机器人实验室大全11篇

绪论：写作既是个人情感的抒发，也是对学术真理的探索，欢迎阅读由发表云整理的11篇机器人实验室范文，希望它们能为您的写作提供参考和启发。

篇（1）

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

篇（2）

中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1672-3198（2008）02-0297-02

1 引言

机器人是21世纪技术前沿课题，随着科学技术的发展，机器人在社会各领域的作用越来越大。对机器人的研究已成为热门课题。智能寻迹机器人是一种被广泛研究的机器人，而且国内外都有许多重要的比赛。它是在给定的区域内延着轨迹完成对各个目标点的访问。其主要指标是速度和顺利完成访问得分点的能力。智能寻迹机器人涉及到传感器技术，单片机控制、信号处理、电机驱动、人工智能、驱动电源的设计等诸多领域。本文描述的智能寻迹机器人采用的是双龙公司的单片机，利用红外传感器感知外界信号、光电编码器和C语言编程控制寻线行走姿态。

2 红外传感器概述

红外传感器的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号。用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此对试验的环境要求较高。但光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。

3 机器人轮式机器人寻迹的思想

这里的寻迹是指机器人轮式机器人在白色地板上沿着黑线行走，通常采用的方法是红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在轮式机器人行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在 轮式机器人上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，轮式机器人上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和轮式机器人的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。

3.1 使用一个红外传感器（如图3）

原理:轮式机器人在黑线上前进,跑出黑线(假设向左编偏离黑),轮式机器人向右转2单位角度,判是否回到黑线,回到黑线则前进,若没有回到黑线,则向左转过4单位角度,再判断执行，如此反复试探进行寻迹。

理论图样：

3.2 使用两个红外传感器（如图4、5）

原理：用两个红外传感器有两种情况。其一，传感器之间距大于黑线宽度，轮式机器人在黑线上前进，假如轮式机器人右边的传感器接触黑线，则轮式机器人自动调整左转，直到两个传感器感应的都是白线。其二，传感器之间的距离小于黑线的距离，轮式机器人在黑线上前进，假如轮式机器人左边的传感器跑出黑线，则轮式机器人自动调整右转，直到两个传感器都在黑线上。

理论图样：

3.3 使用三个红外传感器（如图6）

三个红外传感器的设计排列较多，在这里我们只对三个红外传感器排成一行设计进行讨论。

原理：中间的传感器探测的是黑线，两边的传感器探测的是白底。轮式机器人在黑线上前进，假设轮式机器人向右偏离，即中间传感器探测的是白底，且左边的探测器探测的是黑线，则轮式机器人制动调整左转，直到中间探测的是黑线，两边探测的是白底。反之，轮式机器人制动调整右转，直到中间探测的是黑线，两边探测的是白底。轮式机器人继续前进。

理论图样：

图6 三个传感器寻迹解图

4 结束语

本文结合实验室的研究科目，对轮式机器人寻迹中使用红外传感器做了多次测试，寻迹非常成功，并且针对寻迹定位精度要求高和红外传感器的使用个数这两个关键问题提出了相应的解决方案，通过一段时期的测试运行，取得了很好的实验效果。

随着红外传感器技术的日益成熟，定位精度日益提高，在不久的将来，红外传感器的使用范围更广，轮式机器人寻迹也会相应的应用到各个领域。

篇（3）

Breazeal认为：“它（机器人）不仅要具有自然的沟通能力，还要能理解人类的思维方式。每当我们体验这个世界，做决定并采取行动，我们当然会考虑相关信息，但我们也会考虑其他因素。机器人可以有社交功能，也能有真情实感，更是实实在在的物体。不仅如此，只要支持人类全面体验的技术越多，人类自身的本领就会越强大。社交机器人可以算是历史上首次在上述所有这些层面内对人类体验的一种综合体现。”

