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智能机器人作为一个最为典型的工程系统对象，涵盖了机械、电气、信息、通讯、控制、系统等所有现代工程专业的内容，因此机器人作为一个典型的系统对象，是所有创新工程专业教育改革的理想载体，可以贯穿工程训练、专业基础教育和专业创新教育的全过程，是教学实验和研究的最理想的平台。智能机器人实验室是一个涉及多学科，测、控充分结合的实验室，集各种传感与执行机构于一体，又是一个测控一体化的综合实验对象。
首都师范大学智能机器人实验室是专门服务于智能科学与技术专业本科教学和实践的系统平台，是高年级智能机器人、模式识别等专业课程的实践创新基地。经过近10年的建设发展，我们在实验室建设、实验体系研究、目标定位等方面积累了一定的经验。
1 实验室建设定位和配置
智能机器人与模式识别是智能科学与技术专业的特色，其中，智能机器人重点培养学生在智能机器人设计与开发、智能机器人传感器技术、智能控制、多传感器信息采集与融合等方面的实际应用能力；模式识别是基于信号处理、人工智能、计算机等技术，用机器代替人去识别和辨识客观事物，用数学技术方法来研究模式的自动处理和判读的学科内容，其相关系统理论和方法的研究近年来迅速发展，因此实验室的建设主要围绕这两门课程的实践教学和科研活动展开。
实验室自2005年创建，占地面积约150m2。根据教学实践需要，实验室设备配置包括通用计算机系统、小型组足球机器人、轮式智能移动机器人平台、大学生创新实践中级套件、示教型教学工业机器人、各种传感器等。软件系统包括Matlab、机器人编程系统、通用编程语言环境、模式识别工具箱等，在这些设备的基础上，开展智能科学与技术的实践教学。随着设备的老化，根据课程发展的需要，实验室即将购进人形机器人、灭火机器人、游历机器人以及自主设计机器人的各类配件。
2 实验室创新实验体系
2.1 通用创新实验体系
根据智能科学与技术的学科特点，智能机器人实验室提供循序渐进的系统训练课程：初级课程、中级课程、高级课程，具体开课情况见表1。
（1）针对低年级学生的系统化基础工程训练：学生可以利用该平台，进行学科基本能力的培养，包括计算思维能力、算法设计与分析能力、程序设计能力、开发应用能力等；并能够动手组装和调试简单电路；编写控制软件；获得全方位的、系统化的基础工程训练。
（2）针对中年级学生：可以利用该平台，进行系统能力的培养，要求学生能够站在系统的全局去看问题、分析问题和解决问题，从而更加深入地学习并实践自动控制、电子电路、微机原理接口技术及应用、单片机原理与应用等学科知识与试验学习结合起来。
（3）针对高年级学生：利用该平台，深入研究目前前沿的学科知识，进行人工智能、图像处理、语音识别、机器人自主导航、运动控制、机械设计、机械电子学、电机拖动、机器人学、自动控制、数字控制、先进控制、智能控制、传感器、传感器信息融合、信号处理、模式识别、人工智能、面向对象编程、软件工程、图像处理、语音识别、神经网络、遗传算法等多学科的研究验证，进行创新能力培养。
2.2 智能机器人课程实践教学体系
智能机器人是首都师范大学智能科学与技术高年级学生的重要专业课程，涉及的学科范围包括力学、机器人拓扑学、机械学、电子与微电子学、控制论、计算机、生物学、人工智能、系统工程等诸多课程，是理论性、实践性和综合性很强的课程，也是培养学生具有机械设计能力、能够直接解决实际问题的课程。该课程授课课时为36学时，实验课时为36学时，达到了1：1的比例。
第一阶段，教师以最为典型的能力风暴机器人、示教—再现机器人为教学对象，让学生掌握基本程序的编制，掌握电机的控制方法，掌握最简系统的组装、编程、调试的方法，能够实现基本系统的各种控制，实现机器人走正方形、机器人边唱边跳等经典控制项目，从而对机构设计、软件编制以及优化有一定的认识。
第二阶段，设计和开发自己的机器人运动机构，完成机器人综合组装、调试工作，在第一阶段的基础上增加一些标准传感器知识，学生可以通过对典型传感器，如红外传感器、光敏传感器、碰撞开关、光电编码器等使用学习，完成机器人跟人走、避障等实验。另外，学生熟练掌握完整智能控制系统的编程与应用方法，为拓展其他各种传感器与功能模块的应用打下基础。
第三阶段，学生可以在以上基础上增加其他各种扩展芯片、传感器、大学生创新模块套件及执行机构，熟练应用不同传感器，设计方案以及试验环境来实现不同功能，例如完成语音控制机器人小车、加工车床等试验。通过这个环节，学生可以深入掌握不同传感器及执行机构的工作原理与应用方法，培养学生解决实际问题的能力。
第四阶段，面向竞赛和学生科研课题，学生独立进行自主创意或完成指定项目的设计。在这个阶段，学生可以对人工智能、图像处理、自主导航、遗传算法等前沿学科进行深入研究及验证，例如火星陨石标本采集概念机器人的设计、智能图书存取系统设计等。
2.3 模式识别课程实践教学体系
模式识别课程是首都师范大学智能科学与技术高年级学生的重要专业课程，其目的是通过对模式识别基本理论、概念和方法的学习，使学生能够灵活运用所学知识，借助计算机解决实际工程应用中的自动识别问题，其主要任务是使学生掌握对物体进行分类的有关理论和方法。实验课是本课程重要的教学环节，目的是使学生掌握模式识别基本分类方法的算法设计及其验证方法。提高学生分析问题、解决问题的能力。本课程授课课时36学时，实验课时时。
第一类实验是安装并使用模式识别工具箱。本次实验可以让学生了解模式识别软件的具体形态、基本设置以及运行流程，了解基本识别方法的工作过程。
第二类实验使用常用分类算法进行实验，例如，贝叶斯分类算法的原理和使用、最近邻算法的分析试验。
第三类实验为课程设计，例如用支持向量机进行人脸识别。本次实验可以让学生掌握支持向量机的运行机理、参数选择与快速算法等，了解在实际分类中学习样本库的重要性。
3 实验室发展成果
3.1 提高科研水平，促进实验室良性发展
实践证明，科研项目的研究对改善学科软硬件条件作用重大。在带动实验室建设上，科研课题以优势、特色学科为基地，购置大量先进的仪器设备，构建起坚实的实验条件，在完成科研任务的同时，转化为学科教学、科研发展的基础设施，为培养高水平本科人才提供物质支撑。首都师范大学智能科学与技术专业先后申请主持国家自然科学基金项目等国家级项目4项、省部级项目近20项，校级项目若干，发表包括SCI、EI检索在内的学术论文一百多篇，从而极大促进了智能机器人的实验室建设，为实验室的长期发展创造坚实的物质基础和持续的科研动力。
3.2 开展学生科研，培养学生创新能力
智能科学与技术专业坚持以智能机器人实验室为依托，鼓励学生申报、开展各级各类学生科研项目，进行专业实习、完成毕业设计，并按照本科生的学习发展阶段，为学生规划科研申报体系，如图1所示。
近四年来，我们积极组织学生申请全国级大学生创新实验计划6项，参与学生近30人。申请校级各类学生科研项目近20项，参与学生近百人。通过有组织地、循序渐进地开展学生科研，学生极大地发挥了钻研精神和创新能力。
3.3 通过学科竞赛，调动学生实践积极性
中图分类号： TP242.2 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20160132012
1 引言
随着城市化的普及，人们经济收入的增加，生活水平的提高，人们对汽车的需求及购买力度越来越大，汽车需求量飞速增长，汽车车身涂装是汽车制造中主要的生产工艺之一，它不仅能够提高汽车产品的耐蚀性，延长汽车使用寿命，它还最直接地体现了汽车外表面颜色、光泽和亮度等质量的优劣，是人们对汽车质量最直观的评价[1]，所以它对汽车市场竞争力有着最直接的影响。在这种需求的驱动下，研究汽车涂料具有很大的现实意义。实验室汽车喷涂机器人是根据生产线上的需求来模拟喷涂效果，是研发供生产线上使用涂料的重要设备。
2 汽车喷涂机器人的发展现状
在国外，20世纪60年代末，挪威Trallfa公司发明了历史上第1台喷涂机器人，随着时间的推移，国外机器人喷涂技术已相当成熟。例如瑞士的 ABB 、日本的安川 MOTOMAN 和 FANUC、德国的 KUKA、法国的史陶比尔以及美国的 ADEPT是世界上处于领先的喷涂机器人。其中瑞士ABB 公司生产的静电喷涂机器人最为著名。ABB公司在喷涂机器人设计制造方面具有丰富的经验，除此之外ABB公司还有其他的喷涂技术，所以ABB公司的产品被汽车行业广泛使用[2-4]。
在国内，喷涂机器人起步比较晚，于1990年前后，北京机械工业自动化研究所机器人中心开始了对喷涂机器人的研究，我国研究机器人是在国外研究的基础上进行的，在此过程中还研发了不少周边技术。2000以年来由于国内汽车发展迅速，许多制造公司也在设计制造我国自己的喷涂机器人，在此同时国外的MOTOMAN公司与我国北京首钢集团合作；瑞士ABB公司在京沪建立分公司，以销售喷涂机器人和工业机器人为主[5-8]，目前喷涂机器人已经是我国需求最多的机器人之一，而我国在这方面相对落后，目前来看，我国大部分都是采用的国外的喷涂机器人，有的照搬国外的生产线，还存在维修，保养等问题，从而影响喷涂的发展。所以，设计制造出我国自己的喷涂机器人是非常迫切和必要的[9]。
3 实验室喷涂机器人结构及原理
3.1 实验室喷涂机器人的的整体结构
实验室喷涂机器人的主要结构分为6个部分如图1所示： ①主体机 ②中控机 ③送料仓（升降舱）④转向头（1.旋杯，2.喷枪）⑤背板 ⑥X轴滑道。
3.2 汽车涂料实验机的工作原理
常见的涂料喷涂机构：依据涂料雾化的原理可分为喷枪和旋杯2大类。依据加电的方式还可以分为内部加电和外部加电2大类。其中最常用的喷涂类型有：手工喷枪喷涂，手工高流量低气压气喷枪HVLP的喷涂，手工静电喷枪喷涂，自动涂料实验机气喷枪，间接加电旋杯（水性色漆）喷涂，直接加电旋杯（溶剂型色漆或水性色漆）喷涂等。
3.2.1 汽车实验机喷枪的工作原理
