機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室大全11篇

緒論：寫作既是個(gè)人情感的抒發(fā)，也是對(duì)學(xué)術(shù)真理的探索，歡迎閱讀由發(fā)表云整理的11篇機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發(fā)。

篇（1）

智能機(jī)器人作為一個(gè)最為典型的工程系統(tǒng)對(duì)象，涵蓋了機(jī)械、電氣、信息、通訊、控制、系統(tǒng)等所有現(xiàn)代工程專業(yè)的內(nèi)容，因此機(jī)器人作為一個(gè)典型的系統(tǒng)對(duì)象，是所有創(chuàng)新工程專業(yè)教育改革的理想載體，可以貫穿工程訓(xùn)練、專業(yè)基礎(chǔ)教育和專業(yè)創(chuàng)新教育的全過程，是教學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究的最理想的平臺(tái)。智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)涉及多學(xué)科，測(cè)、控充分結(jié)合的實(shí)驗(yàn)室，集各種傳感與執(zhí)行機(jī)構(gòu)于一體，又是一個(gè)測(cè)控一體化的綜合實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

首都師范大學(xué)智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室是專門服務(wù)于智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)和實(shí)踐的系統(tǒng)平臺(tái)，是高年級(jí)智能機(jī)器人、模式識(shí)別等專業(yè)課程的實(shí)踐創(chuàng)新基地。經(jīng)過近10年的建設(shè)發(fā)展，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室建設(shè)、實(shí)驗(yàn)體系研究、目標(biāo)定位等方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)定位和配置

智能機(jī)器人與模式識(shí)別是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的特色，其中，智能機(jī)器人重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生在智能機(jī)器人設(shè)計(jì)與開發(fā)、智能機(jī)器人傳感器技術(shù)、智能控制、多傳感器信息采集與融合等方面的實(shí)際應(yīng)用能力；模式識(shí)別是基于信號(hào)處理、人工智能、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，用機(jī)器代替人去識(shí)別和辨識(shí)客觀事物，用數(shù)學(xué)技術(shù)方法來研究模式的自動(dòng)處理和判讀的學(xué)科內(nèi)容，其相關(guān)系統(tǒng)理論和方法的研究近年來迅速發(fā)展，因此實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)主要圍繞這兩門課程的實(shí)踐教學(xué)和科研活動(dòng)展開。

實(shí)驗(yàn)室自2005年創(chuàng)建，占地面積約150m2。根據(jù)教學(xué)實(shí)踐需要，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備配置包括通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、小型組足球機(jī)器人、輪式智能移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐中級(jí)套件、示教型教學(xué)工業(yè)機(jī)器人、各種傳感器等。軟件系統(tǒng)包括Matlab、機(jī)器人編程系統(tǒng)、通用編程語(yǔ)言環(huán)境、模式識(shí)別工具箱等，在這些設(shè)備的基礎(chǔ)上，開展智能科學(xué)與技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)。隨著設(shè)備的老化，根據(jù)課程發(fā)展的需要，實(shí)驗(yàn)室即將購(gòu)進(jìn)人形機(jī)器人、滅火機(jī)器人、游歷機(jī)器人以及自主設(shè)計(jì)機(jī)器人的各類配件。

2 實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)體系

2.1 通用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)體系

根據(jù)智能科學(xué)與技術(shù)的學(xué)科特點(diǎn)，智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室提供循序漸進(jìn)的系統(tǒng)訓(xùn)練課程：初級(jí)課程、中級(jí)課程、高級(jí)課程，具體開課情況見表1。

（1）針對(duì)低年級(jí)學(xué)生的系統(tǒng)化基礎(chǔ)工程訓(xùn)練：學(xué)生可以利用該平臺(tái)，進(jìn)行學(xué)科基本能力的培養(yǎng)，包括計(jì)算思維能力、算法設(shè)計(jì)與分析能力、程序設(shè)計(jì)能力、開發(fā)應(yīng)用能力等；并能夠動(dòng)手組裝和調(diào)試簡(jiǎn)單電路；編寫控制軟件；獲得全方位的、系統(tǒng)化的基礎(chǔ)工程訓(xùn)練。

（2）針對(duì)中年級(jí)學(xué)生：可以利用該平臺(tái)，進(jìn)行系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，要求學(xué)生能夠站在系統(tǒng)的全局去看問題、分析問題和解決問題，從而更加深入地學(xué)習(xí)并實(shí)踐自動(dòng)控制、電子電路、微機(jī)原理接口技術(shù)及應(yīng)用、單片機(jī)原理與應(yīng)用等學(xué)科知識(shí)與試驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)合起來。

（3）針對(duì)高年級(jí)學(xué)生：利用該平臺(tái)，深入研究目前前沿的學(xué)科知識(shí)，進(jìn)行人工智能、圖像處理、語(yǔ)音識(shí)別、機(jī)器人自主導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械電子學(xué)、電機(jī)拖動(dòng)、機(jī)器人學(xué)、自動(dòng)控制、數(shù)字控制、先進(jìn)控制、智能控制、傳感器、傳感器信息融合、信號(hào)處理、模式識(shí)別、人工智能、面向?qū)ο缶幊獭④浖こ獭D像處理、語(yǔ)音識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等多學(xué)科的研究驗(yàn)證，進(jìn)行創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

2.2 智能機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)體系

智能機(jī)器人是首都師范大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)高年級(jí)學(xué)生的重要專業(yè)課程，涉及的學(xué)科范圍包括力學(xué)、機(jī)器人拓?fù)鋵W(xué)、機(jī)械學(xué)、電子與微電子學(xué)、控制論、計(jì)算機(jī)、生物學(xué)、人工智能、系統(tǒng)工程等諸多課程，是理論性、實(shí)踐性和綜合性很強(qiáng)的課程，也是培養(yǎng)學(xué)生具有機(jī)械設(shè)計(jì)能力、能夠直接解決實(shí)際問題的課程。該課程授課課時(shí)為36學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)為36學(xué)時(shí)，達(dá)到了1：1的比例。

第一階段，教師以最為典型的能力風(fēng)暴機(jī)器人、示教—再現(xiàn)機(jī)器人為教學(xué)對(duì)象，讓學(xué)生掌握基本程序的編制，掌握電機(jī)的控制方法，掌握最簡(jiǎn)系統(tǒng)的組裝、編程、調(diào)試的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)基本系統(tǒng)的各種控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人走正方形、機(jī)器人邊唱邊跳等經(jīng)典控制項(xiàng)目，從而對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件編制以及優(yōu)化有一定的認(rèn)識(shí)。

第二階段，設(shè)計(jì)和開發(fā)自己的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，完成機(jī)器人綜合組裝、調(diào)試工作，在第一階段的基礎(chǔ)上增加一些標(biāo)準(zhǔn)傳感器知識(shí)，學(xué)生可以通過對(duì)典型傳感器，如紅外傳感器、光敏傳感器、碰撞開關(guān)、光電編碼器等使用學(xué)習(xí)，完成機(jī)器人跟人走、避障等實(shí)驗(yàn)。另外，學(xué)生熟練掌握完整智能控制系統(tǒng)的編程與應(yīng)用方法，為拓展其他各種傳感器與功能模塊的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

第三階段，學(xué)生可以在以上基礎(chǔ)上增加其他各種擴(kuò)展芯片、傳感器、大學(xué)生創(chuàng)新模塊套件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，熟練應(yīng)用不同傳感器，設(shè)計(jì)方案以及試驗(yàn)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)不同功能，例如完成語(yǔ)音控制機(jī)器人小車、加工車床等試驗(yàn)。通過這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以深入掌握不同傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理與應(yīng)用方法，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

第四階段，面向競(jìng)賽和學(xué)生科研課題，學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行自主創(chuàng)意或完成指定項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。在這個(gè)階段，學(xué)生可以對(duì)人工智能、圖像處理、自主導(dǎo)航、遺傳算法等前沿學(xué)科進(jìn)行深入研究及驗(yàn)證，例如火星隕石標(biāo)本采集概念機(jī)器人的設(shè)計(jì)、智能圖書存取系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

2.3 模式識(shí)別課程實(shí)踐教學(xué)體系

模式識(shí)別課程是首都師范大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)高年級(jí)學(xué)生的重要專業(yè)課程，其目的是通過對(duì)模式識(shí)別基本理論、概念和方法的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，借助計(jì)算機(jī)解決實(shí)際工程應(yīng)用中的自動(dòng)識(shí)別問題，其主要任務(wù)是使學(xué)生掌握對(duì)物體進(jìn)行分類的有關(guān)理論和方法。實(shí)驗(yàn)課是本課程重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，目的是使學(xué)生掌握模式識(shí)別基本分類方法的算法設(shè)計(jì)及其驗(yàn)證方法。提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。本課程授課課時(shí)36學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)時(shí)。

第一類實(shí)驗(yàn)是安裝并使用模式識(shí)別工具箱。本次實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生了解模式識(shí)別軟件的具體形態(tài)、基本設(shè)置以及運(yùn)行流程，了解基本識(shí)別方法的工作過程。

第二類實(shí)驗(yàn)使用常用分類算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，例如，貝葉斯分類算法的原理和使用、最近鄰算法的分析試驗(yàn)。

第三類實(shí)驗(yàn)為課程設(shè)計(jì)，例如用支持向量機(jī)進(jìn)行人臉識(shí)別。本次實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生掌握支持向量機(jī)的運(yùn)行機(jī)理、參數(shù)選擇與快速算法等，了解在實(shí)際分類中學(xué)習(xí)樣本庫(kù)的重要性。

3 實(shí)驗(yàn)室發(fā)展成果

3.1 提高科研水平，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室良性發(fā)展

實(shí)踐證明，科研項(xiàng)目的研究對(duì)改善學(xué)科軟硬件條件作用重大。在帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)上，科研課題以優(yōu)勢(shì)、特色學(xué)科為基地，購(gòu)置大量先進(jìn)的儀器設(shè)備，構(gòu)建起堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)條件，在完成科研任務(wù)的同時(shí)，轉(zhuǎn)化為學(xué)科教學(xué)、科研發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，為培養(yǎng)高水平本科人才提供物質(zhì)支撐。首都師范大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)先后申請(qǐng)主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目4項(xiàng)、省部級(jí)項(xiàng)目近20項(xiàng)，校級(jí)項(xiàng)目若干，發(fā)表包括SCI、EI檢索在內(nèi)的學(xué)術(shù)論文一百多篇，從而極大促進(jìn)了智能機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，為實(shí)驗(yàn)室的長(zhǎng)期發(fā)展創(chuàng)造堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)和持續(xù)的科研動(dòng)力。

3.2 開展學(xué)生科研，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)堅(jiān)持以智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室為依托，鼓勵(lì)學(xué)生申報(bào)、開展各級(jí)各類學(xué)生科研項(xiàng)目，進(jìn)行專業(yè)實(shí)習(xí)、完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，并按照本科生的學(xué)習(xí)發(fā)展階段，為學(xué)生規(guī)劃科研申報(bào)體系，如圖1所示。

近四年來，我們積極組織學(xué)生申請(qǐng)全國(guó)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃6項(xiàng)，參與學(xué)生近30人。申請(qǐng)校級(jí)各類學(xué)生科研項(xiàng)目近20項(xiàng)，參與學(xué)生近百人。通過有組織地、循序漸進(jìn)地開展學(xué)生科研，學(xué)生極大地發(fā)揮了鉆研精神和創(chuàng)新能力。

3.3 通過學(xué)科競(jìng)賽，調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)踐積極性

篇（2）

中圖分類號(hào)：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198（2008）02-0297-02

1 引言

機(jī)器人是21世紀(jì)技術(shù)前沿課題，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在社會(huì)各領(lǐng)域的作用越來越大。對(duì)機(jī)器人的研究已成為熱門課題。智能尋跡機(jī)器人是一種被廣泛研究的機(jī)器人，而且國(guó)內(nèi)外都有許多重要的比賽。它是在給定的區(qū)域內(nèi)延著軌跡完成對(duì)各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的訪問。其主要指標(biāo)是速度和順利完成訪問得分點(diǎn)的能力。智能尋跡機(jī)器人涉及到傳感器技術(shù)，單片機(jī)控制、信號(hào)處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、人工智能、驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域。本文描述的智能尋跡機(jī)器人采用的是雙龍公司的單片機(jī)，利用紅外傳感器感知外界信號(hào)、光電編碼器和C語(yǔ)言編程控制尋線行走姿態(tài)。

2 紅外傳感器概述

紅外傳感器的測(cè)量原理是將發(fā)射信號(hào)經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號(hào)。用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對(duì)管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測(cè)出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測(cè)出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響，因此對(duì)試驗(yàn)的環(huán)境要求較高。但光的反射受到多種因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進(jìn)行測(cè)量將因?yàn)楦蓴_產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，采用對(duì)反射光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。

