機器人制作給大學生動手能力培養帶來的啟示

孟　浩

摘要：大學生工程訓練是提高大學生動手能力的一個有效方式。簡易智能機器人制作項目的開展能使參與的學生在機械、電子、計算機軟硬件等方面得到較大的提高，它不但可以培養學生們分析與解決具體問題的能力，也可以培養不同專業學生進行具體零部件的加工制作能力，有效地加強了學生們的創新思維和工程實現能力。本文通過簡易機器人制作項目的開展對大學生動手能力的培養進行了總結。

關鍵詞：智能機器人；科技創新活動；動手能力

中圖分類號：G642文獻標識碼：B

目前國際上研制出的機器人可謂種類繁多，外形各異。其中具有較高人工智能水平的機器人可以完成復雜的動作，屬高端機器人，其體積往往較大；而利用單片處理器實現控制的簡易智能機器人，則可以看作中檔機器人，其體積一般較小；相對而言，非處理器控制的機器人，可看作低檔機器人，一般結構簡單，多用于研究或實驗目的。

機器人制作作為大學生科技創新活動的展示與比賽經過多年的培育已得到了社會的極大關注，也激發了大學生們的參與熱情。盡管以此作為培養太學生動手能力的教學模式還在探討之中，但經過多年的實踐，我們感到至少在以下幾方面得到了體現：

1機械設計能力的培養

機器人中常用的機械設計主要應用一些連桿機構，帶傳動機構，連軸器，軸(承)座等簡單的機械機構，相應的機械設計中還會涉及到一些部件的安裝固定，整機各部件的位置配合，整機的裝配設計等，參與的同學從零部件的設計到整體裝配的各環節都能得到鍛練。任一個環節考慮不周，就可能造成返工，這樣既浪費又可能延誤進度。

機械設計中一些工量具的使用，位置的測算，外購件的位置與尺寸的測量也是一個極有價值的鍛練。簡易機器人所涉及的設計能力并不復雜，但要它求同學們從局部到整體進行全面的考慮，所以說它是一個較好的訓練項目。

對于工科專業的學生，在學習過機械原理，機械制圖的情況下并不會感到特別困難，而對于其它專業的學生來說，容易存在無從下手、想像不切實際的問題。盡管大型的機器人項目可以將不同專業的工作按人員進行分組，但對于簡易型的項目說，同學們不得不完成跨學科的工作。

通過簡易機器人的設計與制作，把機械、電子、計算機、軟件工作融為一體，建立一個整體設計觀念是非常有益的。

2機械加工能力的培養

實物機器人必不可少的要進行一些簡單的機械加工，自己動手是這項活動的意義所在。由于簡易機器人的選材多數以輕便材料為主，所以塑料件、鋁件、膠木件是選擇的主要對象，可以考慮選用常用的管型鋁材，角型鋁材。加工的強度與精度一般要求不高，大多可以在實驗室通過手工操作達要設計要求。操作難度可能在于其體積往往較小而結構復雜、制作材料難以獲得上。

機械加工中常用的加工工具，工量具，鉗工工具，使用方式方法對于非機械類專業的學生來說有一定的困難，大多數同學根本沒有使用過這些工具。可以得到鍛煉的工作有劃線、打孔、銼平、銼園、攻絲、鋸斷、打磨等，工量具的輕拿輕放、加工過程中的自我保護、工具的保養等等都是訓練的內容。

機械加工能力的培養，可以從工具的認識、簡單的使用方法的演示、獨立模仿摸索，由易而難的展開方式來實現。第一次看別人操作，然后再自己獨立完成，同學之間互相交流共同提高。

3電路設計能力的培養

電路設計是機器人電子系統從無到有的過程，也是關鍵工作之一。大多數機器人都需要控制與檢測電路，以獲得必要的信息反饋和動作執行。電路設計的環節包括初步的試驗(搭建整體或部分電路)、電路參數的調整、元器件的選擇、初步試驗、確定方案等環節，最終還要與執行機構、控制軟件共同調試并反復設計。電路設計大多要涉及到微控制器(或單片機)及相關集成電路，單片機的選型、接口芯片的選擇、驅動能力的測算、控制電路的最終體積等等都需要反復論證與實驗，電源系統更是一大難題。機器人設計中的許多電路可能書本上并沒有針對性的介紹，而同學們必須在理論教學與實踐應用中進行綜合與發揮。

