機器人感知與交互技術課程教學方法探索

李一錦，王晶

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

隨著近些年科技的發展和產業的變革，智能機器人受到越來越多的關注。各個行業對智能機器人及其相關技術的需求非常迫切，因此培養滿足市場需求的機器人領域高級人才是高校人才培養的一個重要任務。為響應國家創新驅動發展、《中國制造2025》、“互聯網+”等一系列重大戰略需求，新工科專業建設應運而生[1]。新工科建設對人才培養質量提出更高的要求[2]。機器人工程專業就是在新工科背景下建立的，以培養機器人產業、 智能制造等領域創新創業型人才為目標的多學科綜合專業[3]。該專業涉及控制工程、計算機、人工智能、微電子、傳感器、新材料、仿生技術等多個學科，具有典型的交叉學科性質[4]。2016年，東南大學首先開設了機器人工程本科專業。至2020年，全國已有200 多所高校開設了機器人工程本科專業。機器人工程專業的培養方案和教學方法已經逐漸系統化和專業化，但仍需要進一步探索。

智能機器人技術主要包括感知、控制、驅動和交互四大技術特征。其中，機器人感知與人機交互技術是其實現自主智能行為的關鍵。通過感知技術，機器人將環境中各種有用信息及時采集并反饋給控制系統。通過交互技術，人與機器人之間可以實現雙向通信。機器人感知與交互技術能夠融合多種傳感器技術以有效地適應環境變化，充分發揮人類的高級規劃智能和機器人執行智能，實現人機優勢互補，對于提高機器人復雜環境適應性和操作便捷性具有重要意義[5-7]。因此，機器人感知與交互技術是機器人工程專業學生從事相關科研、工程設計和開發必須掌握的核心技能之一，該課程成為機器人工程專業培養方案中非常重要的一門課程。本文以《機器人感知與交互技術》課程為例，分析該課程的內容和特點，并探索該課程的教學方法。

1 課程介紹

中國礦業大學（北京）于2019年開設機器人工程本科專業并開始招生。《機器人感知與交互技術》是機器人工程專業本科生的一門專業核心課，于第5 學期開設。該課程總計48 學時，其中理論課40 學時，實驗課8 學時。機器人感知與交互技術課程的體系框架如圖1所示。本課程按內容可以分為感知和交互兩大部分。

感知系統依賴多種傳感器，如視覺、力覺、觸覺、姿態覺等，實現相關信息的獲取、融合、理解及控制。本課程著重介紹力覺傳感器、 觸覺傳感器以及傳感器解耦方法，要求學生掌握傳感器的基本原理和應用。當傳感器技術應用于機器人領域時，需要考慮其與機器人其他模塊的集成。因此，感知部分也介紹機器人交互技術涉及的感知和認知基礎相關內容，如人的感知基礎、知覺特性、認知過程等。

交互系統主要實現人與計算機之間的信息交換。人們可以通過鍵盤、鼠標、操縱桿、位置跟蹤器等設備，用手、腳、聲音、姿勢等向計算機傳遞信息。本課程的交互部分主要包括三個方面。首先總體介紹人機交互框架，交互模式和模型以及三維圖形交互。第二部分介紹物理性人機交互，包含基于鍵盤、鼠標、手柄、數據手套的機器人交互，以及物理性人機交互的交互傷害分析和交互安全策略。第三部分介紹認知性人機交互，包括基于手勢視覺識別的機器人交互。

本課程的實驗部分共8 學時，安排兩次實驗，如圖1所示。感知技術部分，安排機器人力覺傳感器解耦方法實驗，指導學生采用多種方法，如最小二乘法、BP 神經網絡、支持向量機等，完成傳感器輸出數據的解耦。該實驗能夠加深學生對傳感信息的精確獲取、 多傳感器信息融合等內容的理解。交互技術部分，安排機器人三維圖形交互實驗，基于Open Inventor 建立精確逼真的機器人模型及工作環境，實現機器人運動的模擬仿真。該實驗對機器人任務離線模擬與驗證、實時在線操作和控制等方面的應用具有重要指導意義。

圖1 機器人感知與交互技術課程體系框架

2 課程特點分析

機器人工程是在新工科背景下建立的一個多學科的綜合性專業。機器人感知與交互技術正是面向機器人工程專業新開設的一門課程。準確把握課程特點對制定課程教學方法具有重要意義。該課程的特點主要包括以下幾個方面：

（1）理論性強。作為一門專業核心課程，本課程內容涵蓋很多基礎理論，如感知系統的設計原則和方法、傳感器的原理、交互的設計原則和框架、交互的原理和設計方法等。這些理論將在機器人感知與交互系統分析和設計過程中起到重要指導作用，是構建完整感知與交互知識體系的基石。重視課程的理論基礎，將有助于學生后續課程的學習，更好地推動相關實踐及創新環節的開展。

（2）不同章節的內容之間關聯性強。本課程雖然按照內容可以分為感知和交互兩個部分，但兩部分之間具有很強的相關性，綜合起來構成機器人的感知與交互系統。感知部分不同于傳統的傳感器技術，本課程充分結合機器人背景，內容圍繞機器人感知展開，同時考慮機器人交互所涉及的感知和認知基礎。交互部分，無論是物理性交互或認知性交互，都融入了信息感知和傳感器的部分。因此本課程不同章節的內容之間關聯性強，需要從系統角度、整體角度把握課程內容。