多年以来，Breazeal一直在研究人性化的机器人，希望赋予他们人际交往的技巧，探究它们如何推进儿童教育、医治慢性病、高级护理等各种类型的工作。甚至，社交机器人还可以帮助家庭成员更好地相处、互动。例如利用相关技术，它们可以让住在千里之外的祖父看到自己的孙女，并且和她玩实时游戏。

Breazeal介绍，除了增进交互，机器人技术也能有效地鼓励人们改进言行。机器人可以扮演教练，指导用户锻炼身体。Breazeal发现，和人类相似的外形、沟通手段、动作和互动方式可以产生比其他技术形式更持久、更重要并且更符合人们期望的成果。

篇（4）

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

篇（5）

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）28-0268-02

机器人是一个多学科交叉的综合产物，涉及机械工程、电子技术、检测技术、通信技术、计算机技术、自动控制理论以及人工智能等多个学科领域，代表了当今机电一体化的最高成就。当前，工业机器人、医疗机器人已经得到了广泛应用；随着人口的老龄化，服务机器人也成为了研究的热点。在此背景下，越来越多的高校开设了机器人课程并给予较高的重视。机器人课程具有涉及学科广泛、实践性强、探索性丰富等特点，是面向高等学校机械工程学科机械工程及机械电子工程专业的本科生和一年级研究生开设的专业课。

根据应用型本科的教学定位，本着“技术强校，应用为本”的办学指导方针，华南理工大学广州学院以机械工程实验中心的机器人资源为依托，面向机械类专业学生开展了机器人实验课程并不断探索更好的教学方法，着力培养满足用人需求的技术应用型人才。

在此，本文在分析国内机器人实验课程现有问题的基础上，总结自身的教学实践经验，提出了“项目式”强化训练的机器人实验教学方法。该方法以具体的项目任务为依托，促使学生在完成项目任务的过程中“既动脑又动手”，得到了较好的教学效果。

一、机器人实验教学的现有问题

目前，机器人教学在国内各高等学校迅速发展，相当一部分的高校建立了机器人实验室并开展了机器人实验课程。虽然机器人教学工作发展迅速，但是完整的教学体系尚未形成，在机器人实验教学仍然存在不少值得关注的问题。

1.实验平台单一。目前，阻碍机器人实验教学发展的一个重要原因就是搭建机器人实验平台所需的器材费用非常高。譬如：一套安川小型工业机器人高达十几万元，一套包括控制器、传感器、马达和零部件等的乐高机器人教学专用套装一般需要六七千元。另外，机器人的组装和维护所需的硬件设备和人力投入也是一笔庞大的开销。由于受到经费等原因的限制，相当一部分的学校只能购买并搭建一到两种机器人实验平台，因而能够让学生动手操作、亲身体验的实验资源非常有限，也难以开展多种机器人实验，导致机器人实验的教学内容比较单调，缺乏“广度”，对学生的吸引力不强。

2.教学手段传统。机器人实验不仅要求学生要动手，还要求学生要动脑，但目前机器人实验的开展以教师进行实验演示和学生按照步骤操作为主。这样的教学手段使得学生按照明确的步骤即可完成实验，无须自行查找资料、思考并解决问题、进行团队合作。在机器人实验的过程中，学生缺乏主动实践的机会，难以激发学生对机器人进行学习和操作的主动性和积极性。学生在实验结束后往往很快就遗忘所学的内容，在整个实验课程结束后收获不多，甚至印象不深，从而导致机器人实验的教学效果较差。另外，对学生实验课程的评价依据只能是学生能否按时上课和完成实验，不能有效地区分出部分动手能力强、创新意识较强的学生并给予较高的评价。不具有一定挑战性的按部就班式的实验操作，也不能激发学生争先创优的竞争心理，这也导致了机器人实验的教学效果并不理想。

