設，加大機器人職業培訓教育力度，加快培養機器人行業急需的高層次技術研發、管理、操作、維修等各類人才，強化產業創新能力，推進我國機器人產業快速健康可持續發展。而視覺導向機器人靈活高效、可靠性高，在生產加工制造行業中需求龐大，鑒于以上原因我們將其作為自動化專業學生創新能力培養的嶄新平臺，通過對其研究開發應用，以工程實踐整合專業所學知識、激發學生想象力等，達到培養學生設計創新能力的目的。

1 視覺導向機器人與學生創新能力培養的結合

在高等教育中，以智能機器人技術為載體的教學實踐與創新能力培養活動已經得到廣泛認可[4]。視覺導向機器人是機器視覺技術被引入到機器人領域，作為機器人的“眼睛”來引導其自身完成相應行為動作的機器人，相比傳統機器人，應用范圍更廣、智能化程度更高。

1.1 視覺導向機器人與專業課程的關聯

傳統實驗設備和實踐平臺所開設的實驗或課程設計內容大多比較單一，既使有綜合性的實驗和課程設計，所聯系的相關課程也不多，因此，在教學效果上，學生對知識的把握還存在較大的狹隘性，無法進行必要的訓練，而當面對實際問題時，還是不知所措，無法熟練應用所學知識靈活解決，導致人才創新能力的培養達不到預期目標。

視覺導向機器人融合了機械、電子、自動控制、傳感器、計算機軟硬件和人工智能等眾多先進技術，可關聯到自動化專業“自動控制原理”、“現代控制理論”、“智能控制”、“人工智能”、“計算機控制技術”、“模擬電子技術”、“數字電子技術”、“檢測技術”、“信號采集與處理”、“電機學”、“電機拖動”、“運動控制系統”、“單片機原理及應用”、“PLC技術”以及“數字圖像處理與分析”等眾多專業課程。通過對專業學生進行綜合性訓練，在立題、課題分析、方案討論以及提高可靠性和穩定性等方面加強課程知識間的關聯銜接，獨立探索內化為自己的知識，且在研討爭論中，還可以提高語言表達能力；在策略方案分析中,鍛煉思考和解決問題的能力；在設計調試中,提高工程應用和實施的能力。

1.2 視覺導向機器人對學生興趣的激勵

興趣是最好的老師，只有充分發揮學生的主觀能動性、充分發揮學生的潛能，才能使教育效果事半功倍[5]。在教學實踐中，缺乏興趣也是學生學習缺乏動力的重要因素。目前課程實驗大多是驗證仿真性的，學生在實驗中只是機械地重復操作或完全按指導書的實驗步驟來做。一方面學生對此缺乏興趣，沒有積極性；另一方面知識不能融會貫通、系統應用，很容易遺忘，學生由此會產生挫敗感。因此，加強知識的系統應用，首先引發學生對實踐教學的興趣才會讓學生產生創新意識。

視覺導向機器人是一種很好的科技創新平臺，首先可以在相關課程中增加該機器人的教學演示實驗視頻，在增強教學實踐互動性的同時，引導學生探索；其次讓學生參觀實驗室和相關應用企業，實地感受平臺以及該平臺或類似平臺在實際生產中某些具體應用，還可以邀請企業實踐經驗豐富的專業技術人員和專家為學生開設相關講座，開拓學生的眼界和知識面，進一步激發學生的好奇心；另外參考當下市場相關熱點應用設置實踐項目，為學生設定設計情境，相比以往設置的傳統實踐課題，則會更加有效激發學生對技術的興趣和創造性思維。

1.3 視覺導向機器人對實踐教學的提升

在培養具有創新精神和創業意識的應用型人才過程中，實踐教學是鞏固理論知識并將知識內化為能力的重要環節，是培養學生掌握科學方法和提高操作能力的必由之路[6]。而自動化專業知識體系更新快、需要學生實踐創新能力強的特點，更突顯專業實踐教學的重要性。好的實踐教學能較好地發揮學生自主學習能動性，有助于學生理解所學內容以及內容之間的相互關系。

