面向人工智能專業的機器人實踐課程群建設初探

栗輝 李擎 崔家瑞 王粉花

摘? 要：文章針對當前人工智能專業機器人實踐教學的現狀，圍繞機器人相關課程，提出基于多種機器人實驗平臺的機器人實踐教學課程建設，從而更好地滿足人工智能專業機器人的實踐教學需求和未來辦學方向。

關鍵詞：機器人技術;實踐教學;模塊化

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）06-0041-03

Abstract： In view of the current situation of robot practice teaching in artificial intelligence specialty， this paper puts forward the course construction of robot practice teaching based on many kinds of robot experimental platform around robot related courses， thus better meet the needs of artificial intelligence professional robot practice teaching and future orientation.

Keywords： robotics; practical teaching; modularity

人工智能專業重點培養學生在智能認知和智能無人系統設計兩方面的綜合能力，為畢業生從事智能無人系統的研究、設計、開發和管理工作提供技能基礎。2017年國務院發布了《新一代人工智能發展規劃》，部署構筑我國人工智能發展的先發優勢，加快建設創新型國家和世界科技強國。人工智能的快速發展對該專業學生的培養提出了更高層次的要求，尤其在實踐與創新能力方面，要求學生除了掌握扎實的專業理論知識外，更需要系統的實踐訓練，而機器人相關技術作為人工智能專業重要的核心課程，其實踐教學內容更需要不斷更新和發展。本文主要圍繞人工智能專業的實踐教學需求和未來辦學方向，研究探索機器人技術實踐課程群的改革[1][2]。

一、建設背景及意義

學院原有機器人教學平臺主要為DRRobot云臺輪式機器人，但該型號機器人平臺在實踐教學中有較強的局限性，主要表現為程序封裝性強，僅限于基于機器視覺的運動控制實驗，功能單一、程序固化，通用性和開放度不夠好，機器人基礎原理部分無法通過實驗體現，可開放實驗較少，無法系統的為學生提供機器人技術相關課程的實驗實踐項目。因此，實驗室引入了“探索者”模塊化機器人平臺及Nao人形機器人成熟化產品，在原有《機器人組成原理》實驗課程的基礎上，結合新版培養計劃中《智能機器人》、《智能機器人應用設計》等新開設的課程，設計了層次明確、開放性強的機器人實驗實踐教學體系，實現了從機器人底層原理到上層應用的實踐教學，保證知識的延續性并且逐層遞進。

面向人工智能專業的機器人實踐課程群體系的設計原則和思路主要包括以下幾點：

（一）模塊化教學

“探索者”模塊化機器人平臺包括連桿類、平板類和框架類等30多種零件，以及各類智能控制電子元器件，需要學生自己動手完成機器人從零開始的組裝設計，能夠激發學生的創作熱情。平臺模塊化的設計豐富了實驗內容，教師可以根據課堂理論教學內容，為學生準備豐富的實驗教學主題，尤其在機器人基礎原理部分，可以更直觀詳盡的進行模塊化展示，夯實學生的理論基礎[3]。

（二）層次化教學

通過實踐教學經驗的積累，構建了體現層次化特征的三個階段實踐體系：基礎原理、綜合應用、開放創新，而三種不同的機器人實驗平臺，也使得這三個階段既相對獨立，又互相銜接，滿足培養學生基礎理論、實踐能力、創新能力和工程素質的需求。

（三）開放性教學

“探索者”模塊化機器人平臺適合讓學生自己動手設計各式結構的機器人模型，各機器人構件具備通用性、重構性，構件之間具有統一的接口，可根據用途進行組合，得到所需的機器人構型及功能[3]。實驗過程中給出的實驗項目設計均為引導性、參考性實驗，學生均需要自行選取元器件進行組裝和編程，該平臺滿足了從機器人基礎原理到綜合應用各個層次的開放性實驗，將實驗主導權更多的交予學生手中。

此外，在開放創新實驗中，DRRobot云臺輪式機器人和Nao人形機器人等更為成熟的機器人產品也為學生提供了更多的選擇，適合實際應用背景的創新項目研發。

二、機器人技術實踐教學

面向人工智能專業的機器人實踐課程群主要分為三個層次，所設計的機器人實驗項目通過循序漸進的三個階段課程結合在機器人實驗平臺的實踐操作，讓學生能夠輕松入門，并在具備相應基礎后進一步獲得創新實踐能力的提高。

