机器人创新性教学平台实践与探索报告

编辑:阿文时间:2020-06-14 17:39:09
机器人创新性教学平台实践与探索报告,创新意识和创新能力的培养获得了一定的重视,目前创新平台多以机器人为主,机器人涉及到机电控制传感技术计算机技术等多方面知识。

一、引言创新性教学平台是将知识、素质、能力和创新融为一体的综合性教学平台,是大学生工程教育中的最高层次的教学平台。从全国高校工程培训中心创新实践发展可知,创新意识和创新能力的培养获得了一定的重视,创新实践活动已经在不同层次、不同类型的学校以不同覆盖面进行。 从部分重点院校的创新性实践平台可以看出,目前创新平台多以机器人为主,这是因为机器人是一部精密机械组合体,是一个典型的机电一体化系统,它融合了造型、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,是目前世界各国高校和研究所进行教学研究和工程训练理想的实验平台。

[1]机器人涉及到机、电、控制、传感技术、计算机技术等多方面知识,可使学生得到跨学科综合能力的培养,使学生在实施项目的过程中建构广域的工科知识基地,对材料、机械、电子、计算机硬件、软件科学、可编程控制和机电一体化流程有全面认识。 我校作为地方性综合院校,与重点高校相比,在各种科技创新活动中,机器人类创新项目的参与程度比较低,有关机器人创新实践教学还只是处于起步阶段,因此探索如何利用机器人模型提高大学生的创新能力是目前迫切需要解决的问题。

二、组建机器人创新性教学平台的意义和目的机器人研究是进行创新思维训练、创新技能训练、工程实践训练最理想的平台。组建机器人创新性教学平台对于培养学生创新动手实践能力,对专业知识的巩固和融会贯通、提升院校办学质量、提高学生就业率等方面具有重要意义。(1) 培养创新实践能力,巩固和理解专业。

 目前许多各种工科专业都开设了电子电路、检测技术与传感器、嵌入式微控制器、控制原理与控制工程、单片机和微控制器、数字电子和模拟电子、数字逻辑、检测技术与传感器等课程,但是课堂的的学习和一些简单的验证性实验课程不足以满足学生的求知欲望。从根本上改变学生的学习观念是不可能的。从被动学习向主动学习转变的途径之一是让学生进行创新训练,充分激发学习积极性。

机器人作为一个新兴的领域,具备多种新技术,而且具备趣味性,通过创新性的教学平台能充分引导学生创新动手的实践能力。 组建机器人创新性教学平台能为高等院校的学生和教师提供一个综合的专业机器人教育和研究平台,能通过采用系统的方法对实践教学内容、方法和手段进行创新,进而引导学生进行单片机和微控制器、数字电子和模拟电子、数字逻辑、检测技术与传感器等课程进行融会和贯通 (二)提升学校的办学质量,提高学院校知名度。通过机器人创新教学平台,可以培养校园学术研究氛围,进一步提高科研水平和学生素质。

与此同时,由于近年来国内和国际上各种机器人比赛层出不穷,通过创建机器人创新性教学平台培养学生,积极参与国内外机器人赛事,不断取得优异成绩,这对提升院校知名度,具有重要意义。(3) 提高学生就业竞争力。随着产业升级,就业竞争日趋激烈。企业需要更多具有较强动手能力和专业知识的中高端人才。

目前适合企业的专业人才缺口相当大,造成这种原因的本质是学校教育过多地注重了知识的传授,而忽略了创新技能、动手能力和工程实践能力的培养。学生通过参与机器人实验室的学习和工作,能增强就业竞争力,毕业后能够广泛适用于机电一体化、电气工程、自动化工程等方向的就业需求,更好的适应社会对人才的需求,做到学有所用,学所必用。

三、机器人创新性教学平台的总体规划建设 (一)硬件平台的建设建设机器人创新性教学平台需结合本校的实际情况。由于高端机器人投资大、受益人群少,采取以低端机器人为主、高端机器人为辅的发展战略。 低端机器人采用自制设备的方式,采用avr单片机为控制平台,小型直流伺服电机为动力源,加装多种传感器,自行设计电路板,制作小型机器人。