气喷枪的工作原理是利用大流量的雾化空气把油漆雾化成小液滴，利用压缩空气控制油漆小液滴和喷涂扇面的大小达到精确控制喷涂的目的。喷嘴的结构如图2。
为了获得良好的喷涂效果，喷枪喷嘴的尺寸和合适的顶针的选用取决于涂料的类型，不能超出规定的最大的出漆量如表1。
3.2.2 汽车涂料实验机旋杯的工作原理
旋杯是通过高压空气驱动高转速气马达，由驱动带动杯口带有齿纹的高速旋杯来雾化涂料。在此同时控制旋杯周围的成形空气来控制漆雾扇面的大小，以达到精确控制喷涂的目的。旋杯的结构原理图3。
4 喷涂机器人的发展趋势
4.1 适应性发展趋势
为了追求最好的喷涂过程中的灵活性和效率，从21世纪起汽车工业开始使用机器人来代替喷涂机械，与此同时开始使用机器人进行涂料的开发。 与传统的机械喷涂相对比，采用自动喷涂机器人喷涂有2个最突出的优点：可以减少大约35%的喷枪数量；提高了喷涂效益。为了适应高速喷涂，在内表面喷涂和第2层金属漆喷涂时都要采用高速旋杯来喷涂。随着社会的发展，人们生活水平的提高 ，汽车行业的迅速发展，汽车型号和车体设计在不断变化。为了适应这一变化，只有利用好喷涂机器人才可能实现这种迅速发展要求。
机器人的作用是控制喷枪或者旋杯，使之在喷涂过程中与工件表面保持最佳的角度和一定的距离（一般为200～250mm）。为了突破这一难度，工程师利用三维专门的软件对喷涂机器人进行三维模型处理，确定喷枪的移动路径和工件的移动路径，相应的喷涂参数。然后将这些数据输人机器人中控器，来控制喷涂机器人的整个喷涂过程。
4.2 安全环保
今天人们的环保意识日益增强，安全性越来越高，人们称环保效果好的涂料生产厂为“绿色工厂”，技术陈旧的涂料生产厂为“褐色工厂”。无论是新建绿色工厂还是改造褐色工厂，建立喷涂机器人全自动喷涂，模拟生产线喷涂都是十分必要的。
4.3 零部件标准化
欧美发达国家生产的喷涂机器人基本上都已经实现了社会化大协作和零部件的系列化“专业化”标准化生产[8]，而我国生产的零部件品种单一、结构简单、制造粗糙、装配精度不合格，严重制约了涂料研发的发展，因此，我国要加快开发研制零部件，使零部件生产标准化。
5 结论
在汽车行业速度发展的情况下，设计制造出我国自己的适应性强的机器人是我国国情的新型喷涂机器人是必然要求。我国应该借鉴外国成功的经验和先进的技术，加快对喷涂机器人的设计与制造，以提高喷涂机器人的实用性和先进性。
参考文献
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中图分类号：TB
文献标识码：A
doi：10.19311/ki.16723198.2017.12.090
0引言
2010年7月份，国家经过长期的深入调研和分析，颁布了《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010―2020年）》该纲要对于高等教育的发展规划明确了高等学校应适应就业市场和经济社会发展需求，为国家培养更多的高质量、多样化的复合型、创新型人才。合肥学院（以下简称我校）是一所在“改革中诞生，开放中成长，创新中发展”的地方本科院校，坚持“地方性、应用型、国际化”的办学定位，借鉴德国应用科学大学办学经验，围绕应用型人才培养关键要素，进行了系统改革和实践，构建了具有鲜明特色的应用型人才培养体系，为区域发展培养了大批高素质应用型人才。慧鱼机器人可以针对不同专业和不同学习阶段的学生开设有系统、有层次的创新设计开放性实验项目，旨在培养学生的独立动手、分析问题和解决问题的综合能力培养，以适应我校的办学定位。
1关于慧鱼机器人实验室
高校实验室是科学研究与实践分析的基地，是高校培养创造型人才的摇篮，学生可以通过一系列与理论学科相关的开放性实验课程学习，使学生在巩固理论知识的同时，实现理论知识和实践操作的完美结合。源于德国的慧鱼创意模型（又称慧鱼机器人）是一种技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，凭借其专业涉及面广、延展兼容性强以及小巧轻便等显著特点，很早就被引进到中国高校的实验室，通过这些年的发展，慧鱼机器人实验室的设置对于培养学生创新思维，提高学生动手能力和创新能力都具有很明显的提升作用。而且随着电子通信技术、网络技术等现代新型科学技术的飞速发展，慧鱼机器人也必将随之具有更为广阔的应用空间，依然能够在高校实验室课程教学中具有举足轻重的作用。
慧鱼机器人大体上可以归纳为以下几大构件：机械构件、电气构件、电子构件以及气动构件。机械构件主要包含一些硬塑模型如齿轮链条、蜗轮蜗杆、导轨连杆等；电气构件主要有小巧型驱动、传动马达等；电子构件主要有各类电子传感器、限位开关、微动开关、智能CPU，PLC控制板等；气动构件含一些小型的空气压缩机，用于提供驱动用的气源。学生经过对相关课题的理论分析及系统设计之后，选取合适的构件，并对构件进行有序的拼装搭接，采用图形化的PLC语言或者VB、VC等高级语言编程写入控制器中，完成设计方案的实际模型并能够成功运转，实现概念设计与应用实践的交叉融合。
2慧鱼机器人在课堂教学和实验实践活动中的用
2.1要求学生在掌握专业理论知识的前提下，以慧鱼模型为平台，提高学生的创新思维和创新能力
理论成果要走入社会，进入工厂，必须要经得住科学实践的证明和考验，实验室课程通过其直观、清晰的教学方式，有助于学生提升和巩固理论知识的认识和了解。合肥学院机械系自从引进德国慧鱼公司的“慧鱼创意组合模型”之后，很快便建立了机械创新实验室。其主要目的是让学生在掌握机械专业理论知识的前提下，以慧鱼模型为平台，把已学习专业理论知识实践化、扎实化，并注入创新活动的基本技法，进而将创新意识、创新思维和创新技法渗透到实践活动中去。例如先通过理论知识学习机械自动化原理、机械自动化设计、机械制造、机械创新等课程，然后通过慧鱼模型在实践中使学生对典型的工业产品的结构，制造过程有一个基本的体验和认识，通过结合典型产品的制造加工过程，对学生进行基本操作技能的训练，培养学生的工程意识，实践创新精神和解决问题的能力，并为今后从事制造和设计工作打下基础。在整个慧鱼模型实践过程中我们可以了解现代工业生产先进制造技术，要求学生必须具有工程意识和综合设计能力；熟悉有关的工程术语，了解生产中的主要技术文件及生产组织管理方式；要求学生具有创新能力，能够利用慧鱼模型进行机械创新实践。学生通过反复构思、反复设计、反复拆装，利用一切可行方法进行创新，不断地试错和思维探索，学生的创新思维得到不断的启发，创新能力也得到极大的提高，从而更有利于适应社会创新型复合型人才的需求。
2.2在慧鱼模型的平台基础上进行实践教学创新
慧鱼创意组合模型需要科学的拼接方式，并具有良好的拓展性，各高校实验室不断开发出了一系列的慧鱼工业模型产品，例如智能物流机器人，智能拆卸机器人、智能洗车系统、自由度机械手、智能硬币分离系统、包裹翻转机、智能综合仓储加工系统等经典模型。它巧妙的利用若干种类的慧鱼标准化构件和良好的兼容性和拓展性，精确、生动的模拟了各种复杂的工业化生产设备和流水线，这些工业系统可以用于学生在大学期间进行生产实习、毕业实习、认知实习、课程设计、毕业设计、学生第二课堂等实践活动，在慧鱼模型的平台基础上学生能够自主设计、自主实习、自主实践创新。
2.3通过参加全国机械创新设计大赛使学生在知识综合应用能力、工程意识、团队协作能力等方面得到锻炼
自2004年开始举办至今的全国大学生机械创新设计大赛是国内培养学生工程实践能力和综合素质效果显著的大学生竞赛项目之一。该创新设计大赛吸引了包括清华、北大、浙大等一流名校在内的全国各大高校喜欢思考和动手操作的学生们积极的投入参与，锻炼了当今学子们亲自动手创作能力、团队协作配合能力和综合设计实践能力，为优秀人才的培养提供了广阔的平台。
我校是从2008年开始参加机械创新设计大赛，参加比赛近十年，不仅丰富了学生的课外生活，而且提高了他们的专业素养，锻炼了学生各方面能力。全国机械创新大赛分为实物组和慧鱼组两个组别，分别进行选拔，按一定比例进入全国总决赛。本届比赛我校有3件作品参加了全国过机械创新设计大赛慧鱼组的比赛，其中“高效硬币分离机”作品获得一等奖，“全能包装机”和“硬币分离专家”获得二等奖。实物组也有3件作品进入了参加了安徽省大学生机械创新大赛比赛，其中“硬币清点包装一体机”作品获得安徽省一等奖，并进入全国总决赛获得了国赛一等奖。该作品融合了慧鱼组“高效硬币分离机”和“全能包装机”机械和电子的技术优势。我校自2007年以来也一直举办每年一次的校级机械创新大赛，今年正在举办第十届机械创新设计大赛，在这次的机械创新设计大赛中，学生先进行初期的作品设计，进行各种方案的论证，在比赛后期的选拔中计划以慧鱼实验室为平台，利用慧鱼模型来验证各种方案和设想，经过多次的实践和修改，最终拿出一个最优作品。
每一个作品都是从方案的提出到设计完成，从模型的初步搭建到不断改建，从改进型的模型到系统方案的更新设计，这是一个不断循环反复的过程，每一步都能感受到学生不断思索，不断创新的积极意识和思想。慧鱼模型的智趣性和易于操作性充分调动了学生们的主观能动性，激发了学生内在的原动力，培养了学生的创新思维和创新能力。
3慧鱼机器人创新实验实践研究
按照学院的办学定位和市场需求，在人才培养模式和课程体系设置等方面，不断进行改革和创新，在注重基础、拓宽专业口径的同时，强化专业能力培养，尤其重视对学生实践能力和创新精神的培养，逐步形成了自己的专业特色。慧鱼模型汇聚了工程实践中各种典型的模型，是集教学、实践、研究、比赛于一体的综合平台。它对课程体系的实践效应如图1。
参考文献
[1]慧鱼机械创新设计实验指导书[Z].北京：北京中教仪人工智能科技有限公司，2012.
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[4]司文慧.应用慧鱼模型实现创新性开放实验的模式探索[J].科技信息，2014，（13）：4041.