視覺導向機器人是光機電一體化的典型應用，對其操作使用開發不僅需要多專業課程知識的融合，還要根據項目完成的實際情況學習其他知識，進行必要的拓展延伸，更需要學生相互協作，從不同的角度思考解決問題。在自動化專業的實踐性環節中,以此為平臺來開展實踐教學活動,可以培養學生的自主學習能力、設計創新能力、動手能力、綜合應用以及團隊協調能力,全面提高專業技術水平，從而提升實踐教學的效果和質量。

2 視覺導向機器人創新能力培養平臺的構建

視覺導向機器人創新能力培養平臺以軟硬結合、四級驅動方式進行構建。硬件包括校內實驗室的創建、見習企業群的對接以及合作共建實習公司，軟件是指專業指導師資隊伍建設，由此形成多維結構一體的實踐創新能力培養體系，多方位促使學生在深化理解理論知識的同時，能夠促進啟發學生的創新思維與意識，同時在綜合實踐能力、工程應用能力、團隊協作能力方面也得到相應的鍛煉提高，培養出符合現代自動化專業需求的創新型人才。

2.1 創建校內實驗室

在學生創新能力培養體系中，校內實驗室建設扮演著重要角色，為此我們專門創建了機器視覺與自動化技術實驗室。實驗室前期與企業合作，設計搭建了基于多目視覺的三軸直角坐標機械手系統，可用于生產線產品的檢測、分類、識別等。該系統包括視覺檢測模塊、機械運動模塊和電氣控制模塊，融合了“PLC技術”、“檢測技術”、“圖像處理”、“電機及運動控制”等課程知識內容，其中視覺檢測模塊可進行一維、二維條碼的讀取、光學字符識別、表面缺陷檢測、目標完整性檢測以及目標大小尺寸的測量；機械運動模塊可基于機器視覺檢測結果引導三軸直角坐標系機械手完成目標抓取及安裝，還可以進行寫字、畫畫等有創意的實驗；電氣控制模塊主要是配合視覺檢測模塊，完成對應的邏輯控制功能。系統實體及控制示意圖如圖1所示。

相對于直角坐標機械手，關節式機械手也是當今工業領域中最常見的工業機器人形態之一。它是一種適用于靠近機體操作的傳動形式，可實現多個自由度，動作比較靈活，適合于幾乎任何軌跡或角度的任務，可以自由編程完成全自動化的工作來提高生產效率，比如自動裝配、噴漆、搬運、焊接等。同樣基于我們要求，與企業合作構建了Eye-in-hand和Eye-to-hand兩種機器視覺可選的六軸關節式機械手。基于該系統同樣可以完成上述直角坐標機械手完成的任務，只是控制方式、行為軌跡等有所不同。總之，學生在這兩類系統上可以得到目前流行機器人在工業生活應用中幾乎所有的鍛煉，并可在此基礎上，在新舊領域進行創新思維和應用。

2.2 對接見習企業群

工信部賽迪研究院發布的《中國機器人產業發展白皮書》中稱，建立校企聯合培養人才的新機制，加強人才隊伍建設。為此對人才創新能力的培養在充分開拓校內資源的同時、也積極開拓校外資源，讓學生親身感受視覺導向機器人的實際開發和應用現場，以便在自行開發中讓設計更切合于實際，過程更趨于標準、專業。為此我們甄選了機器人相關的研發和應用企業，尋找渠道與這些企業對接，同意學生在每年的自動化專業認識實習周內去見習，實地感知機器人的操作和應用(見圖2、圖3)，熟悉其產業環境和流程；最后，針對行業技術熱點以及發展趨勢，邀請他們與學生進行交流探討。

