基于“專業認證+新工科”的類人機器人實驗室建設

朱海榮, 吳 瑜

(1. 南通大學 電氣工程學院, 江蘇 南通 226019；2. 江蘇工程職業技術學院 機電工程學院, 江蘇 南通 226007)

據教育部門權威統計,工科是目前我國高等教育第一大學科,開設自動化專業的高校占全國工科高等院校的90%以上。在科技飛速發展的今天,自動化技術已經滲入到各行各業,大到航空航天、深海探測,小到家用電器、兒童玩具。隨著自動化技術的廣泛應用,社會對自動化專業的人才需求量越來越大,自動化專業的設立正是隨著自動化技術在各領域的廣泛應用而興起的[1]。2015年,國務院正式印發了《中國制造2025》計劃,全面推進實施我國的制造強國戰略[2]。要盡快完成我國從制造業大國到制造業強國的轉變及早日實現《中國制造2025》計劃,離不開自動化技術對制造業的強力支撐。這就需要工科院校在自動化專業教育方面借鑒發達國家的先進經驗,結合自身的辦學特點,實施成果導向式教育,創辦出行業特色鮮明的自動化專業教育[3]。

國際工程教育專業認證可以實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認,是目前國際上通行的工程教育質量保障制度[4]。2006年,教育部著手啟動工程教育專業認證試點工作,經過10年努力,我國于2016年成為國際工程教育《華盛頓協議》正式會員國,標志著我國工程教育質量標準得到了國際認可。2017年,教育部與時俱進地提出了“新工科”建設理念,一方面加快發展新興工科專業,一方面對傳統工科專業進行升級改造,要求各高校在未來戰略必爭領域的人才培養方面盡早布局,全面提升我國的“硬實力”。截至2017年底,教育部高等教育教學評估中心和中國工程教育專業認證協會共認證了全國198所高校的846個工科專業。通過專業認證,標志著這些專業的質量實現了國際實質等效,進入了全球工程教育的“第一方陣”[5-6]。

南通大學自動化專業是省特色專業、省品牌專業、省卓越工程師教育培養計劃試點專業和省“十二五”高等學校重點建設專業,目前已提交了工程教育專業認證申請報告,正準備迎接教育部專家進校開展認證工作。

1 培養目標和畢業要求

工程教育專業認證是一種以培養目標和畢業要求為導向的合格性評價機制,認證的核心是保證畢業生達到行業認可的既定質量標準要求[7]。課程體系、師資隊伍、辦學條件等均圍繞學生畢業能力達成這一核心任務展開,并建立持續改進機制,以保證專業教育質量和專業教育活力。

1.1 培養目標和畢業要求

自動化專業的培養目標，是培養能夠在工程實踐中全面體現健全人格、人文素養、社會責任感和職業道德等素質,能夠綜合運用自動化領域相關的基礎理論與專業知識,具有分析和解決自動化領域復雜工程問題的能力,能夠及時跟蹤國際國內本專業領域的發展動態并應用于工程實際,能在自動化工程領域,獨立或領導團隊在自動化設備的運行維護、自動化裝備的設計制造、自動化產品的研發應用、自動化工程項目的實施管理等方面取得成就的應用型高層次人才[8-10]。

根據國際工程教育專業認證的要求,自動化專業畢業生應獲得工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、研究、使用現代工具、工程與社會、環境和可持續發展、職業規范、個人和團隊、溝通、項目管理和終身學習等12個方面的知識和能力。

1.2 課程體系

為了達到上述畢業要求和畢業目標,本專業在課程體系設計中采用基于成果導向的反向設計思想,通過校內外專家論證、企業走訪和研討、校友調研和座談回訪、應屆畢業生座談等多種形式和渠道,制定并調整專業人才培養計劃。總體思路如下：

(1) 通過調查研究,了解社會和經濟發展對專業人才的需求及行業企業對人才知識能力素質的要求,確定符合社會經濟發展和行業企業發展需要的培養目標。培養目標應能反映學生畢業5年后在專業領域應達到的成就和水平,且應符合學校培養應用型人才的辦學特色。

(2) 根據培養目標,修訂專業人才培養標準,即對12個方面的畢業要求進行細化分解,形成畢業要求指標點,使之可實施、可衡量。畢業要求應能支撐培養目標的實現。

(3) 以培養學生解決復雜工程問題的能力為主線,根據畢業要求指標點配置課程體系,使理論教學環節和實踐教學環節相互融合,尊重認識—實踐—再認識的客觀規律,并根據課程先后邏輯關系,安排課程開課學期。

(4) 根據畢業要求指標點的分解結果,確定課程教學目標,修訂教學大綱,規劃課程教學內容和方法,落實課內外學習要求和考核方法,以保障課程對畢業要求指標點的達成。課程大綱必須明確課程內容及教學環節對指標點達成的支撐與對應關系。