摘要：在对课外教学和教学设计策略概念加以界定的基础上，系统研究了机器人课外教学设计策略，包括机器人课外教学目标、教学内容、教学组织、教学评价共四个方面的内容，明确了机器人教学的教育目的、教学内容及教学目标，探讨了机器人课外教学组织模式的构建。
关键词 ：机器人；课外教学设计；组织模式；教学评价
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727( 2014) 02-0124-03
机器人教育是时代和社会发展的必然，是学校培养科技创新型人才的重要载体，对培养学生的科学素质和创新精神有着至关重要的作用。机器人课程日益受到重视，在各类机器人竞赛的推动下，机器人课外教学也在如火如荼地开展。但是，为竞赛而竞赛、学生管理的自主状态、师资配置不足、缺乏系统管理等问题在机器人课外教学中也是客观存在。因此，机器人课外教学迫切需要重新审视，坚持以培养人为中心，认真分析机器人课外教学的教学内容、教学目标、教学组织、教学评价等，系统研究机器人课外教学设计策略。
概念界定
关于课外教学的概念国际教育界对“课外”的英文词语不外乎两种：“extra-curricular（课程之外）”或“extra-class（课堂之外）”。教学是教育目的规范下的、教师的教与学生的学共同组成的一种教育活动。从系统性和完整性的角度，本研究将“课外”界定于extra-class．同时把课外教学纳入课程范畴。根据教学定义，进一步明确：课外教学应该包括“教(teach)”和“学(learn)”两种不同性质的活动，教学实施过程中的行为主体包括教师和学生，课外教学是在教学目标指引下，由教师的教与学生的学系统组成的一种教育活动。
关于教学设计策略的概念策略是为达到某种目的使用的手段或方法。所谓教学策略，是在教学目标确定以后，根据已定的教学任务和学生的特征，有针对性地选择与组合相关的教学内容、教学组织形式、教学方法和技术，形成的具有效率意义的特定教学方案。教学策略根据教学活动的内容分为教学设计策略、教学实施策略和教学反思策略。教学设计是教学的首要环节，主要包括教学目标、教学内容、教学组织、教学评价四个方面的内容。
机器人课外教学的教学目标与教学内容设计
确定机器人课外教学目标首先要确定机器人教育目的和意义。从学生能力结构上，可以将“机器人教育目的”理解为：推进素质教育，培养学生的创新意识和创新能力、团体意识和合作精神、设计能力和研究能力以及跨专业综合应用能力。
教学目标设计是对教学活动预期所要达到的结果的规划，是教学设计的重要环节。合理的教学目标是保证教学活动顺利进行的必要条件。教学目标设计应与教学内容紧密相连，应以教学内容为基础，教学内容的组织和实施应能促进教学目标的实现。教学内容是学生所系统学习内化的间接经验和直接经验的总和。根据建构主义教学理论，教学目标设计应促进学生主动学习而不是被动接收，应激发学生思维，促进知识内化为技能，促进学生建构自己的知识体系。
因此，机器人课外教学内容需要教师认真进行选择、加工、组织，遵循连续性、递进性和整合性的原则，同时教学内容组织要考虑逻辑顺序和心理顺序。根据实践，现将机器人课外教学的教学目标和教学内容、教学形式加以总结，如表1所示。
机器人课外教学组织模式
教学组织形式，就是教学活动中教师与学生的组合结构形式，或者说是教师与学生共同活动在人员、程序、时空关系上的组合结构形式。机器人课外教学因其灵活性、开放性、综合性的特点，给课外教学的组织增加了难度。但通过实践，逐步形成了以科技社团为载体、以社团组织课外教学活动开展为主线、以充分盘活资源为核心、以科技竞赛为动力的师生互联全员互动的机器人课外教学组织模式。机器人课外教学组织模式如图1所示。
（一）机器人课外教学组织模式发展溯源
我们的研究最早从1996年开始，引进了日本机器人教育的先进经验，结合我国的具体国情，在机器人教育方面进行了探索，并取得了一定的经验，成功地组织了多届大学生小型机器人设计和制作比赛。将机器人教育与教学改革相结合，完成了全国职业技术师范教育委员会“九五”教育科学研究课题“电类专业现代职业技能开发一增设‘小型机器人设计和制作’的教学内容”项目的研究工作。
我们以“小型机器人设计与制作”为课题，组织自控、机械、电子、计算机、工业设计等专业的教师组成跨学科的指导教师小组，吸收以上专业大学三年级以上的学生参加，进行毕业设计改革试点。同时，在制作多台不同结构和功能的教学用智能机器人的基础上，按照低成本、模块化、系统集成的设计思想，研制了多种通用机器人设计和制作的标准化模块及多种传感器模块。系统采用开放式结构，根据设计任务需要，学生也可进行特定的模块设计。学生在教师的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。
此项教育改革将机器人教学与第二课堂相结合，利用学生的课余时间延长毕业设计时间，提高了毕业设计课题的综合性。该项学生毕业设计的研究成果在第五届“挑战杯”天津市大学生课外学术科技竞赛中获科技制作类一等奖。
1997年，我们成立了电子工程师摇篮协会，组织开展电子竞赛等科技活动：1999年，成立了机器人俱乐部，自主研制机器人模块化设计开发平台和各种机器人功能模块，致力于机器人开发和研究，同时不断研究和设计适合中国国情的比赛规划。在星火创业协会成立后，以上三个学生科技社团合并成立了大学生科技实践中心，开展各项课外科技活动。
（二）机器人课外教学组织模式的形成
层层选拔，循序渐进课外科技活动的实践证明，科技社团是机器人课外教学实践的重要载体。科技社团与活动开展的思路逐步形成：电子工程师摇篮协会负责组织机器人相关培训、讲座、参观等，进行机器人现成产品研究（包括实验、验证等），并通过小型科技竞赛选拔学生到机器人俱乐部，开发机器人模块化设计平台，自主设计与制作机器人。同时选拔学生到专家实验室、研究所参与机器人相关课题研发，并参加全国的机器人大赛。坚持循序渐进的教学原则，如模式图中的主线自下而上，对应的机器人课外教学的难度从低到高设置，为不同专业、不同年级、不同兴趣和特长的学生提供了多层面的选择空间和学习平台。科技竞赛成为选拔、培养学生的重要手段。在教师的全面指导下，学生通过活动、竞赛等进阶选拔，接触到从社团骨干到科技辅导员、从研究生到专家教授等多层面的辅导和培训，专业技能和综合能力逐步提高。
全员参与，分工协作资源是机器人课外教学实施的重要保证。盘活资源能有效保证机器人课外教学质量，有力提升资源效能，推动机器人课外教学的各项实践活动。人是影响教学质量的根本因素，教师在机器人课外教学中具有不可替代的作用。充分发挥教师作用的关键是全员参与。全员参与需要全体教师都能围绕“机器人课外教学”明白自己该做什么、怎样做、为什么这样做、如何做得更好。在实践中，学院领导带头高度重视课外教学工作，系统设计教学环节、教学模式，宏观指导机器人课外教学工作，同时提供机器人课外教学必需的专家、教授、科技辅导员等人力资源和实验室设备场地等资源的大力支持。我们在实践中率先设立了科技辅导员岗位，负责指导科技社团的各项活动，培养选拔科技人才，促进学生科技水平提升和综合实践能力提高。同时设立了班级实践委员，构建了以班级为依托的学生科技实践环境，改变了传统意义上的班干部结构，在班上设立了实践委员。实践委员负责在班里营造科技实践气氛，开展科技实践活动，推荐并协助选拔学生进入科技社团。实践委员对科技辅导员负责，接受科技辅导员的指导。同时，科技辅导员指导社团的骨干力量对班级的科技活动给予相应的支持和帮助。专家、教授不仅为科技社团做培训和讲座、指导学生参加科技竞赛，而且从科技社团选拔挑选学生参与实验室课题研发，安排研究生参与活动中，指导研究生与本科生互助，快速提高、快速成长。此外，还通过校企合作，引入西门子奖学金，用于举办应用创新类科技活动，并举办了“西门子杯”应用创新类学生竞赛。
机器人课外教学评价
机器人的基础上自主开发了机器人上下料平台实验系统，该系统采用真空吸附的工作原理实现板料的搬运。制定并执行了机器人运动学控制以及机器人上下料模拟实验教学方案，经机械电子工程专业学生实践，证明该实验方案能达到预期实验目的，有效激发学生学习热情，在有限课时内锻炼学生的自主开发能力。
[关键词]机器人;运动学;实验
[中图分类号]G642.4[文献标识码]A[文章编号]1005-4634（2015）02-0103-03
0引言
机器人学的有关课程实质上是迎接未来挑战的有力武器和理想助手[1]。机器人教学在国内高校中已被列入人工智能、自动化、机电一体化等的相关专业的课程之中[2]。机器人技术基础是燕山大学机械工程学院机械电子工程专业较早开设的一门针对高年级学生的专业课，主要介绍机器人运动学、动力学、雅可比矩阵、轨迹规划、机器人控制以及机器人语言和离线编程等。该课程内容抽象、逻辑性强、学生不易理解吸收。随着工业机器人被广泛应用于生产实践当中，掌握机器人的基本原理、控制过程以及应用实例，对于机械电子工程专业本科生意义重大。
传统的机器人技术基础课程，实验内容有限，课时安排仅围绕理论教学大纲开展，无拓展性、开放性;实验形式单一，一切以教师的“教”为中心，学生只是被动地接受，演示型、验证型实验多，创新型实验少，学生缺乏专业知识的综合应用能力，缺少独立动手和创新的机会，抑制了学生的想象力、自由发挥空间和学习兴趣。随着社会对人才创新能力和实践能力要求的不断提高，构建创新型实验教学体系在培养学生独立工作能力、创新能力等方面的重要性日益凸显[3]。
本文在机电实验室现有ABB IRB1410机器人的基础上自主开发了机器人上下料平台实验系统，制定了机器人运动学控制以及机器人上下料模拟实验教学方案。经机械电子工程专业学生实践，根
据实验分析结果以及研究过程中的心得体会证明该实验方案能达到预期实验目的，有效激发学生学习热情，在有限课时内锻炼学生的自主开发能力。
1实验设备简介
1.1IRB1410工业机器人
ABB公司的IRB1410工业机器人工作周期短、运行可靠，能大幅度提高生产效率。该机器人在弧焊、物料搬运和过程应用领域经历考验，能实现弧焊、装配、上胶、密封、机械管理、物料搬运等功能。承重能力为5 kg，上臂可承受18 kg的附加载荷;机器人工作范围大、最长能到达1.44 m;其大臂背后设计有平行连杆及双轴承支承结构，对称分布的接触力使机械振动大为减小，因而比串行链接结构更为坚固、响应更为迅速、工作空间更为集中，非常适合模拟汽车冲压线的上下料任务。为本科生教学提供了良好的环境，为研究生科研搭建了良好的实验平台。
IRB1410工业机器人系统如图1所示，系统包括：ABB IRB1410六自由度关节型串联机器人、
ElexPendant示教器、IRC5控制柜以及RobotStudio/RobotWare离线编程软件。
2机器人上下料实验平台搭建