機器人項目的電子設計是一個系統工程，它不是一個獨立的部件，往往沒有現成的參考。這個過程不但要求參與設計的同學掌握相關的電路知識，還要求有較好的綜合應用能力。簡單合理的電路設計是一個重要的標準，各模塊電路之間的接口要求同學們進行多次充分的協商，它可以極好地訓練團隊的協作。可以說，機器人項目在電路的設計上對同學們的鍛煉優于其他項目。

4電路板設計與制作能力的培養

電路板是電子元器件的載體，同時又是連接元器件的線路。電路板的設計關系到電路工作的方方面面，它是一個看似簡單實際上綜合了許多的相關知識的工作。電路板的設計對于許多學生來說是陌生的。元器件的擺放位置、功率導線的寬窄、接插件的位置、安裝固定孔的確定、焊盤與過孔的大小、甚至最終的外形尺寸都要統一考慮。熟練掌握一種電路板輔助設計軟件是必要的，它不但可以提高電路設計的效率，還可以提供許多集成電路的詳細信息。在這種實際工作中的訓練，遠比在課堂上的學習要有效的多。

從電子線路設計軟件中獲得的印制板圖到最終加工完畢對同學們來說是一個很大的進步，它體現了從電路原理到實物形態的飛躍。只有當元器件安裝調試成功后，才能說電子線路的設計完成了。這也正是許多學校都把簡易機器人制作作為同學們訓練的一個首選方案的原因。

5電路焊接與元器件裝配能力的培養

之所以在本文強調電路焊接能力是因為我們發現本科生在這方面的訓練太少，甚至包括對電烙鐵的使用、元器件裝拆技巧的掌握都極其缺乏。原本是好的元器件或是印制板，很可能在幾次拆裝后，輕則造成虛焊，重則報廢，給整個制作帶來較大的損失。而元器件的裝配能力不僅僅是焊接工作，也包括接插件的安裝、有關元器件的固定甚至器件的拆卸等。一個看似平凡的工作，對于大部分本科生來說其實并不簡單。

6軟件編程能力的培養

軟件編程是機器人設計中一個必不可少的環節。它的好壞不僅關系到最終功能的實現，還關系到實現的質量、操作的靈敏性、可靠性與準確性，有些甚至是機械或電路都無法實現的功能，要依靠軟件來實現。所以說軟件是機器人的靈魂，而硬件是機器的機體。

軟件設計中最為關鍵的是機器人的監控程序，一般來說它是機器人加電后所執行的常規工作，而其他具體的功能則可看成是相關的子程序。好的程序設計應該是思路清晰，結構合理，可靠性高，執行效率高等等。

機器人軟件編程能力的培養最重要的是考慮問題的全面性。尤其是對于智能機器人，許多情況是由機器人自行推理而執行的(這也包括以單片機為主的機器人)，那么所有的推理結果都應在設計人員的考慮之中，即便是人工智能，也是在設計人員的考慮之中。設計之前由設計制作

小組進行集體討論，預測出各種可能的情況，制成邏輯推理圖或流程圖，并針對性地在軟件功能中實現，通過反復的試驗與檢測，將程序進行必要的修改與完善。有時機器人在執行時會出現意想不到的情況，或做出意想不到的動作，這些都是在程序設計時所沒有完全考慮到的，需要進行修改。而試驗與檢測也極為重要，必須要能夠提供相關的外部條件，才能了解程序執行的情況，因此軟件的模擬應該是試驗之前的重要步驟。

7儀器設備使用能力的培養

儀器儀表的使用是一個發現問題的手段，也是判斷問題的有效途徑，它可以在解決問題的前后反復進行驗證，使設計與維修人員掌握電路中電路參量的變化規律與變化過程，是一個極其重要的實驗手段。使用儀器來觀查或檢測電路的工作情況是一個從理論分析到實際驗證的過程，能否主動的使用儀器儀表來解決問題，是電子類大學生動手能力培養與鍛煉的重要環節。

