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2010-02-10 21:45:01
大学工科开设机器人技术实践性课程的初探
于季刚 黄 玮 庄明峰 吴双临
(鹭江职业大学电子工程系，福建 厦门 361005)
[摘 要]:大学工科尤其是自动化专业开设机器人技术实践性教学课程能使学生建立机器人、控制技术和人工智能的工程概念和提高动手能力，并为LabVIEW软件的学习打下良好基础。
[关键词]：机器人技术；实践性课程；工程概念
[中国分类号]：G642.3
for Engineering Students
Yu ji-gang,Huang wei,Zhuang ming-feng,Wu shuang-lin
(Department of Electronic Engineering,
[Abstract]: This paper proposed the importance of setting up the practical course about robot technique for the engineering students especially for the automation students. The practical course about would help the students to set up the concept on robot control theory and Artificial Intelligent, their skills on practical capability can be improved ,it would also lay a profound foundation on the LabVIEW software programming.
[Keywords]: Robot Technique, Practical Course, Engineering Concept
1、 引言
机器人技术作为信息技术和先进制造技术的典型代表和主要技术手段，已成为世界各国竞相发展的技术。1954年，美国人乔治·德沃尔设计了第一台电子程序可编程的工业机器人，并于1961年发表了该项机器人专利。自1962年美国万能自动化（Unimation）公司研制出世界第一台工业机器人(GM)以来[1](p2)，日本等国也很快地相继研制出了自己的机器人。随着工业的快速发展，机器人的优点逐渐显现出来，各国都看到了机器人技术对工业发展的深远影响，把机器人的研制列入重点发展项目，使机器人技术得以快速发展。现今最尖端的机器人是具有人类外观特征，并可以模拟人类行走的类人型机器人。机器人技术是广泛涉及人工智能、计算机视觉、自动控制、精密仪器、传感和信息技术等一系列学科的创新研究和综合集成。机器人技术是一门综合性很强的学科，它代表着一个国家的高科技发展水平。建国以来，我国的机器人从无到有，特别是改革开放以来，机器人的发展突飞猛进，机器人技术已经深入到各个领域，在不同的岗位上完成人类难以完成的工作。
近年来，为落实教育部提出的“以信息化带动教育现代化”的战略部署，激发了学生的创新精神和培养实践能力，全面推进了素质教育，我国相继开展了各种各样的科技竞赛活动，这些活动引起学生极大兴趣，充分调动了学生的积极动手能力和创新能力。由于机器人自身的特点和对未来社会的影响，机器人技术不仅是全面素质教育的好教材，而且也是科普教育的重要工具。本研究建立在乐高机器人应用的基础上，阐述了大学工科机器人技术实践性课程开设的可行性和可操作性。大学工科开设机器人技术实践性的课程，有助于学生建立机器人、控制技术和人工智能的工程概念，有利于提高动手与编程能力。对培养学生的创新能力，设计能力，动手能力，综合应用能力和学习兴趣，培养新世纪机器人技术的人才，对我们的教育改革和机器人技术发展具有重要的现实意义。
2、 乐高机器人介绍
由麻省理工学院开发的乐高机器人[2]是一种由内嵌了微型计算机的控制器和可编程积木构成，它能以多种方式（包括传感器方式和红外通信方式）与外部世界交流信息。可编程积木的开发符合了某些领域研究的需要，我们可以利用这些可编程积木方便地构成一个仿真系统平台来完成我们的研究。