结合实验室现有ABB IRB1410机器人，参照汽车柔性自动化冲压生产线机器人上下料系统，为之搭建相应的上下料平台系统，自主设计、选购机器人上下料各单元，完成端拾器的设计和组装、上下料平台的设计制造与装配、视觉系统的搭建和真空气路的连接等工作，在一定程度上实现旨在模拟汽车覆盖件柔性冲压过程的在线作业，为后续开展机器人上下料模拟实验奠定基础。机器人上下料系统如图2所示。
图1ABB IRB1410工业机器人系统
图2机器人上下料系统
ABB IRB1410机器人上下料实验采用了真空吸附的工作原理来实现板料的搬运，其中，真空系统由真空泵、分路块、两位三通直通式电磁阀、真空开关、真空吸盘、缓冲支杆等构成。ABB IRB1410机器人上下料系统真空吸附的电气控制原理图如图3所示。
其工作原理如下：当机器人手臂运动到上料平台上料中心之上的某一位置时，程序发出吸附指
令，IO板DSQC652的一路DO输出高电平，继电器线圈得电，常开触点闭合，从而使两位三通电磁阀得电，进气口和出气口接通，真空泵将系统中的空气向外排，整个系统气路开始工作;当吸盘内达到设定的真空度后，真空开关自动给电磁阀发送电信号，令其控制真空泵保持当前真空度不变;真空吸盘以恒定吸力抓取物料向下料平台运动，当运动到下料中心点某一指定位置时，程序发出释放指令，DSQC652的同一路DO输出低电平，继电器线圈失电，常开触点断开，从而使两位三通电磁阀失电，进气口和排气口导通，整个系统气路与外界大气导通，从而破坏真空，真空吸盘释放物料，
ABB IRB1410机器人完成一次板料传递任务。
3实验教学项目
坚持理论与实践相结合的原则，实验时间安排在理论课基本知识讲授完毕之后，要求学生提前预习实验指导书，进行理论知识储备工作，以保证学习成效。实验内容设置方面，以“原理性实验和研究性实验相互渗透”为原则，既让学生掌握基本的原理性知识，对机器人有基本的认识，又通过开设深层次的研究性实验，让学生透过现象看本质，培养学生独立研究能力，激发学生的创新思维。
3.1机器人运动学控制
实现对工业机器人在空间运动轨迹的控制，完成预定的作业任务，就必须知道机器人手部在空间瞬时的位置与姿态。如何计算机器人手部在空间的位姿是实现对机器人的控制首先要解决的问题[4]。物体在空间的位姿可以用固定于物体上任一点上的坐标系来表示，如果把坐标系固定在每个连杆的关节上，通过齐次坐标变换来描述两个相邻坐标系之间的相互关系，就能建立并解算机器人的运动学方程。在该阶段，要求学生能准确理解物体在空间位置与姿态的表示方法，掌握齐次坐标及齐次坐标方程变换的定义，能进行简单的平移坐标变换、旋转坐标变换及综合坐标变换（平移加旋转）等计算。
通过本实验，要求学生完成以下内容。
1） 观察串联机器人IRB1410的结构，了解其动作原理，并绘制其结构简图。
2） 计算IRB1410机器人自由度数并判别自由度性质。
3） 根据ABB IRB1410机器人各轴标准尺寸图（如图4所示）对IRB1410
机器人建立连杆坐标系，确定连杆参数和关节变量。相应参数填入
IRB1410连杆参数表。
图4ABB IRB1410
机器人各轴标准尺寸
4） 确定0nT
，在此基础上利用上述机器人运动学方程，求解关节变量q1，q2，……，qn。
5） 确定末端执行器的操作速度V，在此基础上利用机器人操作速度和关节速度的变换方程的逆变换方程V=J
，求解满足末端执行器速度要求的关节速度变量1，2，……，n。
6） 手动操纵机器人至某一姿态，对运动学正、反解运算结果与操纵窗口的显示值进行对比验证。
3.2机器人上下料模拟实验
通过机器人上下料模拟实验，使学生增强对汽车覆盖件自动化冲压线机器人上下料的感性认识。对6
自由度串联机器人的运动学、动力学分析和机器人上下料的自动化控制有较深刻理解。也对用ABB
语言离线或在线编程加深体会。使学生能够了解上下料平台搭建的主要装备及关键技术，掌握现代冲压自动机器人上下料技术的发展方向。培养学生初步掌握实验研究的能力，正确处理实验数据的能力和分析实验结果、撰写实验报告的能力。
通过本实验，要求学生完成以下内容。
1） 学习并熟练掌握利用示教器手动操作1410机器人到达指定目标位置。
2） 完成1410机器人冲压线上下料模拟实验的轨迹规划。
3） 完成1410机器人冲压线上下料模拟实验的程序编写调试。
4） 记录并分析1410机器人的实际工况（平稳性、速度、加速度）等数据。
4结束语
通过机械电子工程专业学生的课程实践，证明该实验方案能达到预期实验目的，能帮助学生更好地理解机器人理论知识，有效激发学生学习热情，在提高实验教学质量、培养学生实践能力、创新意识和科研能力等方面有积极意义。
参考文献
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[4] John J C.机器人学导论[M].负超，李成群，陈心颐，译.北京：机械工业出版社，2006.
Experimental teaching reform and practice
of Robot Technology Foundation course
TANG Yan-hua，ZHANG Qing-ling
（Mechanical Engineering College，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China）
Abstract
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2012）10-0241-02
近年来，机器人作为自动化、电子学、计算机技术、人工智能、机械学等学科的典型载体， 被广泛作为我国高校教学和研究的选题之一， 各级各类机器人竞赛活动也在全国各地广泛开展。该活动的开展，有力地推动了大学生实践创新能力的提高，促进了大学实践教学的改革，同时也为广大学生提供了学习和创新的舞台，进一步加强了学生提出问题、分析问题和解决问题能力的培养[1，2]。
一、机器人创新作为学生工程实践模式的必要性
美国哈佛大学教育研究所的霍华德·加德纳教授认为，“一个人全身心投入一项活动中，主动去问、去想、去寻找问题的答案，这是获取和积累知识的最佳途径。被动的接受会随时间的流逝很快被遗忘，不会产生持久的影响。”选择机器人作为典型工程对象培养学生能力，主要考虑到借助于各级各类机器人竞赛活动，激发学生的学习兴趣，以达到提高学生综合水平和素质，扩大学生受益面的目的[3]。
总体来说，机器人创新训练可以培养学生以下几个方面的能力：
1.基础知识的熟练掌握和灵活应用能力
学生通过对基本元器件应用、基本实用电路设计以及继电器、保护器、温控器的应用与设计，将所学理论知识灵活应用于基础电路训练项目中，为下一步机器人控制电路设计奠定了一个良好的基础。
2.专业知识的综合应用能力
学生按竞赛项目要求构建相应的机器人系统，将所学习的电路、数电模电、单片机、传感器技术、计算机控制技术、控制系统分析与设计等诸多本学科专业知识与机械设计加工、计算机应用等学科知识相结合[4]，培养学生综合灵活应用专业知识的能力。
3.分析问题、解决问题和独立思考能力
竞赛机器人要求学生从车体设计、控制器设计、电源管理、传感器应用、系统安装调试到软件设计，最终构建一个完整的控制系统，学生在整个过程中，综合应用所学知识，查阅相关资料、方案论证，传感器选择与布置，在完成基本任务的前提下，不断完善机器人的软硬件系统，以提高机器人的整体性能，这是一个不断提高、不断完善的过程，此过程中学生一直处于独立思考、分析问题、解决问题的状态中。
4.树立自信，不畏挫折，吃苦耐劳、踏实勤恳、周密严谨的科学研究态度
竞赛机器人的设计训练中，涉及诸多专业知识，当然也包括需要自学一些知识，在方案设计、安装测试、软硬件联调、性能优化过程中，每一个细节都要认真对待，所遇到的每一个难题都必须解决，此过程能很好的培养学生的科学研究态度。
5.老实做人、踏实做事、团体协作的综合素质
从竞赛机器人的设计、调试、优化、完善，直到比赛结束，需要小组成员全力协作，认真对待遇到的难题，相互交流，集思广益，此过程中学生会通过交流，达成共识，并促进相互理解。
二、机器人创新工程实践模式的构建
以学科竞赛、科技创新、项目研发为主线，以校内外创新平台实践为基础，采用阶梯化培养模式，扩大学生受益面，提升学生的整体素质，培养新形势下“卓越”自动化技术人才。
基于机器人创新工程实践平台阶梯化学生培养模式，如图1所示，通过科技创新活动、大学生电子设计竞赛、智能汽车竞赛、机器人竞赛、“挑战杯”比赛、工程项目研发等激发学生的学习兴趣，煅炼学生分析、解决和综合运用所学知识的能力和技巧[5]。使学生及早涉足科研活动。充分利用机器人技术创新平台，为学生提供一个真实的工业环境，让学生建立材料、工艺、加工设备、生产效率和产品质量之间相互关系的概念，掌握各种加工方法和设备的合理运用，煅炼学生寻求、接受新科技的敏锐性，培养人的求知精神和自我知识更新的能力，授人以“渔”。
图1 基于机器人创新工程实践平台的阶梯化学生培养模式
三、机器人创新工程实践模式下的教学方式方法改革
充分调动学生学习积极性，激励学生自主学习。促进科研与教学互动，及时把科研成果转化为教学内容。鼓励本科生参与科研活动，早进课题、早进实验室、早进团队。
1.突出基于项目的“研中学”、“做中学”教学模式
进行基于问题、基于项目、基于设计的教学，增强学生的工程设计能力和工程知识运用能力，改革课程的考核方法，引导学生从注重“考试结果”向注重“学习过程”转变，增强学生的学习主动性，提高学生的学习能力、研究能力和工程实践能力[6]。
在工程基础课程和工程专业课程教学过程中，依托机器人创新平台，使学生们透过“真实的工厂环境”获得处理工程问题的实际经验。全面采用基于项目的教学模式，采取以问题为导向，以大作业、专题研究报告、文献综述报告、研究性实验报告等为载体的探索式学习模式，注重培养学生从工程全局出发，综合运用多学科知识、各种技术和现代工程工具解决工程实际问题的能力和综合素质，强化培养学生的自主学习能力、创新意识和探索未知领域的兴趣。
2.注重创新教育，将学生创新成果推广至课堂教学
经过一些年的创新教育的积累，产生了大量较高水平的学生科技作品和成果，这些成果源自高年级学生，对于低年级的同学非常有说服力，可以激发学生的学习兴趣、自信心和主动性。可以将这些成果以课程进行分类，由任课教师进行讲解，也可由作品完成的同学进行讲解，重点讲解解决问题的思路和方法，以及需要哪些知识、技术的综合。也可进行讨论式教学，针对某个作品大家发表各自的意见或者提出改进的建议，有能力的同学可进行重新设计。
3.推进企业工程师场景化课堂教学，增加课堂教学工程案例
机器人技术已经广泛应用于周边生产制造企业，企业工程师有着丰富的工程项目经验，对问题的思考角度与校内教师也有不同，对项目的理解更是有血有肉，能更好的把握关键点和难点。把一些典型的机器人技术工程案例引入课程教学，由工程师进行讲解，包括项目背景、设计要求、技术路线、详细方案、现场调试过程、验收标准以及整个项目的管理办法。通过工程案例的讲解，学生对于实际项目的管理、实施过程有了全面的了解和熟悉，对于增加工程意识和工程实践能力非常有益。
