机器人创新性教学平台的实践与探索-2019年教育文档

1、机器人创新性教学平台的实践与探索一、引言创新性教学平台是将知识、 素质、 能力和创新融为一体的综 合性教学平台， 是大学生工程教育中的最高层次的教学平台。 从 全国高校工程培训中心创新实践发展可知， 创新意识和创新能力 的培养获得了一定的重视， 创新实践活动已经在不同层次、 不同 类型的学校以不同覆盖面进行。从部分重点院校的创新性实践平台可以看出， 目前创新平台 多以机器人为主， 这是因为机器人是一部精密机械组合体， 是一 个典型的机电一体化系统， 它融合了造型、 机械、电子、传感器、 计算机软件硬件和人工智能等众多先进技术， 是目前世界各国高 校和研究所进行教学研究和工程训练理想的实验平台。

2、 1 机器 人涉及到机、电、控制、传感技术、计算机技术等多方面知识， 可使学生得到跨学科综合能力的培养， 使学生在实施项目的过程 中建构广域的工科知识基地， 对材料、 机械、电子、计算机硬件、 软件科学、可编程控制和机电一体化流程有全面认识。我校作为地方性综合院校， 与重点高校相比， 在各种科技创 新活动中， 机器人类创新项目的参与程度比较低， 有关机器人创 新实践教学还只是处于起步阶段， 因此探索如何利用机器人模型 提高大学生的创新能力是目前迫切需要解决的问题。二、组建机器人创新性教学平台的意义和目的机器人研究是进行创新思维训练、创新技能训练、工程实践 训练最理想的平台。组建机器人创新性教学

3、平台对于培养学生创 新动手实践能力，对专业知识的巩固和融会贯通、提升院校办学 质量、提高学生就业率等方面具有重要意义。（一）培养创新动手实践能力，对专业的巩固和融会贯通。目前许多各种工科专业都开设了电子电路、 检测技术与传感 器、嵌入式微控制器、控制原理与控制工程、单片机和微控制器、 数字电子和模拟电子、数字逻辑、检测技术与传感器等课程，但 是课堂的的学习和一些简单的验证性实验课程不足以满足学生 的求知欲望。无法根本转变学生的学习观念。 要从被动学习转变 到主动学习，其中一个途径就是让学生进行创新性的训练，充分激发学生的学习热情。机器人作为一个新兴的领域， 具备多种新 技术，而且具备趣味性，通

4、过创新性的教学平台能充分引导学生 创新动手的实践能力。组建机器人创新性教学平台能为高等院校的学生和教师提 供一个综合的专业机器人教育和研究平台，能通过采用系统的方 法对实践教学内容、方法和手段进行创新，进而引导学生进行单 片机和微控制器、数字电子和模拟电子、数字逻辑、检测技术与 传感器等课程进行融会和贯通（二）提升学校的办学质量，提高学院校知名度。通过机器人创新性教学平台，能够培养校园学术研究氛围， 使学校的科研水平，学生的素质进一步得到提高。与此同时，由 于近年来国内和国际上各种机器人比赛层出不穷， 通过创建机器 人创新性教学平台培养学生， 积极参与国内外机器人赛事， 不断 取得优异成绩，这

5、对提升院校知名度，具有重要意义。（三）提升学生就业竞争力。随着产业的升级， 就业竞争在不断加剧， 企业更需要动手强， 具备专业知识过硬的中高端人才。 目前适合企业的专业人才缺口 相当大，造成这种原因的本质是学校教育过多地注重了知识的传 授， 而忽略了创新技能、动手能力和工程实践能力的培养。学 生通过参与机器人实验室的学习和工作， 能增强就业竞争力， 毕 业后能够广泛适用于机电一体化、 电气工程、 自动化工程等方向 的就业需求，更好的适应社会对人才的需求，做到学有所用，学 所必用。三、机器人创新性教学平台的总体规划建设（一）硬件平台的建设 建设机器人创新性教学平台需结合本校的实际情况。 由于高