3 機(jī)器人輪式機(jī)器人尋跡的思想

這里的尋跡是指機(jī)器人輪式機(jī)器人在白色地板上沿著黑線行走，通常采用的方法是紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在輪式機(jī)器人行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在 輪式機(jī)器人上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，輪式機(jī)器人上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和輪式機(jī)器人的行走路線。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限，一般最大不應(yīng)超過3cm。

3.1 使用一個(gè)紅外傳感器（如圖3）

原理:輪式機(jī)器人在黑線上前進(jìn),跑出黑線(假設(shè)向左編偏離黑),輪式機(jī)器人向右轉(zhuǎn)2單位角度,判是否回到黑線,回到黑線則前進(jìn),若沒有回到黑線,則向左轉(zhuǎn)過4單位角度,再判斷執(zhí)行，如此反復(fù)試探進(jìn)行尋跡。

理論圖樣：

3.2 使用兩個(gè)紅外傳感器（如圖4、5）

原理：用兩個(gè)紅外傳感器有兩種情況。其一，傳感器之間距大于黑線寬度，輪式機(jī)器人在黑線上前進(jìn)，假如輪式機(jī)器人右邊的傳感器接觸黑線，則輪式機(jī)器人自動(dòng)調(diào)整左轉(zhuǎn)，直到兩個(gè)傳感器感應(yīng)的都是白線。其二，傳感器之間的距離小于黑線的距離，輪式機(jī)器人在黑線上前進(jìn)，假如輪式機(jī)器人左邊的傳感器跑出黑線，則輪式機(jī)器人自動(dòng)調(diào)整右轉(zhuǎn)，直到兩個(gè)傳感器都在黑線上。

理論圖樣：

3.3 使用三個(gè)紅外傳感器（如圖6）

三個(gè)紅外傳感器的設(shè)計(jì)排列較多，在這里我們只對(duì)三個(gè)紅外傳感器排成一行設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。

原理：中間的傳感器探測(cè)的是黑線，兩邊的傳感器探測(cè)的是白底。輪式機(jī)器人在黑線上前進(jìn)，假設(shè)輪式機(jī)器人向右偏離，即中間傳感器探測(cè)的是白底，且左邊的探測(cè)器探測(cè)的是黑線，則輪式機(jī)器人制動(dòng)調(diào)整左轉(zhuǎn)，直到中間探測(cè)的是黑線，兩邊探測(cè)的是白底。反之，輪式機(jī)器人制動(dòng)調(diào)整右轉(zhuǎn)，直到中間探測(cè)的是黑線，兩邊探測(cè)的是白底。輪式機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。

理論圖樣：

圖6 三個(gè)傳感器尋跡解圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的研究科目，對(duì)輪式機(jī)器人尋跡中使用紅外傳感器做了多次測(cè)試，尋跡非常成功，并且針對(duì)尋跡定位精度要求高和紅外傳感器的使用個(gè)數(shù)這兩個(gè)關(guān)鍵問題提出了相應(yīng)的解決方案，通過一段時(shí)期的測(cè)試運(yùn)行，取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果。

隨著紅外傳感器技術(shù)的日益成熟，定位精度日益提高，在不久的將來，紅外傳感器的使用范圍更廣，輪式機(jī)器人尋跡也會(huì)相應(yīng)的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。

篇（3）

Breazeal認(rèn)為：“它（機(jī)器人）不僅要具有自然的溝通能力，還要能理解人類的思維方式。每當(dāng)我們體驗(yàn)這個(gè)世界，做決定并采取行動(dòng)，我們當(dāng)然會(huì)考慮相關(guān)信息，但我們也會(huì)考慮其他因素。機(jī)器人可以有社交功能，也能有真情實(shí)感，更是實(shí)實(shí)在在的物體。不僅如此，只要支持人類全面體驗(yàn)的技術(shù)越多，人類自身的本領(lǐng)就會(huì)越強(qiáng)大。社交機(jī)器人可以算是歷史上首次在上述所有這些層面內(nèi)對(duì)人類體驗(yàn)的一種綜合體現(xiàn)。”

多年以來，Breazeal一直在研究人性化的機(jī)器人，希望賦予他們?nèi)穗H交往的技巧，探究它們?nèi)绾瓮七M(jìn)兒童教育、醫(yī)治慢性病、高級(jí)護(hù)理等各種類型的工作。甚至，社交機(jī)器人還可以幫助家庭成員更好地相處、互動(dòng)。例如利用相關(guān)技術(shù)，它們可以讓住在千里之外的祖父看到自己的孫女，并且和她玩實(shí)時(shí)游戲。

Breazeal介紹，除了增進(jìn)交互，機(jī)器人技術(shù)也能有效地鼓勵(lì)人們改進(jìn)言行。機(jī)器人可以扮演教練，指導(dǎo)用戶鍛煉身體。Breazeal發(fā)現(xiàn)，和人類相似的外形、溝通手段、動(dòng)作和互動(dòng)方式可以產(chǎn)生比其他技術(shù)形式更持久、更重要并且更符合人們期望的成果。

篇（4）

摘要：在對(duì)課外教學(xué)和教學(xué)設(shè)計(jì)策略概念加以界定的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了機(jī)器人課外教學(xué)設(shè)計(jì)策略，包括機(jī)器人課外教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織、教學(xué)評(píng)價(jià)共四個(gè)方面的內(nèi)容，明確了機(jī)器人教學(xué)的教育目的、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)，探討了機(jī)器人課外教學(xué)組織模式的構(gòu)建。

關(guān)鍵詞 ：機(jī)器人；課外教學(xué)設(shè)計(jì)；組織模式；教學(xué)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-5727( 2014) 02-0124-03

機(jī)器人教育是時(shí)代和社會(huì)發(fā)展的必然，是學(xué)校培養(yǎng)科技創(chuàng)新型人才的重要載體，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新精神有著至關(guān)重要的作用。機(jī)器人課程日益受到重視，在各類機(jī)器人競(jìng)賽的推動(dòng)下，機(jī)器人課外教學(xué)也在如火如荼地開展。但是，為競(jìng)賽而競(jìng)賽、學(xué)生管理的自主狀態(tài)、師資配置不足、缺乏系統(tǒng)管理等問題在機(jī)器人課外教學(xué)中也是客觀存在。因此，機(jī)器人課外教學(xué)迫切需要重新審視，堅(jiān)持以培養(yǎng)人為中心，認(rèn)真分析機(jī)器人課外教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)組織、教學(xué)評(píng)價(jià)等，系統(tǒng)研究機(jī)器人課外教學(xué)設(shè)計(jì)策略。

概念界定

關(guān)于課外教學(xué)的概念國(guó)際教育界對(duì)“課外”的英文詞語(yǔ)不外乎兩種：“extra-curricular（課程之外）”或“extra-class（課堂之外）”。教學(xué)是教育目的規(guī)范下的、教師的教與學(xué)生的學(xué)共同組成的一種教育活動(dòng)。從系統(tǒng)性和完整性的角度，本研究將“課外”界定于extra-class．同時(shí)把課外教學(xué)納入課程范疇。根據(jù)教學(xué)定義，進(jìn)一步明確：課外教學(xué)應(yīng)該包括“教(teach)”和“學(xué)(learn)”兩種不同性質(zhì)的活動(dòng)，教學(xué)實(shí)施過程中的行為主體包括教師和學(xué)生，課外教學(xué)是在教學(xué)目標(biāo)指引下，由教師的教與學(xué)生的學(xué)系統(tǒng)組成的一種教育活動(dòng)。

關(guān)于教學(xué)設(shè)計(jì)策略的概念策略是為達(dá)到某種目的使用的手段或方法。所謂教學(xué)策略，是在教學(xué)目標(biāo)確定以后，根據(jù)已定的教學(xué)任務(wù)和學(xué)生的特征，有針對(duì)性地選擇與組合相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織形式、教學(xué)方法和技術(shù)，形成的具有效率意義的特定教學(xué)方案。教學(xué)策略根據(jù)教學(xué)活動(dòng)的內(nèi)容分為教學(xué)設(shè)計(jì)策略、教學(xué)實(shí)施策略和教學(xué)反思策略。教學(xué)設(shè)計(jì)是教學(xué)的首要環(huán)節(jié)，主要包括教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織、教學(xué)評(píng)價(jià)四個(gè)方面的內(nèi)容。

機(jī)器人課外教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

確定機(jī)器人課外教學(xué)目標(biāo)首先要確定機(jī)器人教育目的和意義。從學(xué)生能力結(jié)構(gòu)上，可以將“機(jī)器人教育目的”理解為：推進(jìn)素質(zhì)教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力、團(tuán)體意識(shí)和合作精神、設(shè)計(jì)能力和研究能力以及跨專業(yè)綜合應(yīng)用能力。

教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)是對(duì)教學(xué)活動(dòng)預(yù)期所要達(dá)到的結(jié)果的規(guī)劃，是教學(xué)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。合理的教學(xué)目標(biāo)是保證教學(xué)活動(dòng)順利進(jìn)行的必要條件。教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)應(yīng)與教學(xué)內(nèi)容緊密相連，應(yīng)以教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，教學(xué)內(nèi)容的組織和實(shí)施應(yīng)能促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。教學(xué)內(nèi)容是學(xué)生所系統(tǒng)學(xué)習(xí)內(nèi)化的間接經(jīng)驗(yàn)和直接經(jīng)驗(yàn)的總和。根據(jù)建構(gòu)主義教學(xué)理論，教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)應(yīng)促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)而不是被動(dòng)接收，應(yīng)激發(fā)學(xué)生思維，促進(jìn)知識(shí)內(nèi)化為技能，促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)自己的知識(shí)體系。

因此，機(jī)器人課外教學(xué)內(nèi)容需要教師認(rèn)真進(jìn)行選擇、加工、組織，遵循連續(xù)性、遞進(jìn)性和整合性的原則，同時(shí)教學(xué)內(nèi)容組織要考慮邏輯順序和心理順序。根據(jù)實(shí)踐，現(xiàn)將機(jī)器人課外教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式加以總結(jié)，如表1所示。

機(jī)器人課外教學(xué)組織模式

教學(xué)組織形式，就是教學(xué)活動(dòng)中教師與學(xué)生的組合結(jié)構(gòu)形式，或者說是教師與學(xué)生共同活動(dòng)在人員、程序、時(shí)空關(guān)系上的組合結(jié)構(gòu)形式。機(jī)器人課外教學(xué)因其靈活性、開放性、綜合性的特點(diǎn)，給課外教學(xué)的組織增加了難度。但通過實(shí)踐，逐步形成了以科技社團(tuán)為載體、以社團(tuán)組織課外教學(xué)活動(dòng)開展為主線、以充分盤活資源為核心、以科技競(jìng)賽為動(dòng)力的師生互聯(lián)全員互動(dòng)的機(jī)器人課外教學(xué)組織模式。機(jī)器人課外教學(xué)組織模式如圖1所示。

（一）機(jī)器人課外教學(xué)組織模式發(fā)展溯源

我們的研究最早從1996年開始，引進(jìn)了日本機(jī)器人教育的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)的具體國(guó)情，在機(jī)器人教育方面進(jìn)行了探索，并取得了一定的經(jīng)驗(yàn)，成功地組織了多屆大學(xué)生小型機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作比賽。將機(jī)器人教育與教學(xué)改革相結(jié)合，完成了全國(guó)職業(yè)技術(shù)師范教育委員會(huì)“九五”教育科學(xué)研究課題“電類專業(yè)現(xiàn)代職業(yè)技能開發(fā)一增設(shè)‘小型機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作’的教學(xué)內(nèi)容”項(xiàng)目的研究工作。

我們以“小型機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作”為課題，組織自控、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、工業(yè)設(shè)計(jì)等專業(yè)的教師組成跨學(xué)科的指導(dǎo)教師小組，吸收以上專業(yè)大學(xué)三年級(jí)以上的學(xué)生參加，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)改革試點(diǎn)。同時(shí)，在制作多臺(tái)不同結(jié)構(gòu)和功能的教學(xué)用智能機(jī)器人的基礎(chǔ)上，按照低成本、模塊化、系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)思想，研制了多種通用機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作的標(biāo)準(zhǔn)化模塊及多種傳感器模塊。系統(tǒng)采用開放式結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)需要，學(xué)生也可進(jìn)行特定的模塊設(shè)計(jì)。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行系統(tǒng)模塊配置，模塊設(shè)計(jì)，機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安裝、制作、調(diào)試、模塊軟件編程等環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)并制作小型機(jī)器人進(jìn)行比賽。

此項(xiàng)教育改革將機(jī)器人教學(xué)與第二課堂相結(jié)合，利用學(xué)生的課余時(shí)間延長(zhǎng)畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的綜合性。該項(xiàng)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究成果在第五屆“挑戰(zhàn)杯”天津市大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技競(jìng)賽中獲科技制作類一等獎(jiǎng)。