四、基于机器人的创新型工程训练实施策略
1.总体规划，分步实施
基于机器人的创新工程训练方案内容丰富，可以采用“统一规划，分步实施”的策略。逐步投入资金，逐步积累师资力量和教学经验。首先开展一些相对比较成熟、难度相对较低的方案，待经验积累到一定程度以后再逐步深入。
按照以上的规划设计思路，我们提出将整个工程训练计划分三步实施：
（1）机器人基础训练即认知实验：以基础训练机器人和配套传感器为实践对象。（2）机器人综合训练即设计、综合训练：以综合训练机器人和配套传感器为实验对象。（3）机器人高级训练即创新、研究训练：以RoboCup中型组机器人、工业级模块化机械手等为创新实验对象。
2.先专题再选修后必修，逐步推广应用
原则上，每个学生都需要接受一些以机器人对象为平台的基础认知实践或其他工程训练内容，可以根据实际情况，先以对部分学生开设专题的方式起步，继而面向全院学生提供选修课，待时机成熟时在院系作为必修课进行推广。
本教学法的教学模式有两大显著的特点：按照“任务驱动”的模式分解课程的知识点；按照“实践-归纳-推理-再实践”的模式讲课，完全打破“讲课+实验”的传统模式，将讲课与实验合二为一，其结果是：老师“在讲中做，在做中讲”，学生“在学中做，在做中学”。 机器人及应用体系便于采用工程对象教学法。
3.校企合作，优势互补
典型工程对象和相关教材是工程对象教学法顺利实施的基础，而工程对象的选择、制造与维护等工作由企业完成比较合适，双方联合编写部分教材。因此，建立良好、紧密的校企合作关系可以充分发挥各方优势，更好地为学生服务。
五、机器人创新平台建设
1.教师团队建设
机器人是非常典型的机电一体化系统，它融合了机械、电子、传感器、计算机软硬件、控制、人工智能和造型技术等众多的先进技术，是高等学校开展工程训练、教学实验、课外创新活动和科研最为理想的平台。正因为机器人创新综合了多学科知识，因此需要一个相对稳定的，具有共同兴趣且学科知识互补的教师团队，以利于更好的指导学生。
2.学生团队与梯队建设
考虑不同程度学生参与竞赛的能力和水平，可以采取国家级、省级竞赛和校内竞赛选拔方式。即在国家级和省级学科竞赛开展前一个学期， 学院提前组织校内选拔赛， 选拔赛的竞赛形式和竞赛内容完全按照上级竞赛的要求，为学生量身定制与其学习能力相匹配的竞赛项目，在难度上略微降低要求。这种竞赛校内选拔方式一方面扩大了学生学科竞赛的参与面，提高了学生参与学科竞赛的热情，另一方面为学院选拔优秀学生组队参加国家级、省级竞赛提供参考。与此同时，也建立了相应的学生团队与梯队。
六、结束语
机器人竞赛是一个以目标为驱动的对抗性比赛，易于激发学生科技创新的兴趣和能力；提高学生团队合作精神；提高学生驾驭专业基础知识技能的能力和水平。通过学生在创新实验室的锻炼，学生在设计能力、动手能力、创新意识，以及计算机应用、工程实践、实验研究、国内外资料查询等方面都会有较大程度的提高。机器人竞赛为大学生创新能力的培养提供基础条件，并将带来竞争性学习机会，能够有效弥补传统教育的缺陷，锻炼学生多方面的能力。
参考文献：
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【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2009)07―0138―02
一 前言
近年来,我国的机器人教育有了很大的发展,机器人技术课程逐步成为高校综合性实践课程[1]。在传统的教学方法中,我国机器人教育普遍存在着重视知识传授、轻视能力培养,重视理论教学、轻视实践环节的问题,使得学生只满足于死记硬背知识点,没有注重学生独立动手能力、综合分析问题和解决问题能力的培养[2]。
在实验和实践教学方面,机器人课程的实验教学基本上是围绕基础理论的验证性实验,缺少设计性和综合性实验,不能给学生提供一个创新意识自由发挥的空间。学生很少有机会进行思考和创意,创新意识和创新潜能无法得到充分的培养[3]。
因此,对机器人技术课程的实验教学改革与探索是非常必要的,而德国慧鱼模型的出现,为机器人实验教学改革提供了良好的载体。
二 慧鱼模型简介
慧鱼模型是由德国发明家Arthur Fischer博士在1964年从其专利“六面拼接体”的基础上发明的[3-4]。慧鱼模型是由机械构件、电气构件、传感器、气动构件、电脑控制器及软件所组成的系统[5];模型采用模块式设计,可无限扩充,可反复拆装;产品系统化,种类多样化,可逼真地表现机械系统的构成和控制过程及科学原理,便于对机器人原理、组成、控制的全面认识;以机械传动为核心,融传感器技术、计算机技术、自动控制技术、机器人技术为一体的教学及仿真模型。该智能模型能够展示科学原理和技术过程,紧密联系研究设计和生产实践过程,不断创新,不断发展,学生可以通过自己动手搭建机械、气动、传感器部件,熟悉并掌握机器人产品的结构、工作原理,并可在此基础上利用PLC、计算机接口或单片机接口板进行自动控制,培养学生将所学知识交叉融合、用于解决具体问题的能力,同时培养学生的动手能力、创新能力。该模型也代表了高科技的许多领域,受到国内外各地教育工作者的关注和思考。
三 慧鱼模型在机器人实验教学中的应用方案
东北林业大学工程技术学院2006年购进慧鱼模型,建立机器人创意实验室。结合机器人技术课程的教学安排与慧鱼模型的特点,将机器人实验在内容上分为以下五部分:机器人技术入门实验、移动机器人实验、气动机器人实验、仿生机器人实验和工业机器人实验。实验分为必选和选修两部分内容,将机器人入门实验列为必选实验,机器人基本的实验原理、编程及控制方法在必选实验中得到训练,使学生了解慧鱼机器人的制作与控制过程,激发学生的创新意识;将难度较大的移动机器人实验、气动机器人实验、仿生机器人实验、工业机器人实验列为选修实验,学生可根据兴趣进行选择,通过对各种专用机器人的制作与控制,进一步发挥学生的创新意识,提高学生的动手能力。
每个实验的完成过程大致按三个阶段进行:首先是模仿学习阶段,学生通过对提供的资料、图片、教具进行观察、研究和琢磨,进行自主的学习模仿性实验,获取大量感性认识,根据实验指导书上的提示制作慧鱼机器人,学习各种经典的机构组合方式,结合电脑语言编程,对设计的机器人进行编程和控制;第二阶段是改进阶段,在已制作好的机器人基础上进行改进,使之实现更多地动作,培养想象力和创造力;第三阶段是创新阶段。摆脱实验指导书的束缚,创造出具有新的机构和功能的机器人。
四 移动机器人实验创意组合实践
如何利用慧鱼模型进行机器人的创新实验,如何能使学生的创意得到很好的发挥,是在进行实验课程之前值得认真思考的问题。东北林业大学工程技术机器人创意实验室通过实施模仿、改进和创新三个阶段,完成慧鱼模型组合的三个过程,取得了良好的实践效果。下面以移动机器人创意实验为例,介绍慧鱼模型在进行机器人实验教学改革的实践过程:
1 基本知识的准备。首先引导学生熟悉慧鱼模型的各个模块功能,复习机器人技术、传感器、微机原理和Robo Pro编程等一些基本知识,为进行机器人创意实验设计打下基础。
2 主要实验器材的准备。各实验小组准备慧鱼移动机器人组合包一套、慧鱼专用电源一套、PC机一台、Robo Pro软件一套、智能接口电路板一块。
3 题目拟定。起初学生对慧鱼模型不了解,首先由老师确定题目:运行小车。采用两个传感器检测所行距离,含有一个接触开关和一个脉冲齿轮,脉冲齿轮连接到电机的减速轴上,使得电机开关启动四次。要求学生通过计算所有脉冲边沿,使运行小车能够实现以边长为一米的正方形轨迹行走功能。该题目集机、电、控制、传感技术和机器人技术为一体,构思与组装具有一定的创意。
4 方案的改进阶段。在运行小车制作完成之后,启发学生在此基础上进行改进,制作一个类似于工厂AGV车的追踪轨迹机器人。学生通过了解AGV小车的运行原理,采用黑色胶带作为轨迹,车身下安装光电传感器,当传感器反射出黑线,马达就会做出相应的反应。在实验过程中,应注意轨迹的转弯不能太急,否则机器人会出现因看不到轨迹而频繁偏离轨迹的现象。同时,为了保证传感器功能的准确性,应保证轨迹有足够的亮度。
5 方案的创新阶段。要求学生开动脑筋,依据自己的想法组合出新的移动小车。有的同学根据追踪轨迹机器人的运行原理,又增加了新的功能,设计出寻光避障机器人,该机器人将寻光和避障的功能结合起来。首先,机器人寻找光源,发现光源,进行跟踪,如果探测到妨碍其前进的障碍物,识别障碍的功能将开始起作用,当障碍全部扫光,机器人继续寻找光源前进。该方案将进行寻光功能的光电传感器连接到两个输入端,当模型向左右旋转时,采用接触传感器计算脉冲。该任务主要分成三部分:检测机器人是否看到光源(子程序Light),检测机器人是否碰到障碍(子程序Obstacle),机器人鉴于上述判断功能的相应反应动作(子程序Driving)。该方案的完成不仅锻炼了学生的创新能力和动手技能,同时训练了学生“自顶而下”的编程思想,收到良好的效果。
五 应用慧鱼模型进行机器人实验教学的收获
通过利用慧鱼模型进行机器人实验教学改革,得出一些收获与经验:
1 由于慧鱼模型的自身特点,通过模型的搭建和组装,提供了一种特殊的学习模式,即一边动手制作,一边学习相关知识,在机器人制作过程中,每时每刻都会出现新的问题,明确的目标激发学生主动去寻找答案,培养学生的动手能力、解决实际问题能力和创新设计能力。而且,由于慧鱼模型要求学生完成创意设计,许多内容超出教材甚至超出教师的知识范围,因此必然敦促教师自身的再学习和提高。有了教学实践中师生共同探讨问题的经历,学生有问题愿意找老师答疑和探讨,可形成一种互相学习、互相促进的新型师生关系。
2 在进行慧鱼模型的组装和创意过程中,应以学生动手实践为主,教师为辅。教师不要过多地干预学生的思维,给学生充分思考和创新的空间,尽量创造一个使学生的潜能得以充分发挥的环境,使学生的特长得以展示,能力得以提高,而且逐渐养成“不墨守成规,不拘泥于传统”的思维习惯。
3 教师应用最简洁的方法教会学生使用慧鱼控制软件,避免学生在软件上遇到过多的障碍。由于实验课的课时有限,教师应将准备工作做好做细,将软件的使用方法和要点提前向学生讲授,使学生在软件学习上不要花费太多的时间,重点将程序编制中对学生创新思维和创新能力的培养放在程序的逻辑关系、时间分配和控制方法上。
4 加强慧鱼零件的管理。慧鱼模型在使用的过程中,普遍存在着一个问题:慧鱼构件种类繁多,形状细小,容易出现丢失的现象。在实验课中,如果构件使用不当或管理不严,经常会出现损失和丢失构件的现象,而且有的构件一套组合包中就只有一个,在这种情况下,无法从厂家购买一个或两个单独的构件,可能会出现为购买一个构件而需要购买整套模型的现象。因此,在进行慧鱼创意组合实验课之前,应思考如何有效地管理慧鱼构件的问题。
六 结语