(5) 定期通過校內循環和校外循環對課程體系進行評價和修訂,使專業課程體系能夠滿足畢業要求達成需要,培養符合社會和行業等各方期望的專業人才。

圖1為自動化專業的課程體系結構圖,主要包括人文社科類課程、數學與自然科學類課程、工程及專業相關類課程、工程實踐類課程。

圖1 自動化專業課程體系結構圖

各類課程中所設置的具體課程能夠支撐標準中的各項畢業要求,課程的內容及其考核方式可以有效支撐各項畢業要求的達成。通過選課和最低學分要求,可使全體學生選修的課程能夠滿足各類課程學分分布要求。

課程體系的學分結構達到教育部自動化專業教學指導委員會和工程教育專業認證的普通標準和補充標準,具體如表1所示。

表1 課程體系中各類課程的學分統計

2 類人機器人實驗室建設

為了培養學生解決復雜工程問題的能力和工程設計能力,自行研制了類人機器人,建立了類人機器人創新實驗室。學生可以在實驗室綜合運用數學建模、電路原理、模擬電子技術、自動控制理論、電機拖動原理、傳感器與檢測技術、計算機控制技術、電力電子技術、單片機原理等課程的知識,以ATmega128作為控制器設計類人機器人,并對其進行步態規劃,使該類人機器人能完成前后步行和翻跟頭等動作。

不同于大多數高校目前現有的實訓裝置,該類人機器人創新實驗平臺具有很好的開放性,學生可以在該實驗平臺上進行硬件擴展、自行編寫底層軟件算法[11-12]。學院定期舉辦校級機器人大賽,要求自動化專業的學生綜合運用所學專業知識,結合比賽要求,設計特定功能的機器人。學生會不斷對機器人進行完善,以取得更好的參賽成績。正是在一次次的系統改良和創新中,很好地培養了學生解決復雜工程問題的能力和工程設計能力[13]。

2.1 類人機器人硬件設計

以某個學生設計的一款類人機器人為例,介紹其硬件設計方案。這款類人機器人的硬件系統由主控模塊、電源模塊、舵機控制模塊以及無線通信模塊組成,系統硬件模塊框圖如圖2所示。

圖2 硬件模塊框圖

(1) 主控模塊。使用ATmega128單片機作為主控制器。這是一款基于增強型的AVR RISC結構的低功耗8位微控制器,數據吞吐量可達到1 MPS/MHz,從而可以很好地緩解系統功耗和處理速度之間的矛盾。單片機最小系統的硬件電路主要由時鐘電路、電源電路、復位電路、JTAG接口和通信接口等組成。

(2) 電源模塊。可靠的電源方案是硬件電路穩定運行的基礎,除了考慮電壓范圍和電流容量等參數外,還要在電源轉換效率、降低噪聲、抗干擾等方面進行優化設計。由12.6 V、2 000 mA/h的鋰電池供電,通過穩壓模塊分別轉換為9.6 V和5 V電壓,分別給舵機和單片機、顯示屏、按鍵檢測電路和無線通信模塊等供電,電源模塊如圖3所示。

圖3 電源模塊

(3) 舵機控制模塊。采用AX-12型智能數字舵機作為類人機器人的關節驅動,該舵機具有位置、速度、力矩和溫度反饋,擁有高扭矩輸出和易于固定的特性,具體參數如表2所示。

表2 AX-12數字舵機主要參數

主控制器與AX-12型舵機之間有“命令數據包”和“狀態數據包”2種類型的數據包,舵機通信示意圖如圖4所示。

圖4 舵機通信示意圖

(4) 無線通信模塊。采用XL02-232AP1系列無線通信模塊與上位機進行數據傳輸,以實時獲取類人機器人的關節角度和扭矩等姿態信息,便于系統調試,如圖5所示。

圖5 無線通信示意圖

(5) 類人機器人本體。設計完成的機器人本體實物如圖6所示。

圖6 類人機器人本體實物圖

2.2 類人機器人軟件結構

類人機器人軟件結構主要包括初始化模塊、中斷仲裁模塊、顯示模塊、按鍵處理模塊、舵機控制模塊、無線通信模塊。軟件總體結構框圖如圖7所示。

圖7 軟件總體結構框圖

3 解決復雜工程問題能力的培養

3.1 總體方案

本專業著眼解決“復雜工程問題”,依據“現代大工程觀”理念,按認識論觀點與理論課程融合、分層次循序漸進,最終達成畢業要求中與解決復雜工程問題有關的要求。將培養學生解決復雜工程問題能力培養貫穿于4年本科教學中,從大一開始,根據基于成果導向教育的反向設計原則,按認識論觀點,將解決復雜工程問題能力培養融合于人文社科類課程和實踐、數學與自然科學類課程和實踐、工程基礎類課程和實踐、專業基礎類和專業類課程和實踐中,分層次循序漸進。

通過人文社科課程和實踐,培養學生人文素養和人文精神,使學生發現自然科學、社會科學以及人文科學之間的關系,培養學生健全的人格、社會責任感和職業道德,實現學生核心素養養成,為學生解決復雜工程問題提供能力基礎。

通過數學與自然科學課程與實踐,培養學生將所學過的數學、物理理論和實踐用于解決實際問題的能力,培養學生嚴謹的實驗科學思維與創新源于實踐的方法論,為學生解決復雜工程問題能力的培養提供學科基礎。