1997年，我們成立了電子工程師搖籃協(xié)會(huì)，組織開展電子競(jìng)賽等科技活動(dòng)：1999年，成立了機(jī)器人俱樂部，自主研制機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)和各種機(jī)器人功能模塊，致力于機(jī)器人開發(fā)和研究，同時(shí)不斷研究和設(shè)計(jì)適合中國(guó)國(guó)情的比賽規(guī)劃。在星火創(chuàng)業(yè)協(xié)會(huì)成立后，以上三個(gè)學(xué)生科技社團(tuán)合并成立了大學(xué)生科技實(shí)踐中心，開展各項(xiàng)課外科技活動(dòng)。

（二）機(jī)器人課外教學(xué)組織模式的形成

層層選拔，循序漸進(jìn)課外科技活動(dòng)的實(shí)踐證明，科技社團(tuán)是機(jī)器人課外教學(xué)實(shí)踐的重要載體。科技社團(tuán)與活動(dòng)開展的思路逐步形成：電子工程師搖籃協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)組織機(jī)器人相關(guān)培訓(xùn)、講座、參觀等，進(jìn)行機(jī)器人現(xiàn)成產(chǎn)品研究（包括實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證等），并通過小型科技競(jìng)賽選拔學(xué)生到機(jī)器人俱樂部，開發(fā)機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái)，自主設(shè)計(jì)與制作機(jī)器人。同時(shí)選拔學(xué)生到專家實(shí)驗(yàn)室、研究所參與機(jī)器人相關(guān)課題研發(fā)，并參加全國(guó)的機(jī)器人大賽。堅(jiān)持循序漸進(jìn)的教學(xué)原則，如模式圖中的主線自下而上，對(duì)應(yīng)的機(jī)器人課外教學(xué)的難度從低到高設(shè)置，為不同專業(yè)、不同年級(jí)、不同興趣和特長(zhǎng)的學(xué)生提供了多層面的選擇空間和學(xué)習(xí)平臺(tái)。科技競(jìng)賽成為選拔、培養(yǎng)學(xué)生的重要手段。在教師的全面指導(dǎo)下，學(xué)生通過活動(dòng)、競(jìng)賽等進(jìn)階選拔，接觸到從社團(tuán)骨干到科技輔導(dǎo)員、從研究生到專家教授等多層面的輔導(dǎo)和培訓(xùn)，專業(yè)技能和綜合能力逐步提高。

全員參與，分工協(xié)作資源是機(jī)器人課外教學(xué)實(shí)施的重要保證。盤活資源能有效保證機(jī)器人課外教學(xué)質(zhì)量，有力提升資源效能，推動(dòng)機(jī)器人課外教學(xué)的各項(xiàng)實(shí)踐活動(dòng)。人是影響教學(xué)質(zhì)量的根本因素，教師在機(jī)器人課外教學(xué)中具有不可替代的作用。充分發(fā)揮教師作用的關(guān)鍵是全員參與。全員參與需要全體教師都能圍繞“機(jī)器人課外教學(xué)”明白自己該做什么、怎樣做、為什么這樣做、如何做得更好。在實(shí)踐中，學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)帶頭高度重視課外教學(xué)工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)模式，宏觀指導(dǎo)機(jī)器人課外教學(xué)工作，同時(shí)提供機(jī)器人課外教學(xué)必需的專家、教授、科技輔導(dǎo)員等人力資源和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備場(chǎng)地等資源的大力支持。我們?cè)趯?shí)踐中率先設(shè)立了科技輔導(dǎo)員崗位，負(fù)責(zé)指導(dǎo)科技社團(tuán)的各項(xiàng)活動(dòng)，培養(yǎng)選拔科技人才，促進(jìn)學(xué)生科技水平提升和綜合實(shí)踐能力提高。同時(shí)設(shè)立了班級(jí)實(shí)踐委員，構(gòu)建了以班級(jí)為依托的學(xué)生科技實(shí)踐環(huán)境，改變了傳統(tǒng)意義上的班干部結(jié)構(gòu)，在班上設(shè)立了實(shí)踐委員。實(shí)踐委員負(fù)責(zé)在班里營(yíng)造科技實(shí)踐氣氛，開展科技實(shí)踐活動(dòng)，推薦并協(xié)助選拔學(xué)生進(jìn)入科技社團(tuán)。實(shí)踐委員對(duì)科技輔導(dǎo)員負(fù)責(zé)，接受科技輔導(dǎo)員的指導(dǎo)。同時(shí)，科技輔導(dǎo)員指導(dǎo)社團(tuán)的骨干力量對(duì)班級(jí)的科技活動(dòng)給予相應(yīng)的支持和幫助。專家、教授不僅為科技社團(tuán)做培訓(xùn)和講座、指導(dǎo)學(xué)生參加科技競(jìng)賽，而且從科技社團(tuán)選拔挑選學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)室課題研發(fā)，安排研究生參與活動(dòng)中，指導(dǎo)研究生與本科生互助，快速提高、快速成長(zhǎng)。此外，還通過校企合作，引入西門子獎(jiǎng)學(xué)金，用于舉辦應(yīng)用創(chuàng)新類科技活動(dòng)，并舉辦了“西門子杯”應(yīng)用創(chuàng)新類學(xué)生競(jìng)賽。

機(jī)器人課外教學(xué)評(píng)價(jià)

篇（5）

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）28-0268-02

機(jī)器人是一個(gè)多學(xué)科交叉的綜合產(chǎn)物，涉及機(jī)械工程、電子技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論以及人工智能等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，代表了當(dāng)今機(jī)電一體化的最高成就。當(dāng)前，工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用；隨著人口的老齡化，服務(wù)機(jī)器人也成為了研究的熱點(diǎn)。在此背景下，越來越多的高校開設(shè)了機(jī)器人課程并給予較高的重視。機(jī)器人課程具有涉及學(xué)科廣泛、實(shí)踐性強(qiáng)、探索性豐富等特點(diǎn)，是面向高等學(xué)校機(jī)械工程學(xué)科機(jī)械工程及機(jī)械電子工程專業(yè)的本科生和一年級(jí)研究生開設(shè)的專業(yè)課。

根據(jù)應(yīng)用型本科的教學(xué)定位，本著“技術(shù)強(qiáng)校，應(yīng)用為本”的辦學(xué)指導(dǎo)方針，華南理工大學(xué)廣州學(xué)院以機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心的機(jī)器人資源為依托，面向機(jī)械類專業(yè)學(xué)生開展了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程并不斷探索更好的教學(xué)方法，著力培養(yǎng)滿足用人需求的技術(shù)應(yīng)用型人才。

在此，本文在分析國(guó)內(nèi)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程現(xiàn)有問題的基礎(chǔ)上，總結(jié)自身的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。該方法以具體的項(xiàng)目任務(wù)為依托，促使學(xué)生在完成項(xiàng)目任務(wù)的過程中“既動(dòng)腦又動(dòng)手”，得到了較好的教學(xué)效果。

一、機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)有問題

目前，機(jī)器人教學(xué)在國(guó)內(nèi)各高等學(xué)校迅速發(fā)展，相當(dāng)一部分的高校建立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室并開展了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程。雖然機(jī)器人教學(xué)工作發(fā)展迅速，但是完整的教學(xué)體系尚未形成，在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然存在不少值得關(guān)注的問題。

1.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)單一。目前，阻礙機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要原因就是搭建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所需的器材費(fèi)用非常高。譬如：一套安川小型工業(yè)機(jī)器人高達(dá)十幾萬(wàn)元，一套包括控制器、傳感器、馬達(dá)和零部件等的樂高機(jī)器人教學(xué)專用套裝一般需要六七千元。另外，機(jī)器人的組裝和維護(hù)所需的硬件設(shè)備和人力投入也是一筆龐大的開銷。由于受到經(jīng)費(fèi)等原因的限制，相當(dāng)一部分的學(xué)校只能購(gòu)買并搭建一到兩種機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，因而能夠讓學(xué)生動(dòng)手操作、親身體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)資源非常有限，也難以開展多種機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容比較單調(diào)，缺乏“廣度”，對(duì)學(xué)生的吸引力不強(qiáng)。

2.教學(xué)手段傳統(tǒng)。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)不僅要求學(xué)生要?jiǎng)邮郑€要求學(xué)生要?jiǎng)幽X，但目前機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的開展以教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示和學(xué)生按照步驟操作為主。這樣的教學(xué)手段使得學(xué)生按照明確的步驟即可完成實(shí)驗(yàn)，無(wú)須自行查找資料、思考并解決問題、進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作。在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生缺乏主動(dòng)實(shí)踐的機(jī)會(huì)，難以激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)器人進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作的主動(dòng)性和積極性。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后往往很快就遺忘所學(xué)的內(nèi)容，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后收獲不多，甚至印象不深，從而導(dǎo)致機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果較差。另外，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的評(píng)價(jià)依據(jù)只能是學(xué)生能否按時(shí)上課和完成實(shí)驗(yàn)，不能有效地區(qū)分出部分動(dòng)手能力強(qiáng)、創(chuàng)新意識(shí)較強(qiáng)的學(xué)生并給予較高的評(píng)價(jià)。不具有一定挑戰(zhàn)性的按部就班式的實(shí)驗(yàn)操作，也不能激發(fā)學(xué)生爭(zhēng)先創(chuàng)優(yōu)的競(jìng)爭(zhēng)心理，這也導(dǎo)致了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果并不理想。

3.教師資源匱乏。機(jī)器人課程融合了多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，涉及到相當(dāng)多前沿領(lǐng)域的技術(shù)。因此，機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)教師有著比較高的要求，要求教師具備多學(xué)科知識(shí)背景、較強(qiáng)的動(dòng)手能力和指導(dǎo)學(xué)生對(duì)新事物進(jìn)行探索實(shí)踐的能力。然而，由于機(jī)器人教學(xué)在我國(guó)起步較晚，完整的機(jī)器人教學(xué)體系尚未形成，教師隊(duì)伍尚在建設(shè)中，專門進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)的教師較少，在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)的教師就更少了。所以，在開展機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，各高校的教師資源嚴(yán)重匱乏。

二、“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

針對(duì)已發(fā)現(xiàn)的問題，華南理工大學(xué)廣州學(xué)院探索總結(jié)了一套“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

1.進(jìn)行項(xiàng)目訓(xùn)練的教學(xué)。為了推行“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的教學(xué)模式，華南理工大學(xué)廣州學(xué)院安排了工業(yè)自動(dòng)化強(qiáng)化訓(xùn)練Ⅰ和Ⅱ兩個(gè)課程。其中，強(qiáng)化訓(xùn)練Ⅰ是可編程控制器和單片機(jī)的基礎(chǔ)課程，以教師課堂授課和安排實(shí)驗(yàn)為主。強(qiáng)化訓(xùn)練Ⅱ是后續(xù)課程，以項(xiàng)目任務(wù)為教學(xué)內(nèi)容，將機(jī)器人作為可編程控制器和單片機(jī)的學(xué)習(xí)平臺(tái)，以機(jī)器人各種工作站的搭建為具體任務(wù)，開展機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)集成等教學(xué)，整個(gè)環(huán)節(jié)以學(xué)生操作為主。教師設(shè)計(jì)有多個(gè)不同的項(xiàng)目任務(wù)，供學(xué)生自行組隊(duì)、自由選擇。每個(gè)小組根據(jù)選定的項(xiàng)目任務(wù)，自行進(jìn)行組內(nèi)分工和安排工作日程，查閱相關(guān)資料進(jìn)行程序或輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。

通過豐富具體的項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)生的機(jī)器人學(xué)習(xí)，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣和水平選擇項(xiàng)目任務(wù)，這可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)意識(shí)。“既要?jiǎng)幽X又要?jiǎng)邮帧钡捻?xiàng)目任務(wù)加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)機(jī)器人的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)知識(shí)的運(yùn)用，學(xué)生對(duì)學(xué)到、用到的知識(shí)印象深刻，從而提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。

例如：教師設(shè)計(jì)了一個(gè)“基于工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)線分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的項(xiàng)目任務(wù)，要求學(xué)生在4周時(shí)間內(nèi)搭建一個(gè)生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)對(duì)傳輸帶上的不同顏色（黑色和白色）、不同材質(zhì)（金屬和塑料）的物件進(jìn)行識(shí)別，并將不同的物件從傳輸帶上搬運(yùn)到指定的區(qū)域。學(xué)生在小組內(nèi)自行協(xié)商項(xiàng)目分工和安排項(xiàng)目進(jìn)度，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源搭建了由PLC控制的生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了PLC與機(jī)器人的通信，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了示教編程，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。教師每周對(duì)學(xué)生的項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行1～2次監(jiān)督檢查，并及時(shí)對(duì)學(xué)生遇到的問題給予指導(dǎo)。