3.教师资源匮乏。机器人课程融合了多个学科的知识，涉及到相当多前沿领域的技术。因此，机器人实验教学对教师有着比较高的要求，要求教师具备多学科知识背景、较强的动手能力和指导学生对新事物进行探索实践的能力。然而，由于机器人教学在我国起步较晚，完整的机器人教学体系尚未形成，教师队伍尚在建设中，专门进行机器人教学活动的教师较少，在机器人实验教学方面具有丰富经验的教师就更少了。所以，在开展机器人实验教学方面，各高校的教师资源严重匮乏。

二、“项目式”强化训练的实验教学方法

针对已发现的问题，华南理工大学广州学院探索总结了一套“项目式”强化训练的机器人实验教学方法。

1.进行项目训练的教学。为了推行“项目式”强化训练的教学模式，华南理工大学广州学院安排了工业自动化强化训练Ⅰ和Ⅱ两个课程。其中，强化训练Ⅰ是可编程控制器和单片机的基础课程，以教师课堂授课和安排实验为主。强化训练Ⅱ是后续课程，以项目任务为教学内容，将机器人作为可编程控制器和单片机的学习平台，以机器人各种工作站的搭建为具体任务，开展机器人系统结构、系统集成等教学，整个环节以学生操作为主。教师设计有多个不同的项目任务，供学生自行组队、自由选择。每个小组根据选定的项目任务，自行进行组内分工和安排工作日程，查阅相关资料进行程序或辅助设备的设计和实验。

通过丰富具体的项目任务驱动学生的机器人学习，学生可根据自己的兴趣和水平选择项目任务，这可以激发学生的学习兴趣，提高学生的创新能力和团队意识。“既要动脑又要动手”的项目任务加强了学生对机器人的认识，强化了学生对知识的运用，学生对学到、用到的知识印象深刻，从而提高了教学质量和教学效率。

例如：教师设计了一个“基于工业机器人的生产线分拣系统设计”的项目任务，要求学生在4周时间内搭建一个生产线自动控制系统，能够自动对传输带上的不同颜色（黑色和白色）、不同材质（金属和塑料）的物件进行识别，并将不同的物件从传输带上搬运到指定的区域。学生在小组内自行协商项目分工和安排项目进度，利用实验室现有资源搭建了由PLC控制的生产线，实现了PLC与机器人的通信，对机器人进行了示教编程，并对整个系统进行了调试。教师每周对学生的项目进度进行1～2次监督检查，并及时对学生遇到的问题给予指导。

2.推动实践项目的开展。在课外时间，进行以教师为指导、学生为主要参与者的实践项目活动，是培养学生的学习兴趣和自主创新思维的重要方式，也是“项目式”实验教学方法的一种实践形式。华南理工大学广州学院自2009年起，建立了一个可容纳50人的机器人实验室，每年参加ROBOCON全国机器人大赛，以比赛项目为依托鼓励学生设计和应用机器人。此外，学校开展了大学生创新创业训练计划项目（SRP），并积极鼓励学生参加广东省大学生创新创业和挑战杯等实践活动。不少学生以机器人为主题进行创新和实践，并取得了较好的成绩。

3.加强实验平台的建设。“项目式”强化训练的实验教学方法重在实践，离不开完善的实验平台。针对上述由于价格昂贵而导致“实验平台单一”的问题，华南理工大学广州学院依托机械工程实验中心的现有机器人教学资源，将其进行优化整合，建立了机器人创新实验室，搭建了多个机器人实验教学平台，包括三菱和西门子PLC培训、单片机培训两个基础平台，广州数控机器人和日本MOTOMAN-SV3X工业机器人平台，以及基于机器人比赛开发的智能车机器人实验平台。加强实验平台的建设，既为学生提供了基础理论的实践平台，也为机器人项目式训练和比赛项目实践等方面提供了必要的资源。