为乐高机器人编写程序的ROBOLAB软件是一个起步低，直观易学的图形化编程环境，是以美国国家仪器公司（National Instrument）的LabVIEW软件为基础的二次开发[3]。LabVIEW软件是流行于测量和自动化领域的一种直觉式适用于数据采集和仪器控制的图形化程序语言，图形化编程语言被称为“工程师的语言”，使用这种语言时只需从功能面板选取需要的图表，拖曳到编程窗口，通过连线，即可完成编程。它给工程师和科学家提供了功能强大的编程环境，编程人员不需要以传统的编写程序方法来建立自己的系统，而是以直接的方法建立面板的人机界面和方块图程序，使编程过程直观简捷，为更好地完成如制造、质量测试、数据采集分析等任务，大大地缩短了开发周期。它编制的程序以框图的形式，允许建造强大的应用软件。对于使用者来说，编程就像设计流程图一样，在很短的时间内就能够学会，并熟练地应用于研究和工作。而且LabVIEW的强大功能和复杂性是在NASA(美国国家航空和宇宙航行局) [4]这种水平的工程和科技为基础的。在1997年NASA的火星任务中， LabVIEW用于监测“漫游者”的位置和状态。1997年诺贝尔物理奖获得者William D. Phillips[5]博士选用LabVIEW作为编程环境, 控制他发明的全新原子冷却实验。
ROBOLAB软件保留了LabVIEW强大的功能，这种编程方式避免了学生对学习语言编程的枯燥性，使学生在较宽松、直观的编程环境中学会编程的一种思路和理念，也有益于老师以直观易见的方式教授难以理解的编程概念。该软件支持在PC上运行，可通过连接在控制器输入端口的传感器采集数据，通过红外发射器将所采集的数据上传到计算机，进行数据分析（或进行绘图）和显示，并可以通过基于TCP/IP的互联网编程工具进行远程监控。ROBOLAB还具丰富的数据分析函数库，包括微积分、曲线拟合和PID运算等，方便学生们直接进行数值分析与处理。详细的在线帮助内容，便于学生对软件的掌握和使用，减少了学生对教师的依赖。ROBOLAB还准备了200多个编程模块，可以支持C/C++或VisualBasic等常用软件的编程。该软件的易学性和编程功能不仅成为广大学生们的理想的编程工具，也受到许多专职工程师们的欢迎。
乐高机器人教育产品让学生找到适合自己的起点，使用乐高机器人，学生的整体构思、设计和开发过程俨然是实际工作中的真实体验。他们就像真正的工程师一样，针对实验主题，进行研究、策划、设计、组装和测试。学生可以小组为单位，使用丰富的乐高积木、传感器、马达及齿轮等设计自己的机器人，并为机器人编写程序，让它完成自己想让它做的事情，如果有问题，学生就要重新考察设计结构、调试程序……直到最后的成功。
ROBOLAB的环境不仅让学生可以广泛探索工程设计领域的各种问题，而且极大的满足了各种高级用户的需求。利用ROBOLAB的直观性和乐高积木的易动手搭建性能，使得传统枯燥的编程任务变成了有趣的过程。学生们在编程过程中不但学习和增进了这些相关知识，同时还提高了作为一个成功者不可缺少的动手能力、语言表达能力、解决问题能力和团队合作的能力。
3、大学开设机器人技术实践性课程教学的实际意义
机器人技术是一门跨专业，高度综合的新兴学科。它综合了应用数学、力学、机械、电子、计算机、自动控制、传感技术、通信和人工智能等学科的最新成就，是光机电一体化的典型应用。开展机器人技术实践性课程的教学，可以培养学生综合应用能力和提高科学素质。大学三年级以上的学生可以参与改革试点。学生根据任务需要，在教师指导下进行系统模块配置，模块设计，机器人结构设计安装，制作，调试，模块软件编程等环节的学习，设计并制作小型机器人进行比赛。此项教学改革可以把机器人技术实践性课程的教学和第二课堂相结合，利用学生的课余延长设计时间，提高设计课题的综合性，对培养学生的设计能力、创新能力、动手能力和跨专业的综合应用能力，为全面素质教育的开展，开辟了新途径。
机器人技术还适应于要求起点高、层次深的研究性课题，有利于培养学生观察、分析、试验、设计和动手等诸多研究能力。早在1989年9月，美国前总统布什召开的美国历史上史无前例一次全美工作会议，会议制定了21世纪美国教育的六点战略目标和四步战略步骤，并发表了《美国21世纪事业对学校的要求》的调查报告（What Work Requires of School a SCANS Report for America 2000）报告中指出[6]：由于科学技术的爆炸性发展和全球经济化的进行，就业市场已对工作者提出越来越高的要求，就业者不但要具备一定的知识基础，而且要具备较强的动手能力和各种实际技能，并具体提出从业人员需具备五大能力，三大基础。这五大能力指：①、资源统筹能力；②、能利用多种科技知识手段进行工作的能力；③、获得并利用信息的能力；④、认识复杂交错的相互关系进行系统运作能力；⑤、善处人际关系同他人合作的能力。三大基础是：①、能力基础；②、思维基础；③、素质基础。而机器人技术的教育和应用正是有利于对学生这五大能力，三大基础的培养。
目前我国和国际上已有许多大学院校开展了相应的机器人技术实践性课程的教学活动，许多院校把相应当实验室称为创新实验室。如：美国麻省理工学院（MIT）[7]、Case Western Reserve University[8]、City University of New York[9]、我国的上海交通大学、宁波大学、天津职业技术学院和香港理工大学等多所院校。