2.推動(dòng)實(shí)踐項(xiàng)目的開展。在課外時(shí)間，進(jìn)行以教師為指導(dǎo)、學(xué)生為主要參與者的實(shí)踐項(xiàng)目活動(dòng)，是培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主創(chuàng)新思維的重要方式，也是“項(xiàng)目式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的一種實(shí)踐形式。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院自2009年起，建立了一個(gè)可容納50人的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，每年參加ROBOCON全國(guó)機(jī)器人大賽，以比賽項(xiàng)目為依托鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)和應(yīng)用機(jī)器人。此外，學(xué)校開展了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（SRP），并積極鼓勵(lì)學(xué)生參加廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和挑戰(zhàn)杯等實(shí)踐活動(dòng)。不少學(xué)生以機(jī)器人為主題進(jìn)行創(chuàng)新和實(shí)踐，并取得了較好的成績(jī)。

3.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)。“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法重在實(shí)踐，離不開完善的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。針對(duì)上述由于價(jià)格昂貴而導(dǎo)致“實(shí)驗(yàn)平臺(tái)單一”的問題，華南理工大學(xué)廣州學(xué)院依托機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心的現(xiàn)有機(jī)器人教學(xué)資源，將其進(jìn)行優(yōu)化整合，建立了機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，搭建了多個(gè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，包括三菱和西門子PLC培訓(xùn)、單片機(jī)培訓(xùn)兩個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)，廣州數(shù)控機(jī)器人和日本MOTOMAN-SV3X工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)，以及基于機(jī)器人比賽開發(fā)的智能車機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，既為學(xué)生提供了基礎(chǔ)理論的實(shí)踐平臺(tái)，也為機(jī)器人項(xiàng)目式訓(xùn)練和比賽項(xiàng)目實(shí)踐等方面提供了必要的資源。

4.優(yōu)化交叉課程的教學(xué)。機(jī)器人學(xué)科綜合性很強(qiáng)，涉及多個(gè)學(xué)科，推動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)須要優(yōu)化交叉課程的教學(xué)。交叉課程教學(xué)的優(yōu)化能夠提高機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，而機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程又能為交叉課程的教學(xué)提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生能夠在機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證和運(yùn)用交叉課程的知識(shí)，從而起到相輔相成的作用，形成良性循環(huán)。

華南理工大學(xué)廣州學(xué)院機(jī)械學(xué)院將機(jī)器人控制系統(tǒng)作為PLC和單片機(jī)強(qiáng)化訓(xùn)練項(xiàng)目來開展，使得學(xué)生在PLC和單片機(jī)的學(xué)習(xí)過程中能夠借助機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)了解控制系統(tǒng)和理解一些較為復(fù)雜的控制原理，在完成機(jī)器人項(xiàng)目任務(wù)的過程中運(yùn)用并進(jìn)一步學(xué)習(xí)PLC和單片機(jī)的知識(shí)，因而取得了較好的教學(xué)效果。

5.著力教師素質(zhì)的提高。“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不但要求教師具備有較強(qiáng)的動(dòng)手能力和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，還要求教師具備多學(xué)科知識(shí)背景，對(duì)教師有著較高的要求。為此，華南理工大學(xué)廣州學(xué)院通過多種形式著力提高機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教師的綜合素質(zhì)，例如：組織教師參加機(jī)器人高峰研討會(huì)，開展各種教研沙龍和網(wǎng)絡(luò)教研活動(dòng)，與優(yōu)秀的教師團(tuán)隊(duì)交流學(xué)習(xí)；組織教師前往廣州數(shù)控設(shè)備有限公司等企業(yè)進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)，了解當(dāng)前市場(chǎng)上的機(jī)器人產(chǎn)品；對(duì)積極指導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目任務(wù)的教師進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，提高教師的工作積極性。

三、結(jié)語(yǔ)

“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法采用以學(xué)生為中心，教師為指導(dǎo)的教學(xué)模式，在整合機(jī)器人實(shí)驗(yàn)資源的基礎(chǔ)上，通過豐富具體的項(xiàng)目任務(wù)帶動(dòng)學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人的學(xué)習(xí)。教學(xué)實(shí)踐表明，該方法能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和創(chuàng)新能力，從而提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷靜桃，劉亮，張海洪.“機(jī)器人學(xué)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，（05）.

篇（6）

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）19-0247-01

1 引言

人形交互式服務(wù)機(jī)器人是具備人類外形特征和行動(dòng)能力，并且能完成有益于人類服務(wù)工作的機(jī)器人。隨著當(dāng)今運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、行動(dòng)規(guī)劃、應(yīng)用工程和人工智能等學(xué)科的發(fā)展，機(jī)器人學(xué)和機(jī)器人技術(shù)也不斷發(fā)展創(chuàng)新。人類可以賦予機(jī)器人人類外形和人類的一些特征，使之可以更好的適應(yīng)人類工作環(huán)境和更好的服務(wù)于人類，甚至成為人類親密的好朋友[1]。人形交互式服務(wù)機(jī)器人因此誕生 。近些年來對(duì)人形交互式服務(wù)機(jī)器人的研究取得了很大進(jìn)展，但仍存在技術(shù)上的難點(diǎn)，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。本文針對(duì)近些年國(guó)內(nèi)國(guó)外機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展做了總結(jié)和概括，通過分析當(dāng)前關(guān)鍵技術(shù)研究，探討了人形交互式服務(wù)機(jī)器人研究思路和發(fā)展趨勢(shì)。

2 人形交互式服務(wù)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代后期，人形機(jī)器人進(jìn)入研究視野，最初目標(biāo)是使機(jī)器人可以模仿人類進(jìn)行雙足行走。1999年日本本田率先研究雙足仿人機(jī)器人的預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制，并在 2000 年了首款 ASIMO 機(jī)器人[2]麻省理工研制的機(jī)器人Kismet，能通過眼、鼻、耳等處的傳感器識(shí)別外界感情信號(hào)，可以識(shí)別喜、怒、哀、樂等感情表達(dá)，并作出相應(yīng)的表情動(dòng)作[3]。國(guó)際上MIT 計(jì)算機(jī)科學(xué)和智能實(shí)驗(yàn)室、日本本田公司機(jī)器人研究中心、德國(guó)宇航中心機(jī)器人研究室等研究機(jī)構(gòu)都致力于人形交互式服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)人形交互式服務(wù)機(jī)器人研究起步較晚，但機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速。2000年國(guó)內(nèi)第一臺(tái)人形雙足機(jī)器人“先行者”研制成功，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退，轉(zhuǎn)彎前行和手臂擺動(dòng)等基本動(dòng)作。西安超人雕塑研究院仿人機(jī)器人“索芙亞”具有聲音識(shí)別和眼部控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)眨眼、微笑、點(diǎn)頭等迎賓服務(wù)動(dòng)作[4]。北京理工大學(xué)研制的“匯童”BHR機(jī)器人[5]和浙江大學(xué)研制的Wu&Kong實(shí)現(xiàn)與人乒乓球?qū)Υ颍瑢?duì)打回合次數(shù)高達(dá)200多回合。

3 人形交互式服務(wù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

3.1 仿生學(xué)材料與結(jié)構(gòu)

人形交互式服務(wù)機(jī)器人從仿生學(xué)角度出發(fā)，具有仿造人體生物結(jié)構(gòu)、性狀、原理及其行為的特點(diǎn)。其中仿生學(xué)材料和結(jié)構(gòu)是機(jī)器人重要的關(guān)鍵技術(shù)和組成部分，通過對(duì)生物體材料構(gòu)造與形成過程進(jìn)行研究和仿生，使組成機(jī)器人所用的材料具有與構(gòu)成人體的生物材料強(qiáng)度、韌性及一些類似的生物特性，這將大大提高機(jī)器人對(duì)人工作環(huán)境的適應(yīng)能力。當(dāng)前仿生皮膚和人造肌肉成為機(jī)器人仿生材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。人體有諸多骨骼支撐，骨骼由關(guān)節(jié)和肌肉韌帶連接，這可以確保人體的靈活運(yùn)動(dòng)，對(duì)該結(jié)構(gòu)的仿生是人形交互式服務(wù)機(jī)器人研究的最高目標(biāo)。張永軍等根據(jù)人體上肢結(jié)構(gòu)原理 ， 提出一種上肢仿生機(jī)構(gòu) ， 并針對(duì)所提出的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，為制造出靈巧方便的上肢仿生機(jī)構(gòu)提供了理論依據(jù)[6]。

3.2 智能交互性

人與服務(wù)機(jī)器人之間的交互主要分為認(rèn)知互和物理互。兩者相互作用才能完成人與機(jī)器人之間的互相配合。

3.2.1 認(rèn)知互

認(rèn)知互是指人與機(jī)器人通過力覺、觸覺、聽覺、視覺等感官性的接觸、肢體語(yǔ)言和語(yǔ)言交流，使機(jī)器人與人進(jìn)行理解性的溝通。符合人類審美的外觀、對(duì)人類生存環(huán)境的高度適應(yīng)性以及能與人類進(jìn)行有效準(zhǔn)確的信息交流、人性化的情感交互是人形交互式服務(wù)機(jī)器人最為關(guān)鍵的功能。

認(rèn)知互的實(shí)現(xiàn)需要仿生結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電子傳感等技術(shù)相結(jié)合例如表情機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立和表情機(jī)器人結(jié)構(gòu)相匹配的面部柔性體模型，利用有限元分析方法對(duì)面部皮膚柔性體模型進(jìn)行分析和仿真，模擬仿人機(jī)器人的幸福、悲傷、驚奇、憤怒等基本面部表情，進(jìn)而通過位移載荷，控制區(qū)域，實(shí)現(xiàn)人的表情動(dòng)作[3]。

3.2.2 物理互

人與機(jī)器人的工作距離越來越近，兩者直接的相互接觸越來越多。當(dāng)機(jī)器人本體工作時(shí)，會(huì)與人類相互接觸，這種情形稱之為物理互。為了使人形交互式服務(wù)機(jī)器人得到更廣泛的應(yīng)用，機(jī)器人本體不僅需要具有友好的認(rèn)知互能力，還需要具有良好的人機(jī)肢體接觸交互能力。物理互主要分為主動(dòng)接觸交互和被動(dòng)接觸交互。

在人機(jī)被動(dòng)接觸交互的過程中，剛度控制的不合理、不準(zhǔn)確可能會(huì)對(duì)機(jī)器人自身或者交互對(duì)象造成嚴(yán)重的損傷。鑒于此，機(jī)器人的柔順性控制值得重視。其關(guān)鍵在于被動(dòng)柔順系統(tǒng)及柔順關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。如熊根良等利用關(guān)節(jié)力矩傳感器，阻抗控制策略和力反饋的軌跡規(guī)劃構(gòu)成了人機(jī)交互的柔順系統(tǒng)，有效地降低了碰撞瞬間的沖擊力。因此，被動(dòng)柔順系統(tǒng)及柔順關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)值得進(jìn)一步研究[7]。

3.3 安全性

人形交互式服務(wù)機(jī)器人要想長(zhǎng)時(shí)間的存在于人們的日常生活中，就必須保證機(jī)器人使用的安全性。機(jī)器人與人發(fā)生碰撞是機(jī)器人應(yīng)用過程中造成傷害的源頭。若交互時(shí)機(jī)器人不能滿足平衡性約束條件，就很容易導(dǎo)致機(jī)器人平衡穩(wěn)定性差甚至摔倒；若人機(jī)交互時(shí)手臂采用完全的剛性控制容易導(dǎo)致手臂的彎曲甚至折斷。因此，為了保證人和機(jī)器人的安全，有必要對(duì)人機(jī)肢體接觸交互時(shí)的安全性問題和機(jī)器人平衡性問題進(jìn)行深入研究[8]。

關(guān)于碰撞檢測(cè)與碰撞避免的研究說明百分之百的避免碰撞很難做到，因此必須有其他安全保證策略。通過設(shè)計(jì)輕型機(jī)械臂、被動(dòng)柔順系統(tǒng)、設(shè)計(jì)柔順關(guān)節(jié)、設(shè)計(jì)被動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)等方式，可以增加機(jī)器人的安全性。提高機(jī)器人認(rèn)知性以及設(shè)計(jì)合理的交互控制參數(shù)也是提高機(jī)器人安全性的重要途徑。

4 人形交互式服務(wù)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)

人形交互式服務(wù)機(jī)器人發(fā)展迅速，應(yīng)用前景廣闊，并已取得一定的研究成果，但仍然存在著一些技術(shù)上的難題，比如，如何提高機(jī)器認(rèn)本體交互功能準(zhǔn)確性、智能性、靈活性，如何控制智能交互性和物理交互性的相互協(xié)調(diào)，以及如何保證機(jī)器人使用的安全性的問題等等。因此，人形交互式服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展應(yīng)以認(rèn)知互為前提，物理互為目的，并使兩者相互配合、相互協(xié)調(diào)。例如在觸覺傳感器感知外界環(huán)境特性（軟和硬），語(yǔ)音識(shí)別判斷交互需求的基礎(chǔ)上，機(jī)器人可進(jìn)行物理互時(shí)的柔順性控制。人形交互式服務(wù)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