（3）強調實踐創新能力的培養。本課程是一門應用性極強的課程。感知與交互技術的應用范圍非常廣泛，所有機器人都必須配備相應的感知與交互系統，才能正常發揮其功能。同時，根據機器人的功能不同，其感知與交互系統的設計與實現也千差萬別。通過本門課程的學習，要求學生具有實踐能力和創新能力，能夠針對復雜工程問題的提出滿足特定需求的解決方案。

（4）課程內容更新快。機器人技術不斷朝著自動化、智能化、微型化的方向發展，發展速度極快。課程內容需要不斷更新，以適應社會需求和行業需求。

3 課程教學方法探索

近年來，教學方法不斷改革創新，但“以學生為中心，以產出為導向，持續改進”的理念和原則始終不變。通過改革教學方法、創新教學形式、強化實踐環節等，激發學生的學習興趣和潛能，發揮學生的主觀能動性，鼓勵學生積極參與到課堂中，加深學生對知識的理解，培養學生的實踐能力和創新能力。機器人感知與交互技術課程是一門兼具理論性和應用性的課程，由于機器人工程專業開設不久，可借鑒的針對本門課程的教學方法和體系仍不完善，因此本門課程教學方法的制定要尤為謹慎，提出以下幾點思考。

（1）強調理論教學的重要性。基本理論是構建完整知識體系的重要基石，也是本課程的教學重點和難點之一。學生只有掌握了基本理論和基本方法，才能在此基礎上進行應用和創新研究。例如感知模塊，課堂教學要求學生掌握傳感檢測的基本原則、 基本原理和評價準則。以此為理論基礎，當遇到新的感知模塊時，學生能夠進行類推，快速掌握要點，提高學生學習新知識的能力。

（2）鼓勵動手實踐，加強實踐能力的培養。本門課程安排了8 個實驗學時，利用機器人專業實驗室，通過完成實驗來培養學生的動手能力和實踐能力，但這對工科學生來說遠遠不夠。由于課程具有很強的應用性，可以通過與相關企業達成合作意向或者實訓意向，為學生提供接觸工業現場的機會。通過現場的參觀、交流以及見習等，加深學生對理論知識的理解，培養學生的實踐能力，及時了解工業現場以及市場需求，引導學生有針對性地進行能力提升，適應行業需求。

（3）創新項目輔助。中國礦業大學（北京）的大學生創新創業訓練項目（大創項目）開設在第4-6 學期。機器人感知與交互技術課程開設在第5 學期，正是“大創”項目開展的關鍵階段。本專業的“大創”項目一般圍繞機器人相關技術展開，通過本課程的學習，鼓勵學生將所學知識運用于“大創”項目，為機器人增加或者完善感知與交互模塊，在研究中積累實踐經驗，通過發現問題、討論、提出解決方案、調試、解決問題的一系列過程，加深學生對知識的理解，鍛煉學生的實踐能力。

（4）競賽引導。機器人領域的學科競賽活動非常豐富，如北京市大學生機器人大賽、華北五省（市、自治區）大學生機器人大賽、中國機器人大賽暨RoboCup 大賽等。校內的團學組織也組織了相關的科技競賽，如智能小車循跡大賽等。通過鼓勵學生積極參加機器人領域的學科競賽，以解決問題為導向，引導學生綜合運用所學知識，設計機器人系統，進一步加強創新能力和實踐能力的培養。

（5）前沿追蹤，開闊學生的視野。近年來，機器人技術正飛速發展，機器人感知與交互技術作為機器人技術的重要部分，也不斷經歷更新與迭代。僅依靠教材的更新是不夠的。因此，通過合理利用開放教學資源，補充了解學習國內外教學網站的學習資料，將有助于加強學生對課程內容的理解。同時，鼓勵學生查閱機器人感知與交互領域的相關文獻，了解行業前沿，緊跟科研及產業發展動態，不斷更新開闊自己的認知和視野，將有利于學生未來的研究生學習及相關領域就業。

（6）設置持續改進措施，提高教學效果。教學要堅持以學生為中心，學生“學得好”才是教學的目標。本課程是機器人工程專業的新開課程，教學經驗積累較少。通過設置學生反饋、隨堂測驗等環節，進行教學過程跟蹤，加強與學生的溝通，及時把握學生的學習動態，深入了解學生的學習難點，了解學生需求，有針對性地調整教學方法和教學內容，逐漸實現學生“學得好”的目標。

4 結語

機器人感知與交互技術是機器人工程專業的一門專業核心課。本文介紹了課程內容體系，分析了課程特點，提出了對課程教學方法的幾點思考。機器人感知與交互技術課程具有理論性、交叉性、實踐性、前沿性等特點，因此在教學中應重視理論基礎，加強實踐能力的培養，結合大學生創新項目和學科競賽等培養學生的創新能力，追蹤前沿發展動態，開闊學生視野。同時，設置持續改進機制，不斷完善教學效果。