毛湘宇， 陳世剛

(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院, 四川 成都 611731)

基于理論重構(gòu)的開發(fā)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

毛湘宇， 陳世剛

(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院, 四川 成都 611731)

現(xiàn)有機(jī)器人實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證型和應(yīng)用型實(shí)驗(yàn),不利于培養(yǎng)學(xué)生自主開發(fā)的能力。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上建立一個(gè)基于知識(shí)理論重構(gòu)的開發(fā)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?；谥R(shí)理論重構(gòu)的開發(fā)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了多種學(xué)科的知識(shí)重構(gòu),有利于培養(yǎng)學(xué)生自主開發(fā)能力。利用該平臺(tái)學(xué)生既可以完成綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),也可以開發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目。

機(jī)器人； 開發(fā)型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； 理論重構(gòu)

隨著高校辦學(xué)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和辦學(xué)層次的不斷提高,對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理提出了更高的要求，要求我們轉(zhuǎn)變教學(xué)思想,探索新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段,深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[1]。機(jī)器人教學(xué)是當(dāng)前我國(guó)教學(xué)改革中的研討熱點(diǎn)之一。已有不少學(xué)者指出,可以通過機(jī)器人實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,彌補(bǔ)當(dāng)前高等教育中實(shí)踐創(chuàng)新教學(xué)手段的不足[2]。萬佑紅等[3]人分析了機(jī)器人教育對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的作用,并給出了相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)、科技競(jìng)賽和實(shí)習(xí)實(shí)踐等具體實(shí)施方法。肖曉萍等[4]人介紹了她們自行研制的一套機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)及其應(yīng)用情況。黃文愷等[5]人介紹了機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)的硬件建設(shè)、課程設(shè)置和實(shí)施方法。王詠梅等[6]人則重點(diǎn)討論機(jī)器人創(chuàng)新開放實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),包括教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)室管理模式等。董愛梅[7]探討了以機(jī)器人為平臺(tái)的大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系,并從課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等方面闡述了如何利用機(jī)器人平臺(tái)來培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。哈工大機(jī)器人研究所圍繞建設(shè)世界高水平機(jī)器人研究所,在科研、教學(xué)和產(chǎn)業(yè)化等多方面做出了很多成果[8]。此外,彭紹東[9-10]還研究和分析了通過機(jī)器人輔助教學(xué)、管理教學(xué)以及主持教學(xué)的意義和實(shí)施方法。

然而,如何圍繞機(jī)器人實(shí)驗(yàn)來構(gòu)建創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系,利用好機(jī)器人這一實(shí)踐教學(xué)平臺(tái),依然是目前值得考慮的問題[11]?，F(xiàn)代機(jī)器人實(shí)驗(yàn)多以驗(yàn)證型和應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)為主,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可以驗(yàn)證機(jī)器人理論,實(shí)現(xiàn)一些創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念,但這些理念雜亂無章,很難在頭腦中形成完整體系。通過和學(xué)生交流,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的機(jī)器人實(shí)驗(yàn),都不能解決學(xué)生自主開發(fā)能力培養(yǎng)的問題。現(xiàn)有的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)都是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用,缺乏學(xué)生自主開發(fā)的學(xué)習(xí)過程。本文提出一種基于知識(shí)理論重構(gòu)的開發(fā)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)多學(xué)科知識(shí)理論重構(gòu),從而解決學(xué)生培養(yǎng)自主開發(fā)能力的問題。

1 開發(fā)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

機(jī)器人是非常典型的機(jī)電一體化系統(tǒng),它融合了機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)軟硬件、控制、人工智能和造型技術(shù)等眾多的先進(jìn)技術(shù)[12]。

1.1 開發(fā)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)體系

根據(jù)知識(shí)及能力培養(yǎng)的深度,將開發(fā)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)知識(shí)體系主要分為:基礎(chǔ)型和擴(kuò)展型,循序漸進(jìn),建立學(xué)生的機(jī)器人開發(fā)體系。由于機(jī)器人是非常典型的機(jī)電一體化系統(tǒng),基礎(chǔ)型的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)開發(fā)體系是以機(jī)械和電子實(shí)驗(yàn)為核心的理論框架,如圖1所示。對(duì)于學(xué)習(xí)機(jī)器人開發(fā)流程的初學(xué)者,在頭腦中形成這樣一個(gè)知識(shí)重構(gòu)的理論框架非常重要,這也是現(xiàn)在很多機(jī)器人實(shí)驗(yàn)所忽略的。

圖1 基礎(chǔ)型機(jī)器人開發(fā)體系

擴(kuò)展型的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)開發(fā)知識(shí)體系是在基礎(chǔ)型的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)開發(fā)知識(shí)體系基礎(chǔ)上由學(xué)生自行擴(kuò)展,可引入多種技術(shù)。傳感器技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)中應(yīng)用最多的技術(shù)之一。引入傳感器技術(shù)的擴(kuò)展型的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)開發(fā)知識(shí)體系如圖2所示。基礎(chǔ)型和擴(kuò)展型的機(jī)器人開發(fā)體系實(shí)際上是多學(xué)科知識(shí)理論在學(xué)生大腦中的重構(gòu)結(jié)果。多學(xué)科知識(shí)理論重構(gòu)產(chǎn)生的是學(xué)生自主開發(fā)流程的知識(shí)體系,從而解決學(xué)生培養(yǎng)自主開發(fā)能力的問題。

