基于理論重構的開發型機器人實驗平臺

毛湘宇， 陳世剛

(電子科技大學 機械電子工程學院, 四川 成都 611731)

基于理論重構的開發型機器人實驗平臺

毛湘宇， 陳世剛

(電子科技大學 機械電子工程學院, 四川 成都 611731)

現有機器人實驗多為驗證型和應用型實驗,不利于培養學生自主開發的能力。在現有實驗設備基礎上建立一個基于知識理論重構的開發型機器人實驗平臺。基于知識理論重構的開發型機器人實驗平臺實現了多種學科的知識重構,有利于培養學生自主開發能力。利用該平臺學生既可以完成綜合設計實驗,也可以開發創新項目。

機器人； 開發型實驗平臺； 理論重構

隨著高校辦學規模的不斷擴大和辦學層次的不斷提高,對實驗室建設與管理提出了更高的要求，要求我們轉變教學思想,探索新的實驗教學內容,改進實驗教學方法和手段,深化實驗教學改革[1]。機器人教學是當前我國教學改革中的研討熱點之一。已有不少學者指出,可以通過機器人實驗來培養學生的創新能力,彌補當前高等教育中實踐創新教學手段的不足[2]。萬佑紅等[3]人分析了機器人教育對大學生創新能力培養的作用,并給出了相應的教學實驗、科技競賽和實習實踐等具體實施方法。肖曉萍等[4]人介紹了她們自行研制的一套機器人實驗教學平臺及其應用情況。黃文愷等[5]人介紹了機器人創新性教學平臺的硬件建設、課程設置和實施方法。王詠梅等[6]人則重點討論機器人創新開放實驗室的建設,包括教學內容和實驗室管理模式等。董愛梅[7]探討了以機器人為平臺的大學生實踐創新能力培養體系,并從課堂教學、實驗教學、課程設計、畢業設計等方面闡述了如何利用機器人平臺來培養學生的實踐創新能力。哈工大機器人研究所圍繞建設世界高水平機器人研究所,在科研、教學和產業化等多方面做出了很多成果[8]。此外,彭紹東[9-10]還研究和分析了通過機器人輔助教學、管理教學以及主持教學的意義和實施方法。

然而,如何圍繞機器人實驗來構建創新人才培養體系,利用好機器人這一實踐教學平臺,依然是目前值得考慮的問題[11]。現代機器人實驗多以驗證型和應用型實驗為主,學生在實驗中可以驗證機器人理論,實現一些創新設計理念,但這些理念雜亂無章,很難在頭腦中形成完整體系。通過和學生交流,發現現有的機器人實驗,都不能解決學生自主開發能力培養的問題。現有的創新實驗都是實驗平臺的應用,缺乏學生自主開發的學習過程。本文提出一種基于知識理論重構的開發型機器人實驗平臺,實現多學科知識理論重構,從而解決學生培養自主開發能力的問題。

1 開發型機器人實驗平臺設計

機器人是非常典型的機電一體化系統,它融合了機械、電子、傳感器、計算機軟硬件、控制、人工智能和造型技術等眾多的先進技術[12]。

1.1 開發型機器人實驗平臺的開發體系

根據知識及能力培養的深度,將開發型機器人實驗平臺知識體系主要分為:基礎型和擴展型,循序漸進,建立學生的機器人開發體系。由于機器人是非常典型的機電一體化系統,基礎型的機器人實驗開發體系是以機械和電子實驗為核心的理論框架,如圖1所示。對于學習機器人開發流程的初學者,在頭腦中形成這樣一個知識重構的理論框架非常重要,這也是現在很多機器人實驗所忽略的。

圖1 基礎型機器人開發體系

擴展型的機器人實驗開發知識體系是在基礎型的機器人實驗開發知識體系基礎上由學生自行擴展,可引入多種技術。傳感器技術是機器人技術中應用最多的技術之一。引入傳感器技術的擴展型的機器人實驗開發知識體系如圖2所示。基礎型和擴展型的機器人開發體系實際上是多學科知識理論在學生大腦中的重構結果。多學科知識理論重構產生的是學生自主開發流程的知識體系,從而解決學生培養自主開發能力的問題。

圖2 擴展型機器人開發體系

1.2 課堂實驗教學內容

在課堂實驗教學中,采用基礎型的機器人實驗開發體系,實驗內容包括方案選型、電路設計制作、機器人結構搭建和組裝調試。由于課堂教學的重復性,機器人結構搭建采用的是創意之星模塊化機器人構件實現。

(1) 方案選型。創意之星模塊化機器人構件可搭建的機器人結構非常多,常見的包括機械手、輪式機器人、機器蛇、三足步行機器人等。這些機器人都可以在開發的平臺中使用。

(2) 電路設計制作。電路設計制作是由教師指導,學生自主開發的實驗流程。電路是基于ATmega16的單片機最小系統,由主電路、下載接口、直流電機驅動電路、舵機驅動電路等組成。使用ATmega16輸出多路PWM波控制分別控制直流電機和舵機。機器人控制電路如圖3所示。