通过教师的动员,开发了基础控制程序库,程序是开源的,设计了多种软件接口,方便学生调用和学习。该种机器人造价低廉,成本为千元以下,能够配置2个班的数量,满足人数较多的教学要求。 中端为进阶版本,采用arm或dsp处理器作为控制核心,采用高精度数字舵机,构建小型双足人形机器人或多足机器人。

既可以选购零组件自由搭配的产品,如bioloid的专家版机器人,也可以使用学校的车床和铣床自行加工通用型的构件,学生能用这些构件搭配出不同造型,风格各异的机器人。高端机器人技术含量高、成本高。一般用于特定比赛,如中型组球机器人、机器鱼比赛平台等。

兄弟院校大多采取购买的形式,主要研究软件开发和算法改进,如图象处理等。这些机器人较适合高年级及其研究生以上使用,受众小,不适合大规模推广,但少量的购置对提高院校的科研能力有所帮助。(2) 课程设置和实施方法。

 以机器人创新性教学平台为载体,针对不同专业,不同学习阶段和层次的学生特点及专业教学的需求,组织师资力量,编写出具有专业特色,从入门到进阶的教材,并提供创新性的教学、工程训练和实验平台。机器人硬件的两个主要部件是机械部件和电气电子部件。机器人硬件的基本结构由机械系统组成,操作和运动由电气和电子元件控制。

机械部分主要包括减速机构、运动机构、连杆机构、凸轮机构、链传动机构和同步带传动等。电气和电子元件包括伺服电机、电源模块、计算机、微处理器、嵌入式系统、传感器和控制电路。采用机器人模型作为创新性实践教学平台,是因为机器人堪称机械设计、电子工程、工业自动化及自动控制等专业课程实践的最佳载体,可以在实验过程中,对机械加工、机械传动、气动技术、电子电路和软件编程等相关知识有更深刻的理解。

[2]而软件则主要涉及计算机和应用数学专业,含括了图象处理、语音识别、神经网络、模式匹配、专家系统、智能路径算法等方面。因此,在课程设置和实施上,一是要结合学科特点来设置和充分发挥学科特点。 例如:

机电类专业结合数控加工课程,设计加工机器人零件,安装调试和运动控制;自动化专业的学生可以结合嵌入式课程的学习,设计电机驱动的pid闭环控制等课程;计算机及相关专业学生结合图象处理课程开设机器人视觉识别等高级课程。 二是开展综合性的创新实验,鼓励学生利用学科交叉的知识,打破孤立的知识体系,不同专业学生组成团队,进行多学科综合性的创新性设计和验证。

四、机器人创新性教学平台的应用经过一段时间的机器人创新性教学平台的实践中,我们发现,在进行创新思维训练时,大多数学生对于机械创新和机器人创新兴趣浓厚,但对于其中涉及到的机电一体化的、智能化的、对控制技术要求较高的知识,就会觉得不知道从何下手,甚至失去信心。 通过机器人创新性教学平台,进行一段时间综合学习与创新训练以后,学生对材料的种类和用途、机械结构、机械传动、结构设计、传感器和电子器件、单片机、机器人控制、机器人编程等有了比较直观认知,同时通过实验平台,验证了自己创意,组合出可控制的机器人后,增强了自信心,激发浓厚的兴趣。 在机器人创新性教学平台的基础上,除了综合创新学习训练,我们组织了多个课题组,如多功能搜救机器人,迎宾机器人等,让学有余力的学生参与进来。

实现更高层次的项目创新活动。通过自主开发各种机械产品和机器人,进一步提高学生得创新能力和实践能力。 我们在综合训练和项目创新训练的过程中,通过组织去兄弟院校去参观学习,举办机器人讲座,介绍机器人最新成果等活动,提高学生的参与意识和兴趣。

由此不仅可以提高学生的创新能力,而且使他们积累比赛经验,以便在省级和全国级的各种比赛中能发挥出更好的水平。由于我校的机器人教学还处于起步阶段,在实践中需要对该平台进行改进和完善,更好地为广大师生服务。