4、 鹭江职业大学电子工程系的实践与体会
随着教育改革的深入，长期以来主要依靠传授为主的继承性学习正在被自主性和创造性学习所代替。鹭江大学引入了乐高的核心套装、机器人团队挑战套装、动力机械套装、机械工程套装等机器人套件,为学生提供了开设研究型课程的试验器材，并开始在毕业设计中增设了“机器人”的研究课题。运用乐高机器人系统学生们建立了自动货物仓库模型、货物分拣系统及PCB板静态工作点和动态参数的自动测试与分析系统等研究课题。并在2003年的全国大学生电子设计竞赛中电子系的学生仅利用一天多时间的学习，应用乐高积木和ROBOLAB软件设计了大赛中E组题目的智能小车，该系统的应用得了各位评委和其他学校指导老师与参赛选手的充分注意，乐高机器人可编程积木（可以方便地构建一个系统仿真平台）和控制的灵活性得到了大家的一致肯定。
通过乐高机器人的实践，对学生建立工程概念，并对计算机、数学、物理、力学、机械和自动控制等学科的多方面知识的综合应用起到了一定的作用；使学生开阔了视野、拓宽了思路，突破了原来的思维定式。当今社会，科学技术的快速发展要求学生不但要掌握基础知识和专业知识，还需要对综合知识、前沿知识和交叉知识等多方面知识的掌握和应用，特别是机器人技术更需要多方面先进的综合性知识。乐高机器人具备了这方面的潜能，它包含能源（包括太阳能）、环保、光敏、热敏、遥控、虚拟仪器和电脑编程等多种先进科学技术，可应用多种知识来构思设计并动手制造出各种仿真机器系统，更具有时代特征和适应社会发展的潮流。机器人技术实践性课程使学生改变了以往实践性课程中的标准化、常规化，在没有预先设定的框框和结论的基础上，一切靠学生自主地去探索、想象、构思和设计，充分发挥学生的创造力，使学生置身于充满趣味性、创造性、挑战性的活动中。由于没有固定的模式和肯定的标准答案，也不受教材和结论的制约和限制，学生完全在一个开放性的环境中进行自主式的探索和研究，培养了学生勇敢、自信、质疑和好奇等心理素质，在客观上使学生勇于思考，善于探索，追求自身价值，克服了思维定势和思维障碍。
在科技日益发展的今天，实践性课程开设的概念和内涵也要跟上时代的步伐，抓住机遇，把教学放在学生能力的培养上。提高实践性课程的研究水平和技术含量，通过智能教学模型来解决生产实践遇到的实际问题，开阔视野，对激发学生的研究兴趣，为进入下一阶段的学习打下坚实的基础。
5、 结论
基于现代技术的创新是我们实验的目标，培养学生的创新思维和工程概念是第一位的，培养学生这方面的素质已成为现今教育改革的重要目标之一。推动大学生科技创新和科技竞赛活动的发展，提高他们的科学素质，激发广大学生们学习、探索、掌握和运用机器人技术的兴趣，促进了教育制度的改革。类似乐高机器人的教学系统如德国的惠鱼机器人、广州天河双龙的单片机机器人和凌阳科技的开发系统都将得到了广泛的普及应用。在大学工科尤其是自动化专业开设机器人技术实践性教学课程，可以给学生们提供一个平台和环境，让学生自己去想象，去创造，培养学生非常缺乏的动手能力、创造力和想象力，并能够鼓励学生去不断地探索，掌握最先进的技术，开拓未来。所以大学工科开设机器人技术实践性课程是可操作和可行的。
作者简介：于季刚（1963.2—），男，山东乳山人, 实验师，从事实验教学与实验室建设
[参考文献]：
[1] 蔡自兴.机器人学[M].北京.清华大学出版社,2000.
[2] 西觅亚科技网站中心.关于乐高教育部[EB/OL].
[3] National Instruments. Education Initiative. [EB/OL].
[4] NASA(NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION). home. [EB/OL].
[5] NIST Physics Laboratory. Physics Laboratory News. [EB/OL].
[6] 蒋端六.探索型实验带动研究性课程的发展—三年来惠鱼智能教具在我院实施情况述介[J].无锡教育学院院报.2001.03.p64
[7] Massachusettes Institute of Technology. Autonomous Robot Design Competition. [EB/OL].
[8]
[9]
本文发表于：
2004年9月刊. 厦门鹭江职业大学学报
作者联系地址：厦门鹭江大学电子系，邮编：361005
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