圖3 機器人控制電路

(3) 機器人結構搭建和組裝調試。機器人結構搭建采用的是創意之星模塊化機器人構件實現,以三足步行機器人為例,完成的機器人結構如圖4所示。

圖4 三足步行機器人

2 開發型機器人實驗平臺成果

開發型機器人實驗平臺開放以來取得了很好的效果。利用擴展型開發機器人實驗平臺,學生申請大量的機器人創新項目,其中包括球型機器人、仿生五指機器手、蛇形機器人等多種機器人構型。圖5為學生自主研發的十字軸萬向節式蛇形機器人。這是一種分布式控制的任意體節可互換的蛇形機器人。蛇形機器人開發體系如圖6所示。通過開發型機器人實驗平臺,學生獲得了自主研發項目的能力,這是現有大多數機器人實驗不可實現的。

圖5 十字軸萬向節式蛇形機器人

圖6 十字軸萬向節式蛇形機器人開發體系

在開發型機器人實驗學習中,鼓勵學生參加全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽和全國大學生機械創新大賽,并取得了省級獎多項的好成績。由于組織了部分學生參與實踐,并取得了良好的效果,起到了很好的輻射作用,學生積極參與開發型機器人實驗的興趣高漲,反過來也有力地促進了課堂教學的開展。

3 結束語

開發型機器人實驗平臺能夠滿足計算機、自動控制、機電、傳感、通信、能源、認知與智能科學等眾多學科相關專業的課程教學與實踐的需要,包括課程設計和畢業設計等創新實踐。各種機器人實驗為這些學科的探索性實驗和自主性學習提供了非常好的通用平臺。開發型機器人實驗平臺采用開發式實驗教學模式,并更加全方位、全過程、多手段地將眾多學科的知識理論融合到一個體系。同時,把工程對象融入實踐教學中,創造一個以學生為主體,充分發揮學生學習積極性、主動性的實驗環境,培養學生的自主學習能力和科技創新能力。

References)

[1] 王兵.高校實驗室的建設與管理[J].湘潭師范學院學報:自然科學版,2009,31(1):203-204.

[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] 萬佑紅,蔣國平.機器人教育與大學生創新能力培養的探索[J].電氣電子教學學報,2005,27(4):6-8.

[4] 肖曉萍,廖青,李自勝.基于機器人實驗教學平臺的研制[J].機電產品開發與創新,2008,21(4):19-21.

[5] 黃文愷,陳虹.機器人創新性教學平臺的實踐與探索[J].今日科苑,2009(5):131.

[6] 王詠梅,葛建宏,王炳謙.機器人創新開放實驗室建設[J].實驗室研究與探索,2009,28(11):4-5.

[7] 董愛梅.以機器人為平臺大學生實踐創新能力培養體系的研究與實踐[J].中外教育研究,2009(5):80-81.

[8] 孫立寧.科研、教學、產業三位一體,爭創世界高水平的哈工大機器人研究所[J].機器人技術與應用,2004(6):20-27.

[9] 彭紹東.論機器人教育(上)[J].電化教育研究,2002(6):3-7.

[10] 彭紹東.論機器人教育(下)[J].電化教育研究,2002(7):16-19.

[11] 付慶玖,韓振.高等教育創新性實驗教學體系的探討[J].實驗室研究與探索,2009,28(6):14-16.

[12] 劉紅俊,介戰,羅紅霞.教學機器人通用智能控制器的開發[J].河南科技大學學報:自然科學版 ,2004,25(4):43-46

Experimental platform for developing robot based on reconfiguration of theories

Mao Xiangyu, Chen Shigang

(School of Mechanical Electronic and Industrial Engineering,University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731,China)

The modern robot experiments for verification and application cannot develop the students’ ability of independent development. The students can verify the theory of robot in the experiment,with the realization of some innovative design concept,but it is difficult to form a complete system of knowledge in the mind. The experimental platform for developing robot on the reconfiguration of theories is established based on the existing experimental equipment.This experimental platform for the developing on the reconfiguration of knowledge theory has achieved the reconfiguration of multi-disciplinary knowledge theory, which is beneficial to training the students’ autonomous development ability. The students can finish the integrated replication experiment and develop the innovative projects.

robot； developing experimental platform; reconfiguration of theories

2015- 02- 12 修改日期：2015- 04- 01

國家自然科學基金項目(51005040)；工程訓練中心教學團隊建設與改革(A1098521-012)；電子科技大學2010-2013年教育教學改革研究重點專項(2010XJYZD009)

毛湘宇(1982—)，男，湖南長沙，碩士，工程師，現主要從事機器人實踐教學和機電一體化實驗教學研究.

E-mail：mao_825@126.com

TP24；G484

A

1002-4956(2015)9- 0103- 03