圖2 銘賽機器人

圖3 遨博機器人

見習企業群在職責明確，穩定發展的前提下，不斷擴展，并根據研發應用類型歸總，在專業知識涵蓋領域，未來計劃伸展到產業的各個層次，形成立體化的認識實踐企業群庫。江蘇省機器人與智能裝備產業技術創新戰略聯盟設在常州，面向全省吸收了機器人與智能裝備的骨干企業與科研院所，形成了江蘇機器人與智能裝備產業鏈配套的產業體系。這為我們見習企業群庫的未來完整構建提供了便利。

2.3 共建實習公司

共建實習公司是充分利用校外資源，提升學生創新實踐能力的又一渠道，但現行大多企業對實習基地建設興趣有限，這使得學校往往處于被動狀態，究其原因是缺乏長期穩定的雙贏機制，企業不能獲得可觀的既得利益。我們的做法是為視覺導向機器人相關設備供應商在學校創新園區提供優惠場地，企業入駐以后代理其公司授權產品的同時運作其母公司的應用項目，而在其應用項目的開發過程中，準許我們學生參與其中，學習跟進，使之得到專業系統的鍛煉，同時企業也為自身挑選儲備技術人才。對學校和企業來說，該模式各得其利，實現雙贏，但也有缺憾，先期企業容量有限，學生只能通過選拔，優中選優進入企業實踐。未來希望這種模式推廣開來，更多的企業入駐，彌補其弊。

2.4 建設專業指導師資隊伍

教師是培養學生創新能力的實施者[7]。要保證所構建硬件平臺實踐教學有序進行，培養出社會需要的人才，必須要有合格的指導教師。為此我們首先從專業教職人員中遴選出具備機器視覺和機器人等相關學科背景的教師組成專業指導師資隊伍。這些教師學術水平、科研能力是比較強的，但由于大多教師是從學校畢業后直接到學校應聘，由此存在缺乏社會和工程實踐經驗的問題。我們要求硬件平臺供應商對指導教師進行深度培訓；同時鼓勵指導教師投身企業實踐，與相關企業進行橫向項目的申報實施，不斷提高自身的工程應用能力；另外也歡迎指導教師基于現有平臺申報縱向課題進行基礎應用研究，研究成果回饋指導學生，開闊他們的創新思維。

3 創新能力培養實踐成果

視覺導向機器人創新能力培養平臺從初始構建至今，初具形態，還在實踐中不斷完善，已在教師教學科研和學生培養上取得了一些成果。在教學科研方面，申請立項機器人和機器視覺方面的國家級及省部級縱向項目3項，校級教研課題2項；發表論文10余篇，其中SCI檢索2篇，EI檢索6篇，中文核心4篇；申請國家發明專利18項，還參編3部控制器和電機方面的教材。在學生創新能力培養方面，基于該平臺除了常規實踐活動之外，還申請參加了大學生創新創業訓練計劃項目，臺達杯兩岸高校自動化設計大賽等，其中基于項目內容申請了3項國家發明專利，具體成果見表1。另外，通過該平臺培養的學生當中，參加考研的學生由于復試中的優秀表現，如愿錄取并拿到了獎學金，而參加工作的學生不少選擇了機器視覺以及機器人相關的公司，其薪資水平相對于傳統自動化科技公司平均要高30%左右。綜上所述，將實踐成果匯總于表1所示。

表1 實踐成果

4 結語

我校自動化專業在充分調研的基礎上，以將會深化發展，廣泛應用的視覺導向機器人為著力點，來構建專業的創新能力培養平臺，探索培養專業創新工程實踐人才的新模式，培養提升了專業學生的創新意識、創新思維和綜合實踐能力，取得了階段性成果，得到了師生的肯定，并激發了新進專業學生的極大興趣來主動積極參與。未來將會更加完善平臺四級驅動各級環節，并吸取其他創新能力培養平臺構建以及管理的先進方式經驗，深入自動化專業學生創新能力培養的實踐探索。