4.优化交叉课程的教学。机器人学科综合性很强，涉及多个学科，推动机器人实验教学须要优化交叉课程的教学。交叉课程教学的优化能够提高机器人实验的教学质量，而机器人实验课程又能为交叉课程的教学提高实验平台，学生能够在机器人的实验中验证和运用交叉课程的知识，从而起到相辅相成的作用，形成良性循环。

华南理工大学广州学院机械学院将机器人控制系统作为PLC和单片机强化训练项目来开展，使得学生在PLC和单片机的学习过程中能够借助机器人的实验了解控制系统和理解一些较为复杂的控制原理，在完成机器人项目任务的过程中运用并进一步学习PLC和单片机的知识，因而取得了较好的教学效果。

5.着力教师素质的提高。“项目式”强化训练的实验教学方法不但要求教师具备有较强的动手能力和培养学生创新思维，还要求教师具备多学科知识背景，对教师有着较高的要求。为此，华南理工大学广州学院通过多种形式着力提高机器人实验教师的综合素质，例如：组织教师参加机器人高峰研讨会，开展各种教研沙龙和网络教研活动，与优秀的教师团队交流学习；组织教师前往广州数控设备有限公司等企业进行参观学习，了解当前市场上的机器人产品；对积极指导学生完成项目任务的教师进行奖励，提高教师的工作积极性。

三、结语

“项目式”强化训练的机器人实验教学方法采用以学生为中心，教师为指导的教学模式，在整合机器人实验资源的基础上，通过丰富具体的项目任务带动学生进行机器人的学习。教学实践表明，该方法能够激发学生的学习兴趣，强化学生的知识应用，提高学生的团队合作意识和创新能力，从而提高教学质量和教学效率。

参考文献：

[1]雷静桃，刘亮，张海洪.“机器人学”课程教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2013，（05）.

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中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）19-0247-01

1 引言

人形交互式服务机器人是具备人类外形特征和行动能力，并且能完成有益于人类服务工作的机器人。随着当今运动学和动力学、系统结构、传感技术、控制技术、行动规划、应用工程和人工智能等学科的发展，机器人学和机器人技术也不断发展创新。人类可以赋予机器人人类外形和人类的一些特征，使之可以更好的适应人类工作环境和更好的服务于人类，甚至成为人类亲密的好朋友[1]。人形交互式服务机器人因此诞生 。近些年来对人形交互式服务机器人的研究取得了很大进展，但仍存在技术上的难点，面临着巨大的挑战。本文针对近些年国内国外机器人的研究现状和发展做了总结和概括，通过分析当前关键技术研究，探讨了人形交互式服务机器人研究思路和发展趋势。

2 人形交互式服务机器人国内外研究现状

2.1 国外研究现状

20世纪60年代后期，人形机器人进入研究视野，最初目标是使机器人可以模仿人类进行双足行走。1999年日本本田率先研究双足仿人机器人的预测运动控制，并在 2000 年了首款 ASIMO 机器人[2]麻省理工研制的机器人Kismet，能通过眼、鼻、耳等处的传感器识别外界感情信号，可以识别喜、怒、哀、乐等感情表达，并作出相应的表情动作[3]。国际上MIT 计算机科学和智能实验室、日本本田公司机器人研究中心、德国宇航中心机器人研究室等研究机构都致力于人形交互式服务机器人的发展。

2.2 国内研究现状

国内人形交互式服务机器人研究起步较晚，但机器人技术发展迅速。2000年国内第一台人形双足机器人“先行者”研制成功，可以实现前进后退，转弯前行和手臂摆动等基本动作。西安超人雕塑研究院仿人机器人“索芙亚”具有声音识别和眼部控制机构，实现眨眼、微笑、点头等迎宾服务动作[4]。北京理工大学研制的“汇童”BHR机器人[5]和浙江大学研制的Wu&Kong实现与人乒乓球对打，对打回合次数高达200多回合。