在应用慧鱼模型进行机器人实验教学过程中,学生将综合应用到机械原理、气动技术、电子电路、测试及控制和软件编程等知识,而且慧鱼模型的组建没有特定的标准答案和固定的模式,不受教材制约,不需要反复记忆和练习,因而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,鼓励学生积极思考,开创学生之间、师生之间进行平等讨论的良好环境,可建立自主学习的研究气氛和学习方法。因此,通过采用慧鱼模型对目前机器人技术的实验教学体系进行改革,可以体现“以学生发展为本,以能力发展为主”的现代教育理念,是一条探索培养学生创新能力的有效途径。
参考文献
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中图分类号：G633 文献标志码：B 文章编号：1673-4289（2014）01-0057-02
在中小学信息技术课程中，如何有效地引入机器人载体以促进信息技术教育、教学的创新，培养学生的操作实践能力，提高创新能力，促进学生的全面发展，这是中小学信息技术课程建设实践中需要研究的重要课题。
一、实践研究的做法
（一）注重平台建设，打好研究基础
在中小学信息技术课程中引入机器人载体的研究需要两个平台的支撑：一是教材，二是机器人器材。前者是信息技术课程的要素，后者是开展实践研究活动的载体，缺一不可。
为此，首先对我国部分省市现行义务教育阶段《信息技术》教材进行了查阅分类，以了解目前国内机器人进入义务教育阶段信息技术课程的现状。这包括：义务教育阶段《信息技术》教材中有关机器人内容分布，内容的详略，涉及的机器人品牌型号等。同时，对所涉及的机器人进行比较，确定其教育教学性能，经济性等，最终确定了适合我省义务教育阶段开展机器人教育教学活动可选用的机器人品牌型号。这一阶段的研究成果也被我省义务教育阶段课程改革实验教材《信息技术》修订组吸收，形成了适应本省教学需求的机器人教学教材，也为本课题研究的开展提供了范本。
在此基础上，向义务教育阶段课程改革实验教材《信息技术》所涉及的机器人公司寻求支持，得到了智慧天下公司、四川天平教学仪器公司的鼎力相助，为20个实验学校各捐赠了25套“智慧天下机器人套件”，为实践研究工作开展打下了良好物质基础。
（二）申报省级课题，推动实践研究
为更好地推动中小学信息技术课程中引入机器人载体的实践研究，2011年申报了四川省教育厅普教科研资助金项目：《中小学信息技术课程中以机器人为载体的创新教育研究》（批准文号为：川教函[2011]632号），并设置了21个子课题研究学校，目的是通过子课题的研究，取得一手研究资料，提供研究实例，以支持实践研究的成果。
二、实践研究的效果及影响
（一）实验学校信息技术课程教学得以优化
智能机器人技术融合了造型技术、机械、电子、传感器、计算机软件、硬件和人工智能等众多先进技术，充分地体现了当代信息技术多个领域的先进技术，是综合知识和技术的结晶。机器人活动不仅主题有趣，富有挑战性，更重要的是其问题解决方案是开放性的，学生可以用不同的方法达到同一个目标，因而智能机器人活动能激发学生充分发挥想象力、创造力，有利于培养学生的开放性思维，提高学生的创新能力。
（二）实验学校教师创新意识增强
1.教师的教学观念得以更新
参研教师通过自学、参培、研讨等形式提高了理论认识；对教材、教法的研讨、课堂教学的设计、反思，教学效果的总结中教师的业务水平得到提升；教师将“课堂交给了学生”，通过生动、直观、有趣的实际情境，激发学生兴趣和参与热情，促使学生主动探究，充分发挥学生能动性和创造性，而教师只是课堂组织者。这样一来，老师的观念得到了转变。
2.提高了教师的综合能力
在活动开展及课题研究过程中，课题组老师通过自己设计活动、组织活动、了解收集活动资料、整理分析、归纳总结、撰写经验文章及研究报告等，一步步学会了教学研究，提升了研究能力，促进老师向一个创新型、研究型、专家型教师发展。
（三）实验学校学生创新能力明显提升
中小学信息技术课程中引入机器人载体的实践研究，其最终目标还是落实到对人的培养上，通过实践研究，学生的创新意识和创新能力是否有效提高，实验学校对实验班和参照班进行了《威廉斯创造性倾向量表》测试，结果表明：经过机器人教学实验的班级，其冒险性，好奇性、想象力和挑战性等四项指标明显高于对比班。
（四）以机器人为载体的教育、教学影响广泛
实验学校通过实践研究，产生强大的社会效应。如内江十小的机器人教育是该校特色教育之一，从2006年至今多次荣获省、全国机器人比赛一等奖，在省、市都有较高的声誉。四川教育电视台于2013年1月专门就此进行了采访，从管理、教学、学生学习、课外活动等多方面介绍该校在机器人教育教学方面的经验，社会反响强烈。
又如自贡市大安区回龙中心校等实验学校也被多家网络及报刊媒体进行宣传报道，提高了学校知名度。
三、问题及建议
（一）机器人引入课堂的制约因素
1.器材
从教学理念来说，现在使用机器人产品与目前的教育潮流相符合，有利于同学们动手能力的培养。机器人的搭建空间很大，能充分发挥学生的想象力。整个机器人平台符合中小学生的年龄特点，有利于创新能力的培养。
但机器人套件成本较高、损耗较大，直接影响了机器人在常规教学中的应用。同时机器人本身的质量问题需进一步提升，在面向全体学生进行机器人教学时，如何对学生和器材进行科学有效的管理才能方便实施教学等问题需要思考。
2.上课环境
开展机器人创新教育要面向全体学生，学校首先需要购置大批机器人设备，电脑设备，还需要标准的机器人实验室以及一些机器人文化背景的设置。上课环境的配置需要学校投入一定的资金和场地。这对多数学校来说，经济支撑能力是不足的。
3.教师水平
机器人知识涵盖的范围很广，涉及机械、电子、运动学、动力学、控制理论、传感检测、计算机技术等学科，老师对这些学科的基础了解很有必要。同时，因为机器人对程序的要求很高，对机器人语言、程序设计等方面，应该有深入的学习，掌握好这方面的知识和能力。在教学活动中，不可避免的会有机器人器材的损坏，因此，对简单的电子电路维修，对一些维修器具的使用，教师也需要有所了解和掌握。只有教师本身具备了足够的与机器人有关的知识，才能够保证教学活动的正常进行。
4.教学大纲要求
教育部2000年颁布的《中小学信息技术课程指导纲要（试行）》没有机器人教育的内容，目前，各省只能根据自己的实际情况，编写教材。“机器人教育”进入中小学课堂是一项新内容，各地所使用的教材版本不一样，可供参考的案例、课堂实录及相关研究成果很少。因此，修订全国课程标准，明确教学目标，有利于机器人引入课堂的推广。
（二）进一步深入开展研究的建议
1.系统的教师培训
义务教育阶段机器人教育需要教师不仅掌握信息技术知识，还需要了解数字电路，机器人组装等多种知识，针对许多信息技术教师不了解机器人模块教育，不能很好的指导学生进行创新能力的培养。建议对义务教育阶段的信息技术教师开展系统的机器人教育培训。
2.统一的器材配备
由于机器人套件费用较高，学校自主配置比较困难，建议将机器人实验室纳入中小学教学仪器配备目录，统一为所有中小学配备机器人套件，电脑设备，以利课堂教学的开展。
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）06-0087-02
一、前言
随着经济与知识全球化的到来，社会对人才的培养提出了更高的要求，要求大学生不仅要有宽厚的多学科知识、较好的综合素质，而且要有较强的创新实践能力，基于此，需要改革传统的大学人才培养模式[1-2]。教育部提出：“实践教学方法改革是推动实践教学改革和人才培养模式改革的关键，各高校应加强综合性实践科目设计和应用。”[3-4]但如何在不改变原有学科知识传授及传统实践教学的基础上，培养大学生的创新实践能力，激发学生的创新意识，提高学生的综合素质，为大学生在未来的就业市场中找到自己的立足之地，成为新形势下高校创新实践教育面临的一个重大课题。
美国哈佛大学教育研究所的霍华德・加德纳教授曾说：“一个人主动去问、去想、去寻找问题的答案，是积累知识的最佳途径，被动的接受不会产生持久的影响。”[5]机器人是极富趣味性和挑战性的领域，不仅容易激发学生的学习兴趣，而且综合了信息技术、机械工程、电子工程等多学科的知识，是理论和实践的高度结合[6]。而在机器人竞赛中，需要学生根据比赛要求从无到有，将自己的想法变成能够完成给定要求的机器人实体，整个过程不仅使学生增加了理论知识的理解，而且有利于激发学生的想象力，培养学生的创造能力及实践能力[7]。本文结合近两年指导河南省机器人大赛的经验，探讨了在高等学校中如何以机器人竞赛为载体，提高学生的创新实践能力。
二、机器人竞赛在创新实践能力人才培养中的重要作用
1.高校创新实践能力培养现状分析。传统的实践教学由于受到教学条件的限制，缺乏规范、行之有效的实践教学体系，致使学生的创新实践能力受到影响[8]，具体体现在以下几个方面：（1）重理论，轻实践，对培养学生的创新实践能力投入有限。多数学校由于经费限制，为学生提供的创造性实践条件有限，同时部分教学环节缺乏对该方面的引导，导致学生的创新实践意识不能得到发挥。（2）创新实践激励机制不完善。长期以来，学生接受的教育模式是理论为主，实践为辅，在学习中，仅仅受单纯验证性实践课程的影响，导致学生的创新实践能力得不到有效的锻炼。（3）创新实践环节跨度大，创新实践体会不深。很多高校虽然开展了形式多样的大学生创新实践环节，但是参加此项活动的大部分是大二和大三的学生，仅仅参加了部分验证性实验，当学生接触到需要有一定创新实践能力的科研项目时，由于跨度较大，导致很难做出高水平的科技成果，无法真正体会到创新思维与科技发展之间的相互作用，进而阻碍了学生创新实践能力的培养和锻炼。
2.机器人竞赛创新实践能力培养目标。机器人教育进入学校的主要表现形式是竞赛，而竞赛机器人要求学生从车身设计、控制器设计、传感器应用、软件设计及系统调试，最终构成一个完整的控制系统。在整个工作过程中，学生可以综合应用所学知识，查阅资料，进行方案论证，在制作中，不断对机器人的软、硬件系统进行完善，以提高机器人的整体运行能力。整个过程中，学生一直处于独立思考、分析问题、解决问题的状态中，有效地促进了学生自主创新实践能力的提高[9]。具体体现如下：（1）专业知识综合应用能力得到提高。竞赛中，在设计及制作满足参赛要求的机器人系统过程中，学生需要将所学的专业知识加以综合应用。（2）学生独立分析问题、解决问题能力得到提高。学生在完成机器人的硬件制作工作后，就可以根据竞赛要求进行软件编程，以在指定场地上实现机器人的自动控制，而整个过程需要学生小组独立完成。（3）学生的实践动手能力和科学研究态度得到提高。在竞赛过程中，需要学生对机器人的不同部件进行改装，按照比赛规则进行程序的调试。而在整个方案的设计、安装测试及硬件联调中，所遇到的每个难题都要认真解决，否则功亏一篑。
三、机器人竞赛在培养创新实践能力中的具体实施
