探索者實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及機(jī)器人開發(fā)理念

林彤+金濯+任玲

【中圖分類號(hào)】G71 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）37-0003-01

機(jī)器人技術(shù)作為融合了機(jī)械工程，機(jī)械自動(dòng)化，單片機(jī)，計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的綜合性的典型載體，被廣泛作為我國(guó)各類高校實(shí)踐性教學(xué)和研究的選題之一，并有大量有規(guī)模有組織的機(jī)器人賽事支撐著這項(xiàng)技術(shù)的宣傳和發(fā)展。作為一所應(yīng)用型的高職院校，江蘇農(nóng)牧科技學(xué)院開設(shè)了“機(jī)器人創(chuàng)新技術(shù)”這門課程，以提高學(xué)生對(duì)工程類各課程的綜合理解和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的能力。

一、機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

機(jī)器人教育大多側(cè)重于課堂上的講授，理論的了解和公式的推導(dǎo)，實(shí)踐動(dòng)手，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)論證等方面欠缺。書本理論知識(shí)相對(duì)完善，但是創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力未得到鍛煉，綜合設(shè)計(jì)分析問題和解決問題的能力相對(duì)薄弱。缺少設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人課程難以讓學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)，思考和創(chuàng)新的能力得到培養(yǎng)和提高。因此機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)置和探索，建立探索者實(shí)驗(yàn)室硬件平臺(tái)對(duì)于機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革十分有必要。

二、探索者平臺(tái)簡(jiǎn)介

探索者平臺(tái)是由機(jī)器時(shí)代推出的專業(yè)型機(jī)器人設(shè)備原型設(shè)計(jì)工具，包含了機(jī)構(gòu)件，舵機(jī)，傳感器以及控制模塊。可用于創(chuàng)新教學(xué)、工程認(rèn)知、工程實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、工程類競(jìng)賽、新產(chǎn)品原理驗(yàn)證等。學(xué)生在創(chuàng)新實(shí)踐，工程實(shí)訓(xùn)，課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐中能夠更好的理解消化和掌握機(jī)械設(shè)計(jì)及制造，機(jī)械裝備等基礎(chǔ)課程中的知識(shí)，通過實(shí)踐和自主設(shè)計(jì)的方式，能更好的提高實(shí)踐創(chuàng)新的能力。傳感器，主控板等控制單元能夠讓學(xué)生在實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)過程中，更全面的了解單片機(jī)PLC，計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程等學(xué)科的知識(shí)。

三、“探索者”實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室配備十套至十五套探索者平臺(tái)套件。授課學(xué)生分組進(jìn)行兩個(gè)階段的學(xué)習(xí)，第一階段完成探索者平臺(tái)基礎(chǔ)性的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和模仿實(shí)驗(yàn)。“工作過程導(dǎo)向”教學(xué)模式按照完整的工作過程構(gòu)建學(xué)習(xí)任務(wù)，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)情境并組織實(shí)施，做到“教、學(xué)、做”三統(tǒng)。

1.第一階段基礎(chǔ)學(xué)習(xí)演練的流程

第一步，熟悉探索者平臺(tái)的基礎(chǔ)部件，零件的認(rèn)知及固定鉸接，電機(jī)的種類及安裝。

第二步，通過認(rèn)知和分析各種類型的機(jī)構(gòu)，并能進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的測(cè)繪。其中包括四個(gè)實(shí)驗(yàn)：

（1）典型機(jī)械裝置設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；

（2）簡(jiǎn)易輪型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；

（3）簡(jiǎn)易足型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；

（4）簡(jiǎn)易關(guān)節(jié)模塊設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

第三步，電池、主板、電機(jī)、傳感器的選擇，調(diào)試及應(yīng)用。其中包括傳感器，主控板的編程和實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的參數(shù)調(diào)節(jié)。

完成后提供設(shè)計(jì)方法理論，實(shí)際問題檢測(cè)學(xué)習(xí)結(jié)果，例如：

根據(jù)圖1場(chǎng)景中的障礙物（柵格地毯，樓梯，管道，獨(dú)木橋）設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠自主通過該場(chǎng)地的機(jī)器人。

完成該階段學(xué)習(xí)后，設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)用合適的傳感器，完成穿越障礙物的功能性機(jī)器人，掌握基于探索者平臺(tái)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，可進(jìn)行下面的步驟。

2.使用“探索者”進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的流程

第一步，按照構(gòu)思的機(jī)構(gòu)、電路思路，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢杂?jì)算和分析的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖和控制流程圖。

第二步，將簡(jiǎn)圖轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢则?yàn)證的“探索者”分塊樣機(jī)，進(jìn)行驗(yàn)證調(diào)試。設(shè)計(jì)分塊樣機(jī)的能力通過教材中“模塊化”的概念對(duì)學(xué)生進(jìn)行訓(xùn)練。

第三步，對(duì)加了電池、主板、電機(jī)、傳感器、結(jié)構(gòu)件等的整機(jī)的結(jié)構(gòu)、重心布局，電子部件布局，自動(dòng)化功能，代碼等進(jìn)行調(diào)整和測(cè)試，完成一個(gè)完整的示意樣機(jī)。

第四步，可以用標(biāo)準(zhǔn)五金零件、電子部件或自加工零件，對(duì)“探索者”的示意性零件進(jìn)行實(shí)用化的工程替代，考慮工藝、材料、精度、外觀等問題，變成一個(gè)實(shí)用級(jí)別的工程樣機(jī)。

四、“探索者”工程開發(fā)教學(xué)意義

學(xué)生可以了解到機(jī)器人工程的整體概念，并接受工具使用、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖繪制、模塊化設(shè)計(jì)、國(guó)標(biāo)緊固件組裝、傳感器使用、通信模塊使用、單片機(jī)與圖形化、C語(yǔ)言編程控制等訓(xùn)練。綜合設(shè)計(jì)能力、空間想象力也能得到拓展。“探索者”讓機(jī)器人設(shè)計(jì)和機(jī)械原理、控制原理等教學(xué)產(chǎn)生了聯(lián)系，學(xué)生完成小尺寸機(jī)器人的設(shè)計(jì)，后可放大、工程化、變成實(shí)用的機(jī)器人，讓學(xué)生更容易與社會(huì)接軌。

文獻(xiàn)參考：

[1]張建偉.現(xiàn)代智能機(jī)器人前景及技術(shù)[J].先進(jìn)技術(shù)研究通報(bào)，2009，3.

[2]楊天博.論我國(guó)高校實(shí)踐教學(xué)存在的問題及改革對(duì)策[J].文化教育，2010，4.