3 人形交互式服务机器人关键技术

3.1 仿生学材料与结构

人形交互式服务机器人从仿生学角度出发，具有仿造人体生物结构、性状、原理及其行为的特点。其中仿生学材料和结构是机器人重要的关键技术和组成部分，通过对生物体材料构造与形成过程进行研究和仿生，使组成机器人所用的材料具有与构成人体的生物材料强度、韧性及一些类似的生物特性，这将大大提高机器人对人工作环境的适应能力。当前仿生皮肤和人造肌肉成为机器人仿生材料领域的研究热点。人体有诸多骨骼支撑，骨骼由关节和肌肉韧带连接，这可以确保人体的灵活运动，对该结构的仿生是人形交互式服务机器人研究的最高目标。张永军等根据人体上肢结构原理 ， 提出一种上肢仿生机构 ， 并针对所提出的机构进行了优化设计和运动学分析，为制造出灵巧方便的上肢仿生机构提供了理论依据[6]。

3.2 智能交互性

人与服务机器人之间的交互主要分为认知互和物理互。两者相互作用才能完成人与机器人之间的互相配合。

3.2.1 认知互

认知互是指人与机器人通过力觉、触觉、听觉、视觉等感官性的接触、肢体语言和语言交流，使机器人与人进行理解性的沟通。符合人类审美的外观、对人类生存环境的高度适应性以及能与人类进行有效准确的信息交流、人性化的情感交互是人形交互式服务机器人最为关键的功能。

认知互的实现需要仿生结构、机械设计、电子传感等技术相结合例如表情机器人，在结构设计的基础上，建立和表情机器人结构相匹配的面部柔性体模型，利用有限元分析方法对面部皮肤柔性体模型进行分析和仿真，模拟仿人机器人的幸福、悲伤、惊奇、愤怒等基本面部表情，进而通过位移载荷，控制区域，实现人的表情动作[3]。

3.2.2 物理互

人与机器人的工作距离越来越近，两者直接的相互接触越来越多。当机器人本体工作时，会与人类相互接触，这种情形称之为物理互。为了使人形交互式服务机器人得到更广泛的应用，机器人本体不仅需要具有友好的认知互能力，还需要具有良好的人机肢体接触交互能力。物理互主要分为主动接触交互和被动接触交互。

在人机被动接触交互的过程中，刚度控制的不合理、不准确可能会对机器人自身或者交互对象造成严重的损伤。鉴于此，机器人的柔顺性控制值得重视。其关键在于被动柔顺系统及柔顺关节设计。如熊根良等利用关节力矩传感器，阻抗控制策略和力反馈的轨迹规划构成了人机交互的柔顺系统，有效地降低了碰撞瞬间的冲击力。因此，被动柔顺系统及柔顺关节设计值得进一步研究[7]。

3.3 安全性

人形交互式服务机器人要想长时间的存在于人们的日常生活中，就必须保证机器人使用的安全性。机器人与人发生碰撞是机器人应用过程中造成伤害的源头。若交互时机器人不能满足平衡性约束条件，就很容易导致机器人平衡稳定性差甚至摔倒；若人机交互时手臂采用完全的刚性控制容易导致手臂的弯曲甚至折断。因此，为了保证人和机器人的安全，有必要对人机肢体接触交互时的安全性问题和机器人平衡性问题进行深入研究[8]。

关于碰撞检测与碰撞避免的研究说明百分之百的避免碰撞很难做到，因此必须有其他安全保证策略。通过设计轻型机械臂、被动柔顺系统、设计柔顺关节、设计被动机器人系统等方式，可以增加机器人的安全性。提高机器人认知性以及设计合理的交互控制参数也是提高机器人安全性的重要途径。