（一）機器人組成原理基礎實驗

第一層次是機器人技術的基礎階段，開設課程有《機器人組成原理》，使用的硬件設備主要為“探索者”模塊化機器人平臺，其教學目標是了解機器人技術，實驗內容主要包括機器人零件構成、主控及編程、執行器、檢測與交互、通信等基礎內容。

（二）智能機器人綜合應用實驗

第二層次是應用階段，開設課程有《智能機器人》，使用的硬件設備包括“探索者”模塊化機器人平臺及DRRobot云臺輪式機器人，其教學目標是通過深入學習單片機控制器、舵機、傳感器的內部原理、使用方式，以項目的方式設計實驗內容，配合特定的電子模塊以及應用場景，達到鞏固知識、鍛煉實踐能力的目的。實驗中需要學生自行選擇主控版、舵機執行器、傳感器等零件模塊，完成機械組裝，最終編寫相應的執行程序來實現。主要內容有掃地機器人、機械臂抓取、循跡小車、機器人運動及步態規劃、基于視覺的機器人運動控制實驗、基于顏色分揀機械臂的設計與實現等綜合設計性實驗。

（三）智能機器人開放創新實驗

第三層次是開放創新階段，開設有實踐課程《智能機器人應用設計》，同時適用于科技創新、科技競賽、畢業設計等教學實踐環節，使用的硬件設備包括“探索者”模塊化機器人平臺、DRrobot云臺輪式機器人、Nao人形機器人等所有機器人設備，其教學目標為通過復雜完整的項目鍛煉學生的綜合實踐能力，該部分實驗內容為開放性選題，鼓勵學生自選主題、自選設備、自行設計實現。教學過程采用CDIO的項目式教學開展，培養學生的工程技術水平和實踐素養。

三、應用效果

案例1 課程設計實例

在智能機器人應用設計、智能專業生產實踐等課程中，學生運用“探索者”模塊化機器人平臺自行設計組裝并編程實現的機器人模型。如圖2，圖3。

案例2 科技創新實例

該科技創新項目以DRrobot云臺輪式機器人為基礎，研發一款針對礦井、地下未知空間和管道等空間的智能探測機器人，實現了半自動移動、自動避障、人臉人體識別進行跟隨，并添加Stm32單片機開發板、DHT11溫濕度傳感器、MQ135有害氣體檢測傳感器，實現了單片機將采集的溫濕度氣體濃度通過ZIGBEE_E30模塊無線射頻傳輸至上位機監測。如圖4。

案例3 畢業設計實例

該畢業設計“基于Nao機器人的目標識別和行為設計”，基于Nao機器人，設計一種控制算法，實現機器人自主搜尋、識別與定位目標物體，運用機器人運動學原理規劃行走路徑，并調動機器人手臂實現對目標物體的抓取，以實現為人們提供智能化服務的目的。如圖5，圖6。

四、結束語

本文通過對人工智能專業機器人實踐教學的改革探索，提出了模塊化、層次化、開放性的機器人實踐課程群建設。在教學過程中，學生能夠基于模塊化技術了解機器人組成原理，能夠自主性設計機器人應用主題，并且結合科技創新、科技競賽提高學生自主創新能力和團隊協作精神，學生根據課程體系由淺入深的完成了機器人工程綜合應用能力的系統性實踐訓練，達到提高人工智能專業學生的實踐創新能力的目的，從而適應新興技術的發展和未來社會技能型人才的需求。

參考文獻：

[1]許超，單晶，宋飛，等.模塊化機器人平臺的創新實驗設計與實現[J].遼寧大學學報（自然科學版），2018，45（02）：129-132.

[2]朱海榮，吳瑜.基于工程教育專業認證的機器人創新實驗平臺開發[J].實驗技術與管理，2018，35（11）：32-37.

[3]王濱生，劉輝，劉佳男，等.模塊化機器人創新教學與實踐[M].哈爾濱工業大學出版社，2016.