（1）將傳統(tǒng)材料、結(jié)構(gòu)與仿生學(xué)材料、結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，提升機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。

（2）深入研究開發(fā)傳感器技術(shù)，提升傳感器精度，為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)提供基本技術(shù)基礎(chǔ)。

（3）深入研究柔順性技術(shù)，并由剛性結(jié)構(gòu)向剛性結(jié)構(gòu)與柔性結(jié)構(gòu)相結(jié)合的一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展。

（4）通過開發(fā)新型材料和控制技術(shù)來減小碰撞對(duì)安全性問題的不利影響。

相信隨著理論水平的不斷提高和關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新開發(fā)，上述問題會(huì)得到一一解決，人形交互式服務(wù)機(jī)器人的整體性能將更加全面，工作效率將進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)

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篇（7）

【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009―8097(2009)07―0138―02

一 前言

近年來,我國(guó)的機(jī)器人教育有了很大的發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)課程逐步成為高校綜合性實(shí)踐課程[1]。在傳統(tǒng)的教學(xué)方法中,我國(guó)機(jī)器人教育普遍存在著重視知識(shí)傳授、輕視能力培養(yǎng),重視理論教學(xué)、輕視實(shí)踐環(huán)節(jié)的問題,使得學(xué)生只滿足于死記硬背知識(shí)點(diǎn),沒有注重學(xué)生獨(dú)立動(dòng)手能力、綜合分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)[2]。

在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)方面,機(jī)器人課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本上是圍繞基礎(chǔ)理論的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),缺少設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn),不能給學(xué)生提供一個(gè)創(chuàng)新意識(shí)自由發(fā)揮的空間。學(xué)生很少有機(jī)會(huì)進(jìn)行思考和創(chuàng)意,創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新潛能無(wú)法得到充分的培養(yǎng)[3]。

因此,對(duì)機(jī)器人技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索是非常必要的,而德國(guó)慧魚模型的出現(xiàn),為機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了良好的載體。

二 慧魚模型簡(jiǎn)介

慧魚模型是由德國(guó)發(fā)明家Arthur Fischer博士在1964年從其專利“六面拼接體”的基礎(chǔ)上發(fā)明的[3-4]。慧魚模型是由機(jī)械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、傳感器、氣動(dòng)構(gòu)件、電腦控制器及軟件所組成的系統(tǒng)[5];模型采用模塊式設(shè)計(jì),可無(wú)限擴(kuò)充,可反復(fù)拆裝;產(chǎn)品系統(tǒng)化,種類多樣化,可逼真地表現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)成和控制過程及科學(xué)原理,便于對(duì)機(jī)器人原理、組成、控制的全面認(rèn)識(shí);以機(jī)械傳動(dòng)為核心,融傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)為一體的教學(xué)及仿真模型。該智能模型能夠展示科學(xué)原理和技術(shù)過程,緊密聯(lián)系研究設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐過程,不斷創(chuàng)新,不斷發(fā)展,學(xué)生可以通過自己動(dòng)手搭建機(jī)械、氣動(dòng)、傳感器部件,熟悉并掌握機(jī)器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工作原理,并可在此基礎(chǔ)上利用PLC、計(jì)算機(jī)接口或單片機(jī)接口板進(jìn)行自動(dòng)控制,培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)交叉融合、用于解決具體問題的能力,同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力。該模型也代表了高科技的許多領(lǐng)域,受到國(guó)內(nèi)外各地教育工作者的關(guān)注和思考。

三 慧魚模型在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用方案

東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院2006年購(gòu)進(jìn)慧魚模型,建立機(jī)器人創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)室。結(jié)合機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)安排與慧魚模型的特點(diǎn),將機(jī)器人實(shí)驗(yàn)在內(nèi)容上分為以下五部分:機(jī)器人技術(shù)入門實(shí)驗(yàn)、移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、氣動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)和工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為必選和選修兩部分內(nèi)容,將機(jī)器人入門實(shí)驗(yàn)列為必選實(shí)驗(yàn),機(jī)器人基本的實(shí)驗(yàn)原理、編程及控制方法在必選實(shí)驗(yàn)中得到訓(xùn)練,使學(xué)生了解慧魚機(jī)器人的制作與控制過程,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí);將難度較大的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、氣動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)列為選修實(shí)驗(yàn),學(xué)生可根據(jù)興趣進(jìn)行選擇,通過對(duì)各種專用機(jī)器人的制作與控制,進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí),提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)的完成過程大致按三個(gè)階段進(jìn)行:首先是模仿學(xué)習(xí)階段,學(xué)生通過對(duì)提供的資料、圖片、教具進(jìn)行觀察、研究和琢磨,進(jìn)行自主的學(xué)習(xí)模仿性實(shí)驗(yàn),獲取大量感性認(rèn)識(shí),根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的提示制作慧魚機(jī)器人,學(xué)習(xí)各種經(jīng)典的機(jī)構(gòu)組合方式,結(jié)合電腦語(yǔ)言編程,對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行編程和控制;第二階段是改進(jìn)階段,在已制作好的機(jī)器人基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),使之實(shí)現(xiàn)更多地動(dòng)作,培養(yǎng)想象力和創(chuàng)造力;第三階段是創(chuàng)新階段。擺脫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的束縛,創(chuàng)造出具有新的機(jī)構(gòu)和功能的機(jī)器人。

四 移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)創(chuàng)意組合實(shí)踐

如何利用慧魚模型進(jìn)行機(jī)器人的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),如何能使學(xué)生的創(chuàng)意得到很好的發(fā)揮,是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程之前值得認(rèn)真思考的問題。東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)機(jī)器人創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)室通過實(shí)施模仿、改進(jìn)和創(chuàng)新三個(gè)階段,完成慧魚模型組合的三個(gè)過程,取得了良好的實(shí)踐效果。下面以移動(dòng)機(jī)器人創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)為例,介紹慧魚模型在進(jìn)行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的實(shí)踐過程:

1 基本知識(shí)的準(zhǔn)備。首先引導(dǎo)學(xué)生熟悉慧魚模型的各個(gè)模塊功能,復(fù)習(xí)機(jī)器人技術(shù)、傳感器、微機(jī)原理和Robo Pro編程等一些基本知識(shí),為進(jìn)行機(jī)器人創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

2 主要實(shí)驗(yàn)器材的準(zhǔn)備。各實(shí)驗(yàn)小組準(zhǔn)備慧魚移動(dòng)機(jī)器人組合包一套、慧魚專用電源一套、PC機(jī)一臺(tái)、Robo Pro軟件一套、智能接口電路板一塊。

3 題目擬定。起初學(xué)生對(duì)慧魚模型不了解,首先由老師確定題目:運(yùn)行小車。采用兩個(gè)傳感器檢測(cè)所行距離,含有一個(gè)接觸開關(guān)和一個(gè)脈沖齒輪,脈沖齒輪連接到電機(jī)的減速軸上,使得電機(jī)開關(guān)啟動(dòng)四次。要求學(xué)生通過計(jì)算所有脈沖邊沿,使運(yùn)行小車能夠?qū)崿F(xiàn)以邊長(zhǎng)為一米的正方形軌跡行走功能。該題目集機(jī)、電、控制、傳感技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)為一體,構(gòu)思與組裝具有一定的創(chuàng)意。

4 方案的改進(jìn)階段。在運(yùn)行小車制作完成之后,啟發(fā)學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),制作一個(gè)類似于工廠AGV車的追蹤軌跡機(jī)器人。學(xué)生通過了解AGV小車的運(yùn)行原理,采用黑色膠帶作為軌跡,車身下安裝光電傳感器,當(dāng)傳感器反射出黑線,馬達(dá)就會(huì)做出相應(yīng)的反應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)過程中,應(yīng)注意軌跡的轉(zhuǎn)彎不能太急,否則機(jī)器人會(huì)出現(xiàn)因看不到軌跡而頻繁偏離軌跡的現(xiàn)象。同時(shí),為了保證傳感器功能的準(zhǔn)確性,應(yīng)保證軌跡有足夠的亮度。

5 方案的創(chuàng)新階段。要求學(xué)生開動(dòng)腦筋,依據(jù)自己的想法組合出新的移動(dòng)小車。有的同學(xué)根據(jù)追蹤軌跡機(jī)器人的運(yùn)行原理,又增加了新的功能,設(shè)計(jì)出尋光避障機(jī)器人,該機(jī)器人將尋光和避障的功能結(jié)合起來。首先,機(jī)器人尋找光源,發(fā)現(xiàn)光源,進(jìn)行跟蹤,如果探測(cè)到妨礙其前進(jìn)的障礙物,識(shí)別障礙的功能將開始起作用,當(dāng)障礙全部掃光,機(jī)器人繼續(xù)尋找光源前進(jìn)。該方案將進(jìn)行尋光功能的光電傳感器連接到兩個(gè)輸入端,當(dāng)模型向左右旋轉(zhuǎn)時(shí),采用接觸傳感器計(jì)算脈沖。該任務(wù)主要分成三部分:檢測(cè)機(jī)器人是否看到光源(子程序Light),檢測(cè)機(jī)器人是否碰到障礙(子程序Obstacle),機(jī)器人鑒于上述判斷功能的相應(yīng)反應(yīng)動(dòng)作(子程序Driving)。該方案的完成不僅鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手技能,同時(shí)訓(xùn)練了學(xué)生“自頂而下”的編程思想,收到良好的效果。

五 應(yīng)用慧魚模型進(jìn)行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)的收獲

通過利用慧魚模型進(jìn)行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,得出一些收獲與經(jīng)驗(yàn):

1 由于慧魚模型的自身特點(diǎn),通過模型的搭建和組裝,提供了一種特殊的學(xué)習(xí)模式,即一邊動(dòng)手制作,一邊學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí),在機(jī)器人制作過程中,每時(shí)每刻都會(huì)出現(xiàn)新的問題,明確的目標(biāo)激發(fā)學(xué)生主動(dòng)去尋找答案,培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、解決實(shí)際問題能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。而且,由于慧魚模型要求學(xué)生完成創(chuàng)意設(shè)計(jì),許多內(nèi)容超出教材甚至超出教師的知識(shí)范圍,因此必然敦促教師自身的再學(xué)習(xí)和提高。有了教學(xué)實(shí)踐中師生共同探討問題的經(jīng)歷,學(xué)生有問題愿意找老師答疑和探討,可形成一種互相學(xué)習(xí)、互相促進(jìn)的新型師生關(guān)系。

2 在進(jìn)行慧魚模型的組裝和創(chuàng)意過程中,應(yīng)以學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐為主,教師為輔。教師不要過多地干預(yù)學(xué)生的思維,給學(xué)生充分思考和創(chuàng)新的空間,盡量創(chuàng)造一個(gè)使學(xué)生的潛能得以充分發(fā)揮的環(huán)境,使學(xué)生的特長(zhǎng)得以展示,能力得以提高,而且逐漸養(yǎng)成“不墨守成規(guī),不拘泥于傳統(tǒng)”的思維習(xí)慣。

3 教師應(yīng)用最簡(jiǎn)潔的方法教會(huì)學(xué)生使用慧魚控制軟件,避免學(xué)生在軟件上遇到過多的障礙。由于實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)有限,教師應(yīng)將準(zhǔn)備工作做好做細(xì),將軟件的使用方法和要點(diǎn)提前向?qū)W生講授,使學(xué)生在軟件學(xué)習(xí)上不要花費(fèi)太多的時(shí)間,重點(diǎn)將程序編制中對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)放在程序的邏輯關(guān)系、時(shí)間分配和控制方法上。

4 加強(qiáng)慧魚零件的管理。慧魚模型在使用的過程中,普遍存在著一個(gè)問題:慧魚構(gòu)件種類繁多,形狀細(xì)小,容易出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)課中,如果構(gòu)件使用不當(dāng)或管理不嚴(yán),經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)損失和丟失構(gòu)件的現(xiàn)象,而且有的構(gòu)件一套組合包中就只有一個(gè),在這種情況下,無(wú)法從廠家購(gòu)買一個(gè)或兩個(gè)單獨(dú)的構(gòu)件,可能會(huì)出現(xiàn)為購(gòu)買一個(gè)構(gòu)件而需要購(gòu)買整套模型的現(xiàn)象。因此,在進(jìn)行慧魚創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)課之前,應(yīng)思考如何有效地管理慧魚構(gòu)件的問題。

六 結(jié)語(yǔ)

在應(yīng)用慧魚模型進(jìn)行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,學(xué)生將綜合應(yīng)用到機(jī)械原理、氣動(dòng)技術(shù)、電子電路、測(cè)試及控制和軟件編程等知識(shí),而且慧魚模型的組建沒有特定的標(biāo)準(zhǔn)答案和固定的模式,不受教材制約,不需要反復(fù)記憶和練習(xí),因而學(xué)生完全在一個(gè)開放性的環(huán)境中進(jìn)行自主式的探索和研究,鼓勵(lì)學(xué)生積極思考,開創(chuàng)學(xué)生之間、師生之間進(jìn)行平等討論的良好環(huán)境,可建立自主學(xué)習(xí)的研究氣氛和學(xué)習(xí)方法。因此,通過采用慧魚模型對(duì)目前機(jī)器人技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行改革,可以體現(xiàn)“以學(xué)生發(fā)展為本,以能力發(fā)展為主”的現(xiàn)代教育理念,是一條探索培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑。

參考文獻(xiàn)

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[2]萬(wàn)佑紅,蔣國(guó)平.機(jī)器人教育與大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(4):6-8.