圖2 擴(kuò)展型機(jī)器人開發(fā)體系

1.2 課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

在課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,采用基礎(chǔ)型的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)開發(fā)體系,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括方案選型、電路設(shè)計(jì)制作、機(jī)器人結(jié)構(gòu)搭建和組裝調(diào)試。由于課堂教學(xué)的重復(fù)性,機(jī)器人結(jié)構(gòu)搭建采用的是創(chuàng)意之星模塊化機(jī)器人構(gòu)件實(shí)現(xiàn)。

(1) 方案選型。創(chuàng)意之星模塊化機(jī)器人構(gòu)件可搭建的機(jī)器人結(jié)構(gòu)非常多,常見的包括機(jī)械手、輪式機(jī)器人、機(jī)器蛇、三足步行機(jī)器人等。這些機(jī)器人都可以在開發(fā)的平臺(tái)中使用。

(2) 電路設(shè)計(jì)制作。電路設(shè)計(jì)制作是由教師指導(dǎo),學(xué)生自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)流程。電路是基于ATmega16的單片機(jī)最小系統(tǒng),由主電路、下載接口、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成。使用ATmega16輸出多路PWM波控制分別控制直流電機(jī)和舵機(jī)。機(jī)器人控制電路如圖3所示。

圖3 機(jī)器人控制電路

(3) 機(jī)器人結(jié)構(gòu)搭建和組裝調(diào)試。機(jī)器人結(jié)構(gòu)搭建采用的是創(chuàng)意之星模塊化機(jī)器人構(gòu)件實(shí)現(xiàn),以三足步行機(jī)器人為例,完成的機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 三足步行機(jī)器人

2 開發(fā)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成果

開發(fā)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開放以來取得了很好的效果。利用擴(kuò)展型開發(fā)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái),學(xué)生申請(qǐng)大量的機(jī)器人創(chuàng)新項(xiàng)目,其中包括球型機(jī)器人、仿生五指機(jī)器手、蛇形機(jī)器人等多種機(jī)器人構(gòu)型。圖5為學(xué)生自主研發(fā)的十字軸萬向節(jié)式蛇形機(jī)器人。這是一種分布式控制的任意體節(jié)可互換的蛇形機(jī)器人。蛇形機(jī)器人開發(fā)體系如圖6所示。通過開發(fā)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái),學(xué)生獲得了自主研發(fā)項(xiàng)目的能力,這是現(xiàn)有大多數(shù)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)不可實(shí)現(xiàn)的。

圖5 十字軸萬向節(jié)式蛇形機(jī)器人

圖6 十字軸萬向節(jié)式蛇形機(jī)器人開發(fā)體系

在開發(fā)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中,鼓勵(lì)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽和全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新大賽,并取得了省級(jí)獎(jiǎng)多項(xiàng)的好成績(jī)。由于組織了部分學(xué)生參與實(shí)踐,并取得了良好的效果,起到了很好的輻射作用,學(xué)生積極參與開發(fā)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的興趣高漲,反過來也有力地促進(jìn)了課堂教學(xué)的開展。

3 結(jié)束語

開發(fā)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠滿足計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、機(jī)電、傳感、通信、能源、認(rèn)知與智能科學(xué)等眾多學(xué)科相關(guān)專業(yè)的課程教學(xué)與實(shí)踐的需要,包括課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等創(chuàng)新實(shí)踐。各種機(jī)器人實(shí)驗(yàn)為這些學(xué)科的探索性實(shí)驗(yàn)和自主性學(xué)習(xí)提供了非常好的通用平臺(tái)。開發(fā)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用開發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,并更加全方位、全過程、多手段地將眾多學(xué)科的知識(shí)理論融合到一個(gè)體系。同時(shí),把工程對(duì)象融入實(shí)踐教學(xué)中,創(chuàng)造一個(gè)以學(xué)生為主體,充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和科技創(chuàng)新能力。

References)

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Experimental platform for developing robot based on reconfiguration of theories

Mao Xiangyu, Chen Shigang

(School of Mechanical Electronic and Industrial Engineering,University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731,China)

The modern robot experiments for verification and application cannot develop the students’ ability of independent development. The students can verify the theory of robot in the experiment,with the realization of some innovative design concept,but it is difficult to form a complete system of knowledge in the mind. The experimental platform for developing robot on the reconfiguration of theories is established based on the existing experimental equipment.This experimental platform for the developing on the reconfiguration of knowledge theory has achieved the reconfiguration of multi-disciplinary knowledge theory, which is beneficial to training the students’ autonomous development ability. The students can finish the integrated replication experiment and develop the innovative projects.

robot； developing experimental platform; reconfiguration of theories

2015- 02- 12 修改日期：2015- 04- 01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51005040)；工程訓(xùn)練中心教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)與改革(A1098521-012)；電子科技大學(xué)2010-2013年教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)專項(xiàng)(2010XJYZD009)

毛湘宇(1982—)，男，湖南長(zhǎng)沙，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)和機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.

E-mail：mao_825@126.com

TP24；G484

A

1002-4956(2015)9- 0103- 03