在工程基礎、專業基礎類課程和實踐中,訓練學生基于技術與非技術要求的工程實踐綜合能力,使學生具備解決復雜工程問題能力所需的專業技術基礎,并使學生在初步的工程應用中實現專業技術應用能力的養成。

在專業課程和課程設計中,使學生通過綜合考慮與“自動化”領域工程問題相關的各關聯子問題之間、系統與外部環境之間等多種因素,培養系統分析、數學建模、系統設計等方面的能力,完成學生工程設計和系統實現能力的養成,使學生基本具備解決復雜工程問題的能力。

在專業綜合實驗、工程應用綜合設計、生產實習、課外科技創新和畢業設計中,進一步培養學生認識和理解工程實際、綜合運用理論及提高解決工程實際問題的能力與創新意識,使學生具備解決復雜工程問題的能力。

3.2 類人機器人所發揮的作用

上述類人機器人創新實驗平臺是一個完整的自動化控制系統,學生可以綜合運用電路理論、模擬電子技術、自動控制原理、數學建模、計算機控制、單片機原理、電力電子技術、傳感器與檢測技術等專業課知識,在創新實驗室完成方案論證、系統建模、硬件設計、程序編寫、系統聯調等研究工作。對類人機器人進行復雜工程問題特征的分析如下。

復雜工程問題特征1：必須運用深入的工程原理,經過分析才可能得到解決。

在實際的控制中,為保證類人機器人的安全運行需要一些約束條件。根據下達的任務,需要學生給出初步的設計方案,包括類人機器人本體機械結構,控制器、舵機、電源等硬件選型,系統聯調方法,性能指標測試方法等。這就要求學生能夠靈活運用相關基本知識原理,也需要學會查閱學術文獻,閱讀中、英文器件手冊等。

復雜工程問題特征2：涉及多方面的技術、工程和其他因素,并可能存在相互沖突。

類人機器人涉及電氣、電子、建模、控制、測量、機械、計算機應用等多方面的技術,在工程方面需要考慮機器人步行快速性和穩定性之間的矛盾、舵機速度控制系統設計與參數整定等,這些方面的技術指標、工程難易度、可靠性和造價等不可避免地會有一定沖突。

復雜工程問題特征3：需要通過建立合適的抽象模型才能解決,在建模過程中需要體現出創造性。

類人機器人是一個典型的非線性系統,機器人的各個關節需要協調配合,才能仿照人類的姿態實現步行、翻跟頭等功能。為此,首先需要通過理論分析,建立類人機器人的運動學及動力學模型,得到每個舵機的最大角度范圍。針對該非線性控制問題,如何建立抽象模型,并得到合理的控制參數,需要一定的創造性工作。

復雜工程問題特征4：不是僅靠常用方法就可以完全解決。

類人機器人具有多關節、多自由度、多變量、強耦合和非線性的特點,很難直接對其進行運動學和動力學求解,必須綜合考慮科學原理和工程應用實際,平衡利弊,通過理論分析獲得類人機器人的運動學及動力學特性。在此基礎上進行步態規劃,再結合電氣、電子、控制等綜合分析方法,才能設計出理想的類人機器人。

復雜工程問題特征5：問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業工程實踐的標準和規范中。

本科教學中,“自動控制原理”“現代控制理論”等課程講授內容以線性系統問題分析和求解為主,而且往往直接給出系統的數學模型。相對授課知識內容范圍,類人機器人所涉及的系統建模、控制算法的深度要更深、難度要更大。另外在設計過程中涉及的類人機器人的動力學特性,不在本專業本科教學范圍內,學生需要自學相關原理基礎知識,并在系統設計中加以運用。

復雜工程問題特征6：問題相關各方利益不完全一致。

對于需要商業化的實際工程項目,需要考慮利益問題。如機器人運行的穩定性和快速性的矛盾,控制精度和工程造價的矛盾。此外,算法復雜度與工程可實現性的矛盾,另外各控制性能指標間是相互制約的,需要學生對各方利益進行平衡，找到解決問題的折中點。

復雜工程問題特征7：具有較高的綜合性,包含多個相互關聯的子問題。

類人機器人具有較高的綜合性,涉及電氣、電子、建模、控制、測量、機械、計算機應用等學科知識。整個設計過程包含了本體機械設計、運動學及動力學建模、系統控制元件設計計算、步態規劃、系統單元調試及性能測試記錄等子問題,而且這些子問題是相互關聯的。

4 結語

我校自動化專業在“新工科”背景下,根據專業改革和專業建設過程中存在的問題,以工程教育專業認證為契機,以提高學生解決復雜工程問題的能力為核心目標,建立了類人機器人創新實驗室。學生可在該創新實驗室綜合運用所學的專業課知識,開展方案論證、系統建模、硬件設計、程序編寫、系統聯調等研究工作,使學生初步獲得自動控制系統集成的概念和工程動手能力,學會分析和解決實際工作中出現的問題,能夠運用現代工程工具和信息技術工具對復雜的自動化問題進行預測和模擬,并理解其局限性,從而滿足工程教育專業認證的要求。

本論文得到江蘇高校“青藍工程”資助，特此致謝。