篇（8）

關(guān)鍵詞：

10kV配電線路；帶電搶修；機(jī)器人實(shí)用化

對(duì)傳統(tǒng)的10kV配電線路搶修作業(yè)進(jìn)行分析可知，其不僅需要全線停電，而且還需人為檢查線路故障，在增加維修成本的同時(shí)，也為地區(qū)人們的生活帶來了較大不便。基于此，將10kV配電線路帶電搶修作業(yè)機(jī)器人引入線路的故障處理過程中，確保供電持續(xù)性的基礎(chǔ)上，提高線路搶修的可靠性和安全性，具體設(shè)計(jì)如下。

1帶電搶修機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成

對(duì)帶電搶修機(jī)器人進(jìn)行分析可知，其主要包括了整體作業(yè)平臺(tái)、折疊伸縮絕緣手臂以及移動(dòng)汽車和控制裝置等部分，其中，整體作業(yè)平臺(tái)主要由絕緣斗以及機(jī)械手臂絕緣子支承和機(jī)器人操作系統(tǒng)構(gòu)成，其功能主要是為搶修人員提供作業(yè)平臺(tái)[1]。折疊伸縮絕緣手臂設(shè)定在移動(dòng)汽車底盤，主要任務(wù)將運(yùn)送機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)至線路作業(yè)的具置。移動(dòng)汽車主要負(fù)責(zé)運(yùn)送其他三部分到具體故障地點(diǎn)進(jìn)行線路搶修，而控制裝置則主要由上、下兩部分組成，其中，上部控制裝置位于機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)中，具有全方位操作手柄，實(shí)現(xiàn)絕緣斗內(nèi)部的流暢操作，下部控制裝置則位于回轉(zhuǎn)塔處，設(shè)有上部控制裝置切換按鈕，實(shí)現(xiàn)上下兩部分控制裝置的功能切換。

2主從操作液壓機(jī)械臂及控制系統(tǒng)

主從操作液壓機(jī)械手臂是10kV配電線路帶電搶修機(jī)器人的核心，其主要作用是將作業(yè)人員同高壓電場(chǎng)進(jìn)行分離，幫助搶修人員完成作業(yè)任務(wù)，故其應(yīng)具備精度高、持重大以及自重小和實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。對(duì)其各部分構(gòu)成進(jìn)行如下說明：（1）液壓機(jī)械臂。液壓機(jī)械臂自重較輕且持重較大，具有良好的動(dòng)力特性，操作靈活便捷，通過操控主手臂實(shí)現(xiàn)專用工具的夾持功能，以完成帶電作業(yè)任務(wù)；（2）主手。主手的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與液壓機(jī)械臂相同，主要功能為實(shí)現(xiàn)對(duì)從臂各關(guān)節(jié)位置的伺服控制，由于主手的各個(gè)關(guān)節(jié)處大都具有較高精度的旋轉(zhuǎn)電位計(jì)與力矩電機(jī)，故能夠幫助操作者獲得最大的操作舒適性，提高對(duì)液壓機(jī)械手臂的控制效率和精度；（3）液壓供油單元。液壓供油單元是帶電搶修作業(yè)機(jī)器人液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，而為了避免其靈敏度受到油損影響，必須對(duì)液壓油進(jìn)行過濾處理，處理要求為：流量11L/min；壓力：10.3-20.6MPa，液壓油清潔度為3-25maf；（4）主從控制系統(tǒng)。主從控制系統(tǒng)是液壓機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)搶修動(dòng)作的關(guān)鍵，位于絕緣斗中的操作人員左右兩手分別操控左右兩主手，使其克服各關(guān)節(jié)力矩和電機(jī)阻力進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，位于左右兩主手的各關(guān)節(jié)電位計(jì)把發(fā)生在各關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并傳送至左右微控制器中，微控制器經(jīng)由光纖將信號(hào)傳至左右液壓伺服控制盒，在伺服控制盒的作用下，旋轉(zhuǎn)角度的電壓信號(hào)將實(shí)現(xiàn)對(duì)左右機(jī)械臂伺服閥的控制，從而變更進(jìn)入從手中各個(gè)關(guān)節(jié)的液壓流量，向左右手臂各個(gè)關(guān)節(jié)施加驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)[2]。

310kV配電線路搶修作業(yè)機(jī)器人專用作業(yè)工具

3.1自動(dòng)剝皮工具考慮到現(xiàn)有10kV架空導(dǎo)線長(zhǎng)期在外，受外部環(huán)境影響嚴(yán)重，外層絕緣層難以剝除，從而增加線路搶修的難度，而以人工操作為主的線路搶修不僅絕緣防護(hù)較差，而且效率較低，安全性較差。因此，所設(shè)計(jì)的10kV線路帶電搶修機(jī)器人的自動(dòng)剝皮器需要具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高和作業(yè)效率高等相關(guān)特點(diǎn)。設(shè)計(jì)由直流減速電機(jī)、連桿、曲柄、搖桿以及棘爪、棘輪和刀頭等構(gòu)成的作業(yè)機(jī)器人自動(dòng)剝皮工具，在實(shí)驗(yàn)室搭設(shè)加工導(dǎo)線，并現(xiàn)場(chǎng)模擬自動(dòng)剝皮功能，此類機(jī)器人自動(dòng)剝皮工具不僅能夠?yàn)闄C(jī)械手的夾持操作提供便利，而且其壓線也極為牢固，有利于其自動(dòng)剝皮功能的實(shí)現(xiàn)[3]。

3.2自動(dòng)電動(dòng)扳手對(duì)電動(dòng)扳手進(jìn)行分析可知，其在10kV配電線路帶電搶修過程中具有緊固螺母和夾緊線夾的作用，其主要分為安全離合器式與沖擊式兩種類型，其中，安全離合器式電動(dòng)扳手以一種手臂達(dá)到力矩時(shí)便脫扣的安全離合機(jī)的結(jié)構(gòu)完成對(duì)螺紋件的裝拆，而沖擊式電動(dòng)扳手則與沖擊力力矩完成螺紋件的裝卸。將自動(dòng)電動(dòng)扳手引入帶電作業(yè)的機(jī)器人中不僅有利于加持操縱，而且經(jīng)改造后，其還可以用于扭轉(zhuǎn)M8-M14的標(biāo)準(zhǔn)螺栓，并實(shí)現(xiàn)遙控控制。在工作頭方面，選用柔性導(dǎo)向扳套，其開口形狀同固定螺栓頭尼龍導(dǎo)向柱相匹配，從而在緊固螺栓的過程中，便于其工作頭與豎直方向的六角螺栓頭相對(duì)準(zhǔn)，提高操作精度[4]。

3.3自動(dòng)破螺母與電動(dòng)斷線鉗對(duì)于10kV高壓線路中已生銹或是無(wú)法拆卸的螺母，應(yīng)以電動(dòng)破螺母為主要工具進(jìn)行操作，其主要由電動(dòng)機(jī)、傳功機(jī)構(gòu)以及工作頭、電源開關(guān)和外殼、手柄、電池等相關(guān)部件構(gòu)成。電動(dòng)破螺母將高能量電池作為其主要?jiǎng)恿碓矗粌H重量較輕，而且對(duì)于輸配電桿塔的高空作業(yè)也具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。通常，自動(dòng)破螺母工具設(shè)計(jì)較為緊湊，且使用較為便利能夠?qū)ζ坡菽傅拇笮∮枰哉{(diào)節(jié)，從而以360°可旋轉(zhuǎn)工作頭支持機(jī)器人不同破螺母作業(yè)角度的運(yùn)轉(zhuǎn)。在電動(dòng)斷線鉗方面，其主要由電動(dòng)機(jī)、傳功機(jī)構(gòu)以及工作頭、電源開關(guān)和外殼、手柄等部分構(gòu)成，電動(dòng)斷線鉗的使用應(yīng)以?shī)A持操縱的便利性為主，并在斷線鉗工具中設(shè)計(jì)專門的機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)，并將控制盒置于電動(dòng)斷線鉗傳統(tǒng)部分的尾部，從而實(shí)現(xiàn)斷線鉗的遠(yuǎn)程遙控。

3.4絕緣防護(hù)絕緣防護(hù)是確保機(jī)器人能否正常作業(yè)的基礎(chǔ)和前提。多數(shù)情況下，應(yīng)采用多級(jí)絕緣防護(hù)系統(tǒng)確保機(jī)器人和操作人員的安全，其中，一級(jí)防護(hù)下，平臺(tái)由纏有環(huán)氧玻璃布的絕緣鋼結(jié)構(gòu)支架進(jìn)行焊接而成，并在底部粘有絕緣環(huán)氧玻璃板，并將絕緣套予以外包，避免相間短路情況發(fā)生。二級(jí)防護(hù)下，機(jī)器人的帶電作業(yè)依賴絕緣斗臂車為操作人員提供對(duì)絕緣防護(hù)，確保操作人員安全；三級(jí)防護(hù)下，位于絕緣斗中的操作人員對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，使其夾持專業(yè)工具進(jìn)行高壓線路作業(yè)，確保操作人員的人身安全。在帶電搶修機(jī)器人作業(yè)方面，2013年在黑龍江電力公司10kV配電線路中進(jìn)行多次上線運(yùn)行與下線測(cè)試，在現(xiàn)場(chǎng)的多次調(diào)試與系統(tǒng)優(yōu)化后，作業(yè)機(jī)器人各項(xiàng)功能均得到了良好改善，黑龍江電力公司帶電作業(yè)班多次應(yīng)用帶電機(jī)器人對(duì)省內(nèi)10kV高壓電線路進(jìn)行搶修作業(yè)，較好地完成了剝皮、加蓋遮蔽罩以及接線和斷線等工作。

4結(jié)束語(yǔ)

文章通過對(duì)帶電搶修機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行闡述，并對(duì)帶電搶修作業(yè)機(jī)器人液壓機(jī)械臂構(gòu)成及其控制系統(tǒng)原理予以說明，分別從自動(dòng)剝皮、自動(dòng)電動(dòng)扳手、自動(dòng)破螺母與電動(dòng)斷線鉗和絕緣防護(hù)等方面對(duì)10kV配電線路搶修作業(yè)機(jī)器人專用作業(yè)工具做出了系統(tǒng)探究。研究結(jié)果表明，10kV配電線路搶修作業(yè)機(jī)器人能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)10kV線路的各類優(yōu)化作業(yè)，具有良好的使用和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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篇（9）

AGV是自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（Automated Guided Vehicle）的英文縮寫。在國(guó)內(nèi)電力領(lǐng)域已經(jīng)開始研制變電站自動(dòng)巡檢機(jī)器人，這種機(jī)器人系統(tǒng)一般主要有移動(dòng)機(jī)器人本體、自動(dòng)控制系統(tǒng)、信息檢測(cè)系統(tǒng)等部分。其采用了GPS定位、光碼盤校正定位、激光雷達(dá)掃描、路徑跟蹤技術(shù)、本體控制技術(shù)、臨場(chǎng)感應(yīng)遙控輔助、無(wú)線通信局域網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)劃分出相應(yīng)的子系統(tǒng)模塊，實(shí)現(xiàn)了自控機(jī)器人在變電站現(xiàn)場(chǎng)自主巡檢的功能。機(jī)器人本體能夠攜帶多種儀器和傳感器，以自主或遙控的方式，代替人對(duì)室外高壓設(shè)備進(jìn)行巡測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的內(nèi)部熱缺陷、外部機(jī)械或電氣問題如：異物、損傷、發(fā)熱、漏油等，診斷電力設(shè)備運(yùn)行中的事故隱患和故障先兆，對(duì)設(shè)備熱缺陷，聲音異常、移動(dòng)目標(biāo)、人與動(dòng)物闖入，煙霧能自動(dòng)判斷和報(bào)警，以便及時(shí)采取措施消除事故隱患。AGV 的導(dǎo)引技術(shù)是AGV 控制的核心技術(shù)，它決定了AGV 的導(dǎo)引方式。AGV 導(dǎo)引方式按導(dǎo)引線路的形式主要分固定路徑導(dǎo)引和自由路徑導(dǎo)引兩大類。固定路徑導(dǎo)引是在行駛的路徑上設(shè)置導(dǎo)引用的信息媒介物，AGV 通過車體上的傳感器檢測(cè)出它的信息而得到導(dǎo)引。具體的線路可以是電磁感應(yīng)方式中的導(dǎo)引電纜、機(jī)械方式中的軌道、磁導(dǎo)引方式中的磁條及光導(dǎo)引方式中的反光帶等。自由路徑導(dǎo)引方式是指AGV 上存儲(chǔ)著布局上的尺寸坐標(biāo)，通過識(shí)別車體當(dāng)前方位，自主地決定行駛路徑。自由路徑導(dǎo)引方式主要有慣性導(dǎo)引、信標(biāo)定位、位姿積算及計(jì)算機(jī)視覺等幾種。