談到儀器設備，許多實驗室中都不可缺少。在機器人制作中所需要用到的儀器并不是什么高檔昂貴的設備，大多數是一些通用的測量儀器。也許許多人會覺得使用這些儀器并沒有什么困難，需要檢測什么電路量，就選擇什么方面的檢測儀器，這本來也很容易想到，但事實上不然。同學們在遇到困難時多數情況下并不能想到要使用哪種儀器來測量，甚至不會使用儀器測量。儀器設備的使用是發現問題的第一步，解決人們無法對相關參量的感知問題。對使用儀器的畏懼心理是一個普遍的現象。通過對具體問題的分析與儀器性能的掌握，同學們學會了主動使用儀器。

8資料檢索能力的培養

資料的檢索能力是從事任何一項科研工作都必須具備的能力，甚至有人認為資料檢索能力是人生最重要的能力之一。資料檢索不僅僅是指通過互聯網進行的資料檢索，它可以涉及任何可以觸及到的資料，甚至包括不易觸及到的資料。資料檢索工作往往在設計選型階段最為繁重，這時的檢索面廣，涉及的學科多。如器件的選型、供貨廠家的查找、價格的詢問等等。值得一提的是要注重英文閱讀能力的培養，因為許多新器件只有英文資料。同學們經過不斷的總結，已習慣于使用網絡工具來尋找資料。當遇到刺手的問題時，可以通過較強的資料檢索能力來獲得解決方案。

由于資料檢索的周期較長，任務繁重，往往需要團隊中的成員共同來進行，所以這部分工作不止局限于某個人或某幾個人，它要求成員們同時完成。這不僅可以使團隊中的成員共同了解相關的知識背景和技術狀況，也可以使他們在日后的討論中，在同一個水平層次上進行。

9計劃與控制能力的培養

計劃與控制能力的培養關系到一個項目能否合理地分配下去，也關系到這個項目能否在預定的時間內順利完成。計劃與控制的好壞甚至會關系到工程的進度，也會影響相關人員的潛力的發揮。計劃與控制能力的培養是一個看似簡單，但卻要經過長期鍛煉的內容，它不是哪本書上的理論的應用，而是一個綜合能力的培養。它要求從事這部分工作的人員既要對業務有所了解，又要對機器人制作的團隊有所了解，還要是一個很有預見的人。經驗往往占據了知識的大部分內容，它往往由團隊的領袖級人物來擔任。我們的經驗是由高年級專業的學生業擔任，并由指導教師來輔助其開展工作。

10團隊協調能力的培養

任何一項工程或工作如果涉及到多人多單位的共同合作，這其中的協調工作就非常重要。要想能按時、按質地完成任務，從任務的分配、計劃的明確、工期的催促、質量的控制、半成品的檢查到技術問題的共同商討等，處處都需要協調。

協調者的個人立場、素質、觀點也極大地影響了協調工作的有效進行，甚至影響到整個工期的順利完成。它是一個上傳下達的工作，有時既是執行者，又是操作者，完全可以認為這個工作比具體的技術攻關還要重要。

協調中的溝通也涉及多種技巧，有好言相勸、有說服鼓動、也有苦口婆心，甚至有嚴歷的指責。溝通與協調應該是相輔相成的，沒有良好的溝通技巧，就不能實現有效地協調。工程項目中的協調決不是一件簡單的工作，需要在多次機會中得到鍛煉。所以說，目標明確、工作具體的機器人制作可以使大學生得到非常有益的鍛煉。

以上觀點是我們在實際指導大學生機器人制作活動中的一點體會。從能力培養的角度來說，僅這一點是不夠的，但從一個項目入手來豐富能力培養的方法是值得推廣的。當然從實際的效果來看遠不止以上這些羅列，但一個優秀人才的能力培養需要更多的活動，使之經受更多的磨練。我們將會本著培養大學生實用能力的原則，為他們創造更加真實、完善的環境，為提高新時代大學生的素質與能力而努力。