机器人是极富挑战性和趣味性的领域，能很好地激发学生的学习和研究兴趣，使学生的学习和研究由被动变为主动。本文以参加2014年河南省机器人大赛为例，按照以下五个步骤对学生的创新实践能力进行培养。
1.项目团队的建立。在确定人员时，可以让不同专业和不同年级的学生进行报名，对于低年级的学生，在难度上略微降低要求，这样，一方面扩大了不同学科学生的参与面，另一方面，建立了相应的学生团队和梯队，为后续的各类竞赛奠定基础。团队建立后，指导教师确定一名能力比较强且尽量是高年级的学生作为队长，由队长实现对本组学生的管理，充分利用高年级对低年级的传帮带动作用，有序开展创新活动。
2.项目任务的制定和分工。团队负责人和队员共同制定机器人项目工作计划，确定工作步骤。以机器人灭火比赛项目为例来进行说明，在机器人灭火比赛中，要求制造一个由计算机控制的机器人，能够按照操作规则在房间中以最短的时间找到火源并将它熄灭。在进行任务分配时，尽量考虑团队中学生的专业及特长，如机器人机械结构的设计，由具有机械设计基础的队员负责，硬件电路的制作如电机驱动电路、避障电路等由电路分析基础好的队员负责，软件程序的编写由计算机相关专业的队员负责。这样，团队中每个队员分工明确，使学生真正参与到项目中。
3.项目的制作。据比赛项目类型，分析每个队员学生的实际情况，建议他们选择规模和难度适中的项目。在比赛项目制作的前期，对学生进行相关知识的训练，如第一阶段，对他们进行有关机器人基本传感器及硬件电路组装训练；第二阶段，要求他们掌握机器人中相关传感器的综合应用；第三阶段，要求他们按要求完成机器人制作及调试。整个项目制作过程中，队员之间可以相互讨论，一起解决问题，团结协作，做到共同进步，而这个过程在其他教学环节中是无法实现的，对于培养学生的创新实践能力非常重要。
4.项目的评估。项目的评估采用答辩和实物演示的形式向指导教师和选定的评测小组汇报。首先由负责整体设计的队员对整个项目进行汇报，再由各个队员对自己负责的工作进行汇报，汇报完毕，针对项目中出现的问题，教师尽量引导学生独立思考，自己解决问题。汇报完毕后，由每个小组逐个进行作品的演示，作品演示结束后，由指导教师和评测小组当场给予评判计分，并对优胜者给予一定的奖励。
5.项目技术文档的规整。为使学生养成善于总结的良好习惯，同时给后续招生队员一定的参考，项目结束后，要求学生将整个项目的工作进行技术文档的规整。这样使学生科技写作的能力也得到了相应的提高。
四、机器人竞赛创新实践教学成果
经过上面五个步骤的训练及评估后，从中挑选中具有较强创新实践能力的学生，集中进行机器人竞赛实战练习，使学生的能力在项目训练过程中切实得到提高。近年来，我院学生参加了多次河南省机器人大赛，以2014年的河南省机器人大赛为例，我院在交叉足项目上包揽了一、二、三等奖，在狭窄足、越野游项目中获得了二等奖、三等奖的好成绩。机器人竞赛的全面开展在提升我院大学生的创新实践能力和增强就业竞争力中发挥了积极的作用，促进了大学生健康成长和全面成才。
五、结论
实践是认识的源泉，是创新的基础，本文以机器人竞赛载体，分析了我院如何通过机器人竞赛活动系统地训练大学生的创新实践能力。通过机器人竞赛，在创新意识上，学生了解了工程师应该具有的素质和创新能力；在实践能力上，学生通过机器人的设计加工、机器人的焊接和不断调试，其实践能力得到了锻炼。因此，在机器人竞赛过程中，大学生的各项理论知识和实践技能能有机地进行结合，充分发挥学生的创造潜能，提高了学生解决实际问题的综合能力。
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关键词：机器人；实验教学；转台；开放性
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）24-0267-02
一、机器人课程实验教学存在的主要问题
高校机器人课程是一门多学科综合交叉的边缘学科。随着中国制造的产业化升级和“中国制造2025”政策的，对机器人领域的专业人才需求量越来越大，机器人教学应当积极应对这一变化，顺势而为。针对高校机器人课程教学中存在的问题，已有很多相关的研究和探索，旨在改进课程教学方法，提高教学质量。然而，机器人课程实验教学仍然存在诸多问题，包括实验仪器开发、实验方法研究和实验室建设等，仅靠教学人员或实验人员均无法独立解决。笔者多年从事机器人教学和实验发现：首先，组成机器人的机械、控制和感知系统对应的知识内容相互孤立；其次，机器人教学、科研和应用开发等用途之间相互孤立。二者分别对应微观、宏观两个层面的“孤岛效应”，制约了学生对机器人课程关键知识的理解和吸收，无法形成完整的闭环。现有的机器人实验教学仪器存在功能、开放程度、与课程体系的结合程度等方面的不足，无法满足新形势下机器人实验教学要求。为此，自主研制了一款开放式可升降双轴随动转台。该转台获得了安徽省首届高等学校自制实验教学仪器设备展评活动一等奖和第四届全国高等学校自制实验教学仪器设备评选活动三等奖。
二、开放式可升降双轴随动转台的研制
该转台是一款由可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制的三自由度云台，由机械系统和控制系统组成。通过在转台上安装视觉传感器，可以进行运动物体检测与跟踪。
1.机械系统。由升降、偏航和俯仰机构组成。升降机构使用电动缸带动转台在竖直方向上直线移动。偏航、俯仰机构使用直流伺服电机经谐波减速器减速和同步带传动后，分别绕竖直、水平转轴做回转和旋转运动。在水平转轴上安装了视觉传感器，通过转台的运动，实现多视角图像采集。
2.控制系统。底层控制器为西门子S7-1214 PLC及其扩展模块，用于进行电机控制、编码器数据采集和输入输出控制等。上位机使用笔记本电脑，用于进行视觉传感器图像采集与处理、以及三自由度运动插补计算。为了跟踪运动物体的方位，使其始终处于图像中心位置，使用插补算法，计算每个自由度的关节变量。最后，通过以太网通信，将计算值传递给PLC，控制转台的运动，并返回编码器数据。为了便于调试，分别使用电子手轮、无线遥控手柄进行精确、粗略手动控制，并使用触摸屏进行控制参数设置和运动状态监测。该转台既是教学、科研实验台，同时也是一款具有实用价值的机电产品。
三、转台在机器人实验教学中的应用
为了配合机器人本科课程教学，结合开放式可升降双轴随动转台的功能和特点，开展了以下机器人实验教学内容。
1.底层运动控制实验。使用PLC进行转台的底层控制系统设计，绘制电气控制原理图。使用顺序控制设计法，编写相应的控制程序，进行转台运动控制实验。学习用于控制步进电机、直流伺服电机的PLC程序设计及相关运动功能模块。进行电机的位置、速度控制实验和PID参数调整实验，设计相应的手动输入装置和人机交互装置。
2.传感器实验。内部传感器实验：使用光电编码器测量电机转角。利用PLC的高速脉冲输入端口和程序中的高速脉冲计数器，进行升降、偏航和俯仰电机对应的编码器脉冲数据采集和处理。另外，为了精确测量转台每个转轴的零点位置，通过增加使用增量式光编码器，检测编码器的Z信号，设计相应的零点检测程序，进行转台自动回零点实验。外部传感器实验：使用视觉传感器进行运动物体测量。在转台的U形架上安装视觉传感器，使用笔记本电脑进行图像采集和处理，进行计算机视觉算法实验，包括物体颜色识别、边缘轮廓提取和中心位置提取等，从而检测视角范围内运动物体的位置。
3.机器人控制实验。研究机器视觉算法和多轴协调运动控制，进行运动物体检测与跟踪实验。多轴协调控制实验：在使用手动方式控制转台运动时，升降、偏航、俯仰运动各自独立进行。为了让转台上安装的传感器或末端执行器能够在三维空间中任意运动，在笔记本电脑上进行软件编程，协调控制升降、偏航和俯仰电机的运动。分别进行双轴旋转协调控制和三轴协调控制实验，实现多轴运动插补控制。运动物体检测与跟踪实验：将具有显著颜色或几何形状特征的物体放在转台前方，通过手拿该物体任意运动，使用视觉传感器检测该物体，计算该物体的位置和运动速度，然后使用插补算法计算转台每个转轴的角度。将转台每个转轴的转角、转速信号通过以太网传送给底层控制器，由PLC分别控制转台的每个转轴运动，从而使视觉传感器始终对准该运动物体的中心位置，实现自动跟踪功能。上位机控制软件设计实验：在笔记本电脑上进行Windows程序设计，进行检测、路径规划和插补计算，通过以太网通信将控制数据发送给底层控制器，并返回编码器测量值，监控转台的实际运动情况。设计图形化软件界面，模拟转台的三维动态变化过程。本科生通过参加转台实验，进行转台的控制系统和软件设计，可以从系统的角度理解如何自动控制机械部件的运动，并利用外部传感器实现完整的闭环控制。本文设计的基于视觉传感器的运动物体检测与跟踪，仅是转台的典型应用示例。学生只要获得底层运动控制器的通信接口规范，即可进行不同用途的应用开发。因此，该转台可以锻炼学生的逻辑思维、系统性思维和发散思维能力，培养学生解决复杂工程问题的能力。
四、结论
针对机器人课程教学和实验过程中系统性不强、联系不紧密等问题，设计了一款开放式可升降双轴随动转台，通过在转台上安装视觉传感器，实现运动物体检测与跟踪功能。该转台可以提供底层运动控制、传感器实验和机器人控制实验，适用于本科生机器人实验教学，具有很好的开放性和推广价值。
参考文献：
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中图分类号：TP242.6 文献标识码：A
Abstract：This paper designed and developed a robot system can real-time game Gobang with people.The chess robot identifies chessboard information with the camera，then make up the decision with the strategy system，and then execute action through the mechanical arm.This paper introduced the software and hardware design，implementation and debugging of each function module of the system.It has been testified that the robot achieved human-computer interaction at low cost，and played a promoting role in the experimental teaching of computer control device，artificial intelligence，software technology curriculum.