一、導(dǎo)引方式

（一）電磁導(dǎo)引方式。利用電磁感應(yīng)的原理，在沿運(yùn)行線路的地面上設(shè)置一條寬約8mm、深約20mm 的淺溝，淺溝中敷設(shè)導(dǎo)線，饋以5-30kHz 的交變電流，以形成沿導(dǎo)線擴(kuò)展的交變電磁場(chǎng)，車上的撿拾傳感器接收此信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)度的判斷使車輛正確地沿埋線跟蹤導(dǎo)向運(yùn)行。電磁導(dǎo)向有單頻制導(dǎo)向和多頻制導(dǎo)向兩種方式。單頻制方式是在整個(gè)線路上均提供單一頻率振蕩電磁信號(hào)，通過接通或斷開各線路段的饋送電流來規(guī)定運(yùn)行線路，引導(dǎo)車輛運(yùn)行。這種導(dǎo)向方式要求有集中的控制站，并在各線路交叉和分支處裝設(shè)傳感標(biāo)志（如磁鐵等）和分支線段的通斷接口。多頻制方式是線路中每個(gè)環(huán)線或分支線都設(shè)置自己的線路頻率，分別由不同頻率的振蕩器來饋電。

（二）光學(xué)控制帶導(dǎo)引方式。光學(xué)導(dǎo)向系統(tǒng)有識(shí)別式和反射式兩種。它是在線路上敷設(shè)一種具有穩(wěn)定反光率的專門漆帶。導(dǎo)向車上裝備有發(fā)射和接收功能的紅外光源，用以照射漆帶，同時(shí)還設(shè)有接收反射光的光電傳感器，均勻分布在漆帶及兩側(cè)位置上，通過對(duì)由傳感器檢測(cè)到的光信號(hào)進(jìn)行比較計(jì)算，調(diào)整小車的運(yùn)動(dòng)方向，從而達(dá)到導(dǎo)向運(yùn)行的目的。

（三）激光測(cè)距與測(cè)角導(dǎo)引方式。該方法的主要特點(diǎn)是在AGV 行走空間的特定位置處，布置一批激光光束的反射鏡模型計(jì)算AGV 的位置，實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)。AGV 行駛過程中，車上的激光掃描頭不斷地掃描周圍環(huán)境，當(dāng)掃描到行駛路徑周圍預(yù)先垂直設(shè)定好的反射板時(shí)，即“看見”了“路標(biāo)”。只要掃描到三個(gè)或三個(gè)以上的反射板，即可根據(jù)它們的坐標(biāo)值，以及各塊反光板相對(duì)于車體縱向軸的方位角，由定位計(jì)算機(jī)算出AGV 當(dāng)前在全局坐標(biāo)系中的X 、Y 坐標(biāo)，距離和當(dāng)前行駛方向與該坐標(biāo)系X 軸的夾角，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位和定向。該導(dǎo)引方法的特點(diǎn)是，當(dāng)提供了足夠多反射鏡面和寬闊的掃描空間后，AGV 導(dǎo)引與定位精度十分高，地面無(wú)需其他輔助定位，且路徑靈活，適合多種環(huán)境。

（四）超聲波制導(dǎo)方式。該方法類似于激光測(cè)量方法，不同之處在于不需要設(shè)置專門的反射鏡面，而是利用一般的墻面或類似物體就能進(jìn)行引導(dǎo)，因而在特定環(huán)境下提供了更大的柔性和低成本的方案。

（五） 磁導(dǎo)引方式。這種方式和電磁導(dǎo)引比較類似，只是把導(dǎo)引線換成磁條。

（六） 視覺導(dǎo)引方式。視覺導(dǎo)引是通過CCD 攝像機(jī)生成AGV 周圍場(chǎng)景的圖象，與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的環(huán)境地圖進(jìn)行特征匹配，從而可以確定出車體的當(dāng)前位姿。

（七） GPS導(dǎo)引方式。GPS導(dǎo)引方式通過全球定位系統(tǒng)對(duì)非固定路面系統(tǒng)中的控制對(duì)象進(jìn)行跟蹤和制導(dǎo)。

AGV有以上多種制導(dǎo)原理，其中，工廠AGV 大多采用電磁制導(dǎo)，而激光、視覺導(dǎo)航具有引導(dǎo)柔性好、工作可靠和智能化水平高的特點(diǎn)，已成為技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)越AGV 的發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)室一般采用光學(xué)制導(dǎo)，其運(yùn)行范圍大，運(yùn)行精度高，地面費(fèi)用低，但要求工作環(huán)境清潔，不適于工作條件比較惡劣的環(huán)境。

二、系統(tǒng)構(gòu)成和意義

AGV控制系統(tǒng)中的三個(gè)主要技術(shù)：導(dǎo)航、路徑規(guī)劃和導(dǎo)引控制。為了能夠解決好這些問題，控制系統(tǒng)分為地面（上位）控制系統(tǒng)、車載（單機(jī)）控制系統(tǒng)及導(dǎo)航/導(dǎo)引系統(tǒng)，其中，地面控制系統(tǒng)指AGV系統(tǒng)的固定設(shè)備，主要負(fù)責(zé)任務(wù)分配，車輛調(diào)度，路徑（線）管理，交通管理，自動(dòng)充電等功能；車載控制系統(tǒng)在收到上位系統(tǒng)的指令后，負(fù)責(zé)AGV的導(dǎo)航計(jì)算，導(dǎo)引實(shí)現(xiàn)，車輛行走，裝卸操作等功能；導(dǎo)航/導(dǎo)引系統(tǒng)為AGV單機(jī)提供系統(tǒng)絕對(duì)或相對(duì)位置及航向等。該系統(tǒng)的研制將大大降低電廠變電站相關(guān)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，能在第一時(shí)間監(jiān)測(cè)和發(fā)現(xiàn)安全隱患，對(duì)突發(fā)事故能第一時(shí)間響應(yīng)并處置，從而避免或降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉菁.磁導(dǎo)式AGV控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D]武漢理工大學(xué) ， 2006 .

篇（10）

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；轉(zhuǎn)臺(tái)；開放性

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）24-0267-02

一、機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問題

高校機(jī)器人課程是一門多學(xué)科綜合交叉的邊緣學(xué)科。隨著中國(guó)制造的產(chǎn)業(yè)化升級(jí)和“中國(guó)制造2025”政策的，對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域的專業(yè)人才需求量越來越大，機(jī)器人教學(xué)應(yīng)當(dāng)積極應(yīng)對(duì)這一變化，順勢(shì)而為。針對(duì)高校機(jī)器人課程教學(xué)中存在的問題，已有很多相關(guān)的研究和探索，旨在改進(jìn)課程教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。然而，機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然存在諸多問題，包括實(shí)驗(yàn)儀器開發(fā)、實(shí)驗(yàn)方法研究和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等，僅靠教學(xué)人員或?qū)嶒?yàn)人員均無(wú)法獨(dú)立解決。筆者多年從事機(jī)器人教學(xué)和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：首先，組成機(jī)器人的機(jī)械、控制和感知系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的知識(shí)內(nèi)容相互孤立；其次，機(jī)器人教學(xué)、科研和應(yīng)用開發(fā)等用途之間相互孤立。二者分別對(duì)應(yīng)微觀、宏觀兩個(gè)層面的“孤島效應(yīng)”，制約了學(xué)生對(duì)機(jī)器人課程關(guān)鍵知識(shí)的理解和吸收，無(wú)法形成完整的閉環(huán)。現(xiàn)有的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器存在功能、開放程度、與課程體系的結(jié)合程度等方面的不足，無(wú)法滿足新形勢(shì)下機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。為此，自主研制了一款開放式可升降雙軸隨動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)。該轉(zhuǎn)臺(tái)獲得了安徽省首屆高等學(xué)校自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備展評(píng)活動(dòng)一等獎(jiǎng)和第四屆全國(guó)高等學(xué)校自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備評(píng)選活動(dòng)三等獎(jiǎng)。

二、開放式可升降雙軸隨動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的研制

該轉(zhuǎn)臺(tái)是一款由可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制的三自由度云臺(tái)，由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。通過在轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝視覺傳感器，可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)與跟蹤。

1.機(jī)械系統(tǒng)。由升降、偏航和俯仰機(jī)構(gòu)組成。升降機(jī)構(gòu)使用電動(dòng)缸帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)在豎直方向上直線移動(dòng)。偏航、俯仰機(jī)構(gòu)使用直流伺服電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速和同步帶傳動(dòng)后，分別繞豎直、水平轉(zhuǎn)軸做回轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在水平轉(zhuǎn)軸上安裝了視覺傳感器，通過轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多視角圖像采集。

2.控制系統(tǒng)。底層控制器為西門子S7-1214 PLC及其擴(kuò)展模塊，用于進(jìn)行電機(jī)控制、編碼器數(shù)據(jù)采集和輸入輸出控制等。上位機(jī)使用筆記本電腦，用于進(jìn)行視覺傳感器圖像采集與處理、以及三自由度運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)計(jì)算。為了跟蹤運(yùn)動(dòng)物體的方位，使其始終處于圖像中心位置，使用插補(bǔ)算法，計(jì)算每個(gè)自由度的關(guān)節(jié)變量。最后，通過以太網(wǎng)通信，將計(jì)算值傳遞給PLC，控制轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并返回編碼器數(shù)據(jù)。為了便于調(diào)試，分別使用電子手輪、無(wú)線遙控手柄進(jìn)行精確、粗略手動(dòng)控制，并使用觸摸屏進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該轉(zhuǎn)臺(tái)既是教學(xué)、科研實(shí)驗(yàn)臺(tái)，同時(shí)也是一款具有實(shí)用價(jià)值的機(jī)電產(chǎn)品。

三、轉(zhuǎn)臺(tái)在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

為了配合機(jī)器人本科課程教學(xué)，結(jié)合開放式可升降雙軸隨動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的功能和特點(diǎn)，開展了以下機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

1.底層運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。使用PLC進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)的底層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，繪制電氣控制原理圖。使用順序控制設(shè)計(jì)法，編寫相應(yīng)的控制程序，進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。學(xué)習(xí)用于控制步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)的PLC程序設(shè)計(jì)及相關(guān)運(yùn)動(dòng)功能模塊。進(jìn)行電機(jī)的位置、速度控制實(shí)驗(yàn)和PID參數(shù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的手動(dòng)輸入裝置和人機(jī)交互裝置。

2.傳感器實(shí)驗(yàn)。內(nèi)部傳感器實(shí)驗(yàn)：使用光電編碼器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)角。利用PLC的高速脈沖輸入端口和程序中的高速脈沖計(jì)數(shù)器，進(jìn)行升降、偏航和俯仰電機(jī)對(duì)應(yīng)的編碼器脈沖數(shù)據(jù)采集和處理。另外，為了精確測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)每個(gè)轉(zhuǎn)軸的零點(diǎn)位置，通過增加使用增量式光編碼器，檢測(cè)編碼器的Z信號(hào)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的零點(diǎn)檢測(cè)程序，進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)回零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。外部傳感器實(shí)驗(yàn)：使用視覺傳感器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體測(cè)量。在轉(zhuǎn)臺(tái)的U形架上安裝視覺傳感器，使用筆記本電腦進(jìn)行圖像采集和處理，進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺算法實(shí)驗(yàn)，包括物體顏色識(shí)別、邊緣輪廓提取和中心位置提取等，從而檢測(cè)視角范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)物體的位置。