6、端机器人经费投入较大， 受益人群较小， 因此采取对中低端机器 人的投入为主，高端为辅的发展策略。低端机器人采用自制设备的方式， 采用AVR单片机为控制平 台，小型直流伺服电机为动力源，加装多种传感器，自行设计电 路板，制作小型机器人。通过调动师资力量，开发出基本的控制 程序库，程序开源，并设计多种软件接口，方便学生调用学习。该种机器人造价低廉， 成本为千元以下， 能够配置 2 个班的数量，满足人数较多的教学要求。中端为进阶版本，采用ARM或 DSP处理器作为控制核心，采 用高精度数字舵机， 构建小型双足人形机器人或多足机器人。 既 可以选购零组件自由搭配的产品，如BIOLOID的专家版机器人，

7、也可以使用学校的车床和铣床自行加工通用型的构件， 学生能用 这些构件搭配出不同造型，风格各异的机器人。高端机器人技术含量较高，造价昂贵。一般针对具体比赛， 如中型组足球机器人， 机器鱼竞赛平台等。 大部分兄弟院校都是 采用购买的形式，主要研究软件开发、算法的改进，如图象处理 等。这些机器人较适合高年级及其研究生以上使用，受众小，不 适合大规模推广，但少量的购置对提高院校的科研能力有所帮 助。（二）课程设置与实施方法。以机器人创新性教学平台为载体， 针对不同专业， 不同学习 阶段和层次的学生特点及专业教学的需求， 组织师资力量， 编写 出具有专业特色，从入门到进阶的教材，并提供创新性的教学、 工

8、程训练和实验平台。机器人的硬件两大构成要素是机械部件和电气电子部件。 机 器人硬件的基本结构由机械系统构成， 操作和运动由电气电子部 件控制。机械部件主要包括减速机构、移动机构、连杆机构、凸 轮机构、 链传动机构和同步带传动等。 电气电子部件包括伺服电 机、电源模块、计算机、微处理机、嵌入式系统、传感器和控制 电路等。 采用机器人模型作为创新性实践教学平台， 是因为机器 人堪称机械设计 、电子工程、工业自动化及自动控制等专业课 程实践的最佳载体， 可以在实验过程中， 对机械加工、 机械传动、 气动技术、电子电路和软件编程等相关知识有更深刻的理解。 2 而软件则主要涉及计算机和应用数学专业， 含

9、括了图象处理、 语 音识别、神经网络、模式匹配、 专家系统、 智能路径算法等方面。因此在课程设置与实施上， 一是可以结合学科的特点进行设 置，发挥学科特色。例如：机电学生能够结合数控加工课程， 设计与加工机器人 零件，进行安装、调试及运动控制；自动化专业的学生可以结合 嵌入式课程的学习，对电机驱动进行 PID 闭环控制等课程设计； 计算机等相关专业的学生结合图象处理课程， 开设机器人视觉识 别等进阶课程。二是开展综合性的创新实验，鼓励学生利用学科交叉的知 识，打破孤立的知识体系，不同专业学生组成团队，进行多学科综合性的创新性设计和验证。四、机器人创新性教学平台的应用 经过一段时间的机器人创新性

10、教学平台的实践中，我们发 现，在进行创新思维训练时， 大多数学生对于机械创新和机器人 创新兴趣浓厚，但对于其中涉及到的机电一体化的、智能化的、 对控制技术要求较高的知识， 就会觉得不知道从何下手， 甚至失 去信心。通过机器人创新性教学平台，进行一段时间综合学习与创新训练以后，学生对材料的种类和用途、机械结构、机械传动、结 构设计、传感器和电子器件、单片机、机器人控制、机器人编程等有了比较直观认知，同时通过实验平台，验证了自己创意， 组合出可控制的机器人后，增强了自信心，激发浓厚的兴趣。在机器人创新性教学平台的基础上，除了综合创新学习训 练，我们组织了多个课题组，如多功能搜救机器人，迎宾机器人 等，让学有余力的学生参与进来。 实现更高层次的项目创新活动。 通过自主研制各种机械产品和机器人，学生得以进一步提高自己的创新能力和动手实践能力。我们在综合训练和项目创