Keywords：chess robot；Gobang；image recognition；PLC；experiment teaching
1 引言（Introduction）
“人工智能之父”图灵在1950年曾说：“下棋是很抽象的活动，是机器可以和人竞争的纯智能领域之一[1]。”随着1997年“深蓝”战胜人类国际象棋冠军卡斯帕罗夫，人机对弈成为一种人工智能的代表应用形式，被普通民众所熟知。
随着计算机软件技术的普及，人机对弈类型的应用软件层出不穷[2-4]，丰富了人们的休闲娱乐生活。随着机器人技术的快速发展，娱乐机器人成为机器人领域中一支极具前景的新生力量[5]，新的技术也对人机对弈平台在人机交互方式[6]和真实用户体验方面提出了新的需求。国内的人机对弈系统一般针对中国象棋或五子棋[3-7]，其中五子棋尤其具有现代休闲“短、平、快”的特征[2]。本文设计制作了一个实时交互的五子棋人机对弈系统，旨在提供一个具有真实用户体验，服务于相关课程实验教学的人机对弈实验平台。
2 系统总体设计（System design）
五子棋人机对弈系统主要包括视觉系统、策略系统和机械臂系统三大功能模块，系统总体结构如图1所示。视觉系统对棋盘进行图像采集，通过特定的图像识别算法对双方棋子进行识别和定位，得到当前的棋盘布局。策略系统对当前棋盘布局进行分析，调用智能对弈算法计算出最优落子位置坐标，并换算成为执行器的动作量，通过串行数据线发送至机械臂系统，由其完成取子、移动、落子等运动控制。从而在真实的棋盘上实现人机对弈。策略系统提供可视化的人机界面，能将视觉系统得到的棋盘布局图形化显示，实现对弈过程中界面与棋盘信息的同步。此外，用户亦可通过人机界面与策略系统进行纯软件的虚拟对弈，增强了趣味性，丰富了实验内容。
3 视觉系统（Vision system）
视觉子系统是机器人的眼睛，由摄像头与图像处理算法组成，系统结构如图2所示。摄像头采集棋盘图像，通过USB传至装有图像处理程序的计算机，再经过色块分割、识别和定位得到双方棋子的布局情况，上传至策略系统。摄像头型号为PHILIPS SPC900NC，USB接口，最高帧速率为90幅/s，安装于棋盘正上方。图像处理算法通过C++语言实现，开发平台为Visio Studio 2010，程序流程如图3所示。
图像识别[8，9]的步骤为：色块分割、棋子识别、棋子定位。首先根据颜色特征来区分双方棋子。将摄像头获取图像转换为YUV颜色空间信息，分别定义双方棋子颜色的阈值范围，即可将图像分成不同颜色的色块。综合考虑图像噪声等因素的影响，根据色块面积、形状等特征严格地判断是否为待识别目标。为了辅助定位，在棋盘的四个角上用不同于棋子的颜色作为标记，因此实际的目标识别还包括对四角标志点的识别。识别出标志点后，根据棋子和标志点的图像坐标的关系，即可获得具体的位置信息，识别效果如图4所示。
4 策略系统（Strategy system）
策略系统是机器人的大脑，系统结构如图5所示。它接收来自视觉系统的棋盘位置信息，判断当前的胜负关系，计算出下一步落子点坐标，再经过机械臂控制执行换算得到输出动作量，通过串行口发送至机械臂系统。策略系统通过计算机软件编程实现，包括智能决策算法与人机界面两部分。智能决策算法采用C++语言开发，界面采用C#语言开发，开发平台为Visio Studio 2010。
4.1 智能决策算法
智能决策算法主要包括最优落子点的计算，胜负判定和控制执行换算三部分，程序流程如图6所示。计算最优落子点采用最直接也是最有效的遍历搜索法。预设棋盘布局为10格×10格，计算可得双方均分别有192种取胜的状态。首先对取胜缓冲标识区以及双方的搜索空间分别进行初始化；随着双方对弈的深入，棋子的增长与局势的变化，系统通过判断对方所有符合条件的取胜状态及其威胁性，按照一定的加分规则来更新搜索空间的评价值，以数值最大的点为下一步的最佳落子点，如此往复循环。对于结果的判断比较简单，取胜的条件为五子连线；平局的条件为棋子布满棋盘。
在真实对弈的过程中，机器人的落子行为通过机械臂系统来执行，机械臂控制执行换算实现最优落子点坐标与机械臂动作量之间的数值转换。根据机械手爪的位置与目标落子点的坐标，规划出最优的移动路径；再结合机械臂各个自由度上的机械参数，计算得到各执行电机的输出动作量。
4.2 人机界面
人机界面是棋盘之外的辅助人机交互接口，具有参数设置、信息可视化和软件模拟的功能。人机界面如图7所示，设计有黑、白方的选择按钮，启动、停止、重启比赛按钮，串口参数设置以及计时器等功能模块；与实际对弈竞赛一样，人/机双方在落子之后还需点击相应的“落子确认”按钮。由于系统具有真实和虚拟两种人机对弈模式，在真实对弈过程中，界面能实时显示当前的棋盘布局；在虚拟对弈过程中，用户直接通过界面与智能对弈算法进行较量。
5 机械臂系统（The mechanical arm system）
机械臂系统是机器人的手臂，系统结构如图8所示，它通过RS-232接收来自策略系统的电机输出动作量，经可编程控制器（PLC）转换为相应的脉冲信号，由开关量输出（DO）端口传送至驱动器，控制电机和电磁阀带动转盘、丝杆及汽缸动作。结合开关量输入（DI）端口接收到的位置传感器反馈信号，完成在立体空间中抓取、移动和放置棋子的动作。
机械臂系统选用亚龙公司YL-SJ-Z型工业机械臂实训台，由全金属架构搭建而成（长×宽×高：1200mm×780mm×840mm）。通过垂直、水平和底盘旋转三个自由度的活动环节，实现机械手爪在一定三维空间区域内活动定位，即使用了坐标式架构。底盘旋转通过直流减速电机与光电码盘配合实现精确定位；垂直与水平移动分别由两个步进电机带滚珠动丝杆旋进，行程终点装有限位开关，保证电机安全运行；机械手爪采用高精度气动式手爪，配备电磁位置开关及两位三通电磁阀，实现快速准确的抓取和放开动作。
实训台的主控制器为欧姆龙CP1H-XA40DT-D型PLC，CP1H-XA40DT-D是一款紧凑型一体化高性能PLC，具有24路DI和16路DO，直流24V供电，能通过USB与RS-232/485等多种方式与计算机通讯。PLC程序采用梯形图编程语言编写，开发软件为CX-programmer7.0。程序流程如图9所示，可分为抓取棋子，接收串口数据，产生并发送控制信号，移动至落子位置，放置棋子，返回起点几个步骤。
6 结论（Conclusion）
将各功能模块联机调试，挑选学生志愿者与机器人进行对弈测试，实验结果表明，真实对弈与虚拟对弈都较好地实现了预期目标，尤其是真实对弈模式在一定区域内很好地实现了棋子的识别，机械手取子、移动、落子等动作，给用户沉浸式的操作体验。实际测试效果如图10所示。系统各功能模块都具有通用的软硬件接口，供学生探索研究和继续开发，已经应用于计算机控制装置、人工智能、软件技术等课程的实验教学，收到良好的效果。
对弈机器人利用硬件设备将人机交互实物化，更加符合传统对弈的形式，在教学研究、科技展示、家庭娱乐等方面具有相当的应用价值。通用的硬件配置，个性化的软件设计，既降低了开发成本，也使系统具有较强的可移植性。
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