3.機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)。研究機(jī)器視覺算法和多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)與跟蹤實(shí)驗(yàn)。多軸協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)：在使用手動(dòng)方式控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，升降、偏航、俯仰運(yùn)動(dòng)各自獨(dú)立進(jìn)行。為了讓轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝的傳感器或末端執(zhí)行器能夠在三維空間中任意運(yùn)動(dòng)，在筆記本電腦上進(jìn)行軟件編程，協(xié)調(diào)控制升降、偏航和俯仰電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。分別進(jìn)行雙軸旋轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)控制和三軸協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)控制。運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)與跟蹤實(shí)驗(yàn)：將具有顯著顏色或幾何形狀特征的物體放在轉(zhuǎn)臺(tái)前方，通過手拿該物體任意運(yùn)動(dòng)，使用視覺傳感器檢測(cè)該物體，計(jì)算該物體的位置和運(yùn)動(dòng)速度，然后使用插補(bǔ)算法計(jì)算轉(zhuǎn)臺(tái)每個(gè)轉(zhuǎn)軸的角度。將轉(zhuǎn)臺(tái)每個(gè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速信號(hào)通過以太網(wǎng)傳送給底層控制器，由PLC分別控制轉(zhuǎn)臺(tái)的每個(gè)轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，從而使視覺傳感器始終對(duì)準(zhǔn)該運(yùn)動(dòng)物體的中心位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤功能。上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：在筆記本電腦上進(jìn)行Windows程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行檢測(cè)、路徑規(guī)劃和插補(bǔ)計(jì)算，通過以太網(wǎng)通信將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給底層控制器，并返回編碼器測(cè)量值，監(jiān)控轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。設(shè)計(jì)圖形化軟件界面，模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的三維動(dòng)態(tài)變化過程。本科生通過參加轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)，可以從系統(tǒng)的角度理解如何自動(dòng)控制機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)，并利用外部傳感器實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán)控制。本文設(shè)計(jì)的基于視覺傳感器的運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)與跟蹤，僅是轉(zhuǎn)臺(tái)的典型應(yīng)用示例。學(xué)生只要獲得底層運(yùn)動(dòng)控制器的通信接口規(guī)范，即可進(jìn)行不同用途的應(yīng)用開發(fā)。因此，該轉(zhuǎn)臺(tái)可以鍛煉學(xué)生的邏輯思維、系統(tǒng)性思維和發(fā)散思維能力，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

四、結(jié)論

針對(duì)機(jī)器人課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)性不強(qiáng)、聯(lián)系不緊密等問題，設(shè)計(jì)了一款開放式可升降雙軸隨動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，通過在轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝視覺傳感器，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)與跟蹤功能。該轉(zhuǎn)臺(tái)可以提供底層運(yùn)動(dòng)控制、傳感器實(shí)驗(yàn)和機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)，適用于本科生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有很好的開放性和推廣價(jià)值。

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篇（11）

摘要：針對(duì)智能科學(xué)與技術(shù)新興本科專業(yè)建設(shè)過程中缺乏能夠突出專業(yè)特色，體現(xiàn)課程內(nèi)容連貫性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題，提出“空地一體化多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制”智能化特色實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，介紹如何以引導(dǎo)學(xué)生通過分組協(xié)作的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)其對(duì)分布式部署的飛行與地面移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的控制、通信、規(guī)劃、協(xié)調(diào)等相關(guān)技術(shù)的了解與掌握。

關(guān)鍵詞 ：智能科學(xué)與技術(shù)；特色實(shí)驗(yàn)；機(jī)器人；空地一體化；多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制

基金項(xiàng)目：南開大學(xué)2014年新專業(yè)建設(shè)立項(xiàng)項(xiàng)目；南開大學(xué)2014年本科重點(diǎn)教學(xué)改革項(xiàng)目。

第一作者簡(jiǎn)介：王鴻鵬，男，副教授，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人技術(shù)，hpwang@nankai．edu．cn。

0 引言

“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)是一個(gè)新興的交叉學(xué)科專業(yè)，需要不斷完善專業(yè)建設(shè)和深化教學(xué)改革，既要注重加強(qiáng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，也要注重培養(yǎng)學(xué)生的特色專業(yè)能力，從而將學(xué)生的跨學(xué)科知識(shí)轉(zhuǎn)化為綜合實(shí)踐創(chuàng)新能力。

我們所探討的智能化特色實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是通過建設(shè)分布式部署的飛行與地面移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，構(gòu)建多機(jī)器人／多智能體協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組研發(fā)與實(shí)驗(yàn)，將智能技術(shù)、智能工程等課程中所講授的人工智能、機(jī)器視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能計(jì)算、復(fù)雜系統(tǒng)控制等內(nèi)容納入到本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，促進(jìn)專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容之間的有效銜接，啟發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究思維，提升技術(shù)研發(fā)能力。

1 智能化特色實(shí)驗(yàn)的開設(shè)時(shí)機(jī)

南開大學(xué)“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)始建于2005年，首屆本科生于2010年畢業(yè)。在10年發(fā)展歷程中，智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)借助于南開大學(xué)文理并重，基礎(chǔ)寬厚的學(xué)科優(yōu)勢(shì)，以及發(fā)展現(xiàn)代工學(xué)、突出應(yīng)用與創(chuàng)新的辦學(xué)特色，依托于計(jì)控學(xué)院自動(dòng)化與智能科學(xué)系、機(jī)器人與信息自動(dòng)化研究所、計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息安全系等單位，在課程體系設(shè)計(jì)、教材建設(shè)、專業(yè)實(shí)踐等方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，目前已培養(yǎng)出5個(gè)年級(jí)的具有光、機(jī)、電系統(tǒng)綜合知識(shí)、具備較強(qiáng)適應(yīng)能力、能夠在相應(yīng)領(lǐng)域從事科研、開發(fā)、管理工作的高級(jí)工程技術(shù)人才，學(xué)生畢業(yè)后去向較為理想。

在智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程體系方面，南開大學(xué)近年來將“智能技術(shù)”課程調(diào)整為“機(jī)器視覺”“機(jī)器智能”兩門專業(yè)必修課程，分別安排在二年級(jí)下學(xué)期與三年級(jí)上學(xué)期，在三年級(jí)下學(xué)期安排“智能工程”“機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論”專業(yè)必修課程，以及“智能移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)論”英文特色選修課程。

為加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)與擴(kuò)大學(xué)校的國(guó)際交流，從2013年開始南開大學(xué)實(shí)行夏季小學(xué)期，我們所設(shè)計(jì)與開展的“空地一體化多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制”實(shí)驗(yàn)已納入到開設(shè)于大三夏季小學(xué)期的“智能專業(yè)實(shí)踐”特色課程中，在4周時(shí)間里集中進(jìn)行。此時(shí)學(xué)生已經(jīng)掌握自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制論、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)相關(guān)課程與機(jī)器視覺、機(jī)器智能、智能工程、機(jī)器人學(xué)等智能專業(yè)特色課程知識(shí)，這些知識(shí)的學(xué)習(xí)與能力的訓(xùn)練為學(xué)生進(jìn)行智能化特色實(shí)驗(yàn)奠定了理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

“空地一體化多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制”實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟鰪?qiáng)學(xué)生對(duì)分布式部署的飛行與地面移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的控制、通信、規(guī)劃、協(xié)調(diào)等相關(guān)技術(shù)的了解與掌握。學(xué)生們可以將該實(shí)驗(yàn)課程所掌握的技術(shù)進(jìn)行延伸，既可以與“國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（國(guó)創(chuàng)）”“本科生創(chuàng)新科研百項(xiàng)工程（百項(xiàng)）”等大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目與“華為杯中國(guó)大學(xué)生智能設(shè)計(jì)大賽”等智能專業(yè)特色競(jìng)賽相結(jié)合，也可以在四年級(jí)繼續(xù)進(jìn)行智能系統(tǒng)方面的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的熱情。

2 智能化特色實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容設(shè)置

“空地一體化多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制”智能化特色實(shí)驗(yàn)主要由飛行與地面移動(dòng)機(jī)器人、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)組成。南開大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)利用2013年度新專業(yè)建設(shè)經(jīng)費(fèi)采購(gòu)了8臺(tái)地面移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，利用2014年度新專業(yè)建設(shè)經(jīng)費(fèi)采購(gòu)了14臺(tái)多旋翼無(wú)人機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基本上構(gòu)建起一套能夠支持40名本科學(xué)生分組研發(fā)、聯(lián)合調(diào)試的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

本試驗(yàn)中學(xué)生所要實(shí)現(xiàn)的協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)是由多個(gè)具有一定智能的自治機(jī)器人組成，機(jī)器人之間通過網(wǎng)絡(luò)通信的方式實(shí)現(xiàn)相互間的協(xié)作以完成聯(lián)合探索與建圖等復(fù)雜的任務(wù)。學(xué)生首先實(shí)現(xiàn)單個(gè)飛行或地面移動(dòng)機(jī)器人的飛行控制與視覺檢測(cè)，然后建立分布式多機(jī)器人系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，最后進(jìn)行多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，如圖1所示。

我們建議在開展實(shí)驗(yàn)時(shí)，每個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)安排2名學(xué)生，分別負(fù)責(zé)飛行控制與視覺檢測(cè)；通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共安排2名學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與程序開發(fā)；協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)安排2名學(xué)生進(jìn)行算法設(shè)計(jì)與程序開發(fā)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按照2個(gè)飛行機(jī)器人與2個(gè)地面移動(dòng)機(jī)器人的最簡(jiǎn)配置，可組織8名學(xué)生進(jìn)行聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，更多的學(xué)生也可以通過增加機(jī)器人數(shù)量、各小組增加人數(shù)的方式參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來。

2.1 飛行與地面移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)

移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)是智能專業(yè)本科生需要掌握的核心技術(shù)之一，本試驗(yàn)所選用的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)包括了多旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與輪式移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)器人均配備了網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)用于進(jìn)行圖像采集與視覺伺服。在飛行機(jī)器人方面選用了DJIS1000型8旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)與3DR-IRIS4型4旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)，兩種平臺(tái)有側(cè)重，8旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)上搭載了可控自穩(wěn)云臺(tái)與高能微單相機(jī)，主要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行視覺SLAM方面的實(shí)踐；4旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)選用的是開源飛行控制系統(tǒng)，主要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定性控制方面的實(shí)踐。兩種無(wú)人機(jī)平臺(tái)均具備自主飛行與視頻圖像采集的能力。在地面移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)方面，選用了QBot輪式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，學(xué)生可以基于MATLAB控制機(jī)器人和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

通信是各機(jī)器人之間進(jìn)行交流和協(xié)作的基礎(chǔ)，本實(shí)驗(yàn)采用基于無(wú)線局域網(wǎng)的多機(jī)器人通信平臺(tái)，學(xué)生應(yīng)設(shè)計(jì)基于TCP/IP協(xié)議簇的網(wǎng)絡(luò)模型，以Ad hoc方式組建基于移動(dòng)自組網(wǎng)的多機(jī)器人通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行聯(lián)合搜索與建圖。

2.3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)采用分布式的在線規(guī)劃方法來進(jìn)行多移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，實(shí)驗(yàn)任務(wù)是多個(gè)機(jī)器人共同完成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的聯(lián)合搜索與建圖任務(wù)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)中要學(xué)習(xí)與體會(huì)多機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人自主定位、多機(jī)器人協(xié)調(diào)協(xié)作機(jī)制等技術(shù)，并通過編程方式加以實(shí)現(xiàn)。

3 特色實(shí)驗(yàn)與課程體系的結(jié)合

智能化特色實(shí)驗(yàn)教育的目的在于培養(yǎng)學(xué)生在智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析方面的能力，“空地一體化多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制”實(shí)驗(yàn)涉及學(xué)生在多門專業(yè)課程中所學(xué)習(xí)到的知識(shí)與技能。學(xué)生可以從自動(dòng)控制原理、機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論、智能移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)論等課程中學(xué)習(xí)到對(duì)行或地面移動(dòng)機(jī)器人的控制與編程；從機(jī)器視覺課程中可以學(xué)習(xí)到對(duì)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的應(yīng)用技術(shù)，包括攝像機(jī)標(biāo)定、圖像采集與分析、主動(dòng)視覺技術(shù)等知識(shí)；從機(jī)器智能課程中可以學(xué)習(xí)到對(duì)機(jī)器人與環(huán)境知識(shí)的描述、空間搜索與路徑規(guī)劃、基于學(xué)習(xí)方法的視覺識(shí)別、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制等知識(shí)；從智能工程課程中可以學(xué)習(xí)到如何分布式復(fù)雜智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研發(fā)中的相關(guān)技術(shù)問題。

4 結(jié)語(yǔ)

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的“智能專業(yè)實(shí)踐”課程采用大三小學(xué)期集中授課的方式，學(xué)生能夠利用4周時(shí)間通過分組研發(fā)，協(xié)作實(shí)驗(yàn)的方式完成一個(gè)較大規(guī)模的綜合性實(shí)驗(yàn)。我們所提出的“空地一體化多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制”智能化特色實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生們綜合運(yùn)用在基礎(chǔ)性課程與特色專業(yè)課程中所學(xué)到的知識(shí)，根據(jù)個(gè)人興趣選擇開發(fā)模塊，共同實(shí)現(xiàn)一個(gè)分布式復(fù)雜系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制任務(wù)。

設(shè)計(jì)與開展智能化特色實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲怀鲋悄軐I(yè)特色，促進(jìn)專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容之間的有效銜接，今后我們將在所提出的“空地一體化多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制”進(jìn)行效果評(píng)估的基礎(chǔ)上，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行示范，促進(jìn)智能化特色實(shí)驗(yàn)教育工作開展，深化教學(xué)改革與技術(shù)創(chuàng)新。

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