4 人形交互式服务机器人发展趋势

人形交互式服务机器人发展迅速，应用前景广阔，并已取得一定的研究成果，但仍然存在着一些技术上的难题，比如，如何提高机器认本体交互功能准确性、智能性、灵活性，如何控制智能交互性和物理交互性的相互协调，以及如何保证机器人使用的安全性的问题等等。因此，人形交互式服务机器人的发展应以认知互为前提，物理互为目的，并使两者相互配合、相互协调。例如在触觉传感器感知外界环境特性（软和硬），语音识别判断交互需求的基础上，机器人可进行物理互时的柔顺性控制。人形交互式服务机器人发展趋势有以下几点：

（1）将传统材料、结构与仿生学材料、结构有机结合，提升机器人对环境的适应能力。

（2）深入研究开发传感器技术，提升传感器精度，为机器人的结构提供基本技术基础。

（3）深入研究柔顺性技术，并由刚性结构向刚性结构与柔性结构相结合的一体化结构发展。

（4）通过开发新型材料和控制技术来减小碰撞对安全性问题的不利影响。

相信随着理论水平的不断提高和关键技术的创新开发，上述问题会得到一一解决，人形交互式服务机器人的整体性能将更加全面，工作效率将进一步提高。

参考文献

[1]虞汉中， 冯雪梅. 人形机器人技术的发展与现状[J]. 机械工程师， 2010（7）：3-6.

[2]王田苗， 陶永， 陈阳. 服务机器人技术研究现状与发展趋势[J]. 中国科学：信息科学， 2012（9）：1049-1066.

[3]王晓娇. 面部表情仿人机器人的设计与研究[D]. 沈阳工业大学， 2013.

[4]杨杰. 拟人机器人头部设计与嗅觉系统研究[D]. 河北工业大学， 2006.

[5]艳涛. 汇童机器人第4、5代集体亮相[J]. 机器人技术与应用， 2012（4）：44-44.

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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

[1]陆承景.对机器人学科教学目标和内容的实践与思考[J].中国电化教育,2006,12:71-72.

[2]万佑红,蒋国平.机器人教育与大学生创新能力培养的探索[J].电气电子教学学报,2005,27(4):6-8.

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关键词：

10kV配电线路；带电抢修；机器人实用化

对传统的10kV配电线路抢修作业进行分析可知，其不仅需要全线停电，而且还需人为检查线路故障，在增加维修成本的同时，也为地区人们的生活带来了较大不便。基于此，将10kV配电线路带电抢修作业机器人引入线路的故障处理过程中，确保供电持续性的基础上，提高线路抢修的可靠性和安全性，具体设计如下。

1带电抢修机器人系统构成

对带电抢修机器人进行分析可知，其主要包括了整体作业平台、折叠伸缩绝缘手臂以及移动汽车和控制装置等部分，其中，整体作业平台主要由绝缘斗以及机械手臂绝缘子支承和机器人操作系统构成，其功能主要是为抢修人员提供作业平台[1]。折叠伸缩绝缘手臂设定在移动汽车底盘，主要任务将运送机器人作业平台至线路作业的具置。移动汽车主要负责运送其他三部分到具体故障地点进行线路抢修，而控制装置则主要由上、下两部分组成，其中，上部控制装置位于机器人作业平台中，具有全方位操作手柄，实现绝缘斗内部的流畅操作，下部控制装置则位于回转塔处，设有上部控制装置切换按钮，实现上下两部分控制装置的功能切换。

2主从操作液压机械臂及控制系统

主从操作液压机械手臂是10kV配电线路带电抢修机器人的核心，其主要作用是将作业人员同高压电场进行分离，帮助抢修人员完成作业任务，故其应具备精度高、持重大以及自重小和实时性与稳定性好等特点。对其各部分构成进行如下说明：（1）液压机械臂。液压机械臂自重较轻且持重较大，具有良好的动力特性，操作灵活便捷，通过操控主手臂实现专用工具的夹持功能，以完成带电作业任务；（2）主手。主手的拓扑结构与液压机械臂相同，主要功能为实现对从臂各关节位置的伺服控制，由于主手的各个关节处大都具有较高精度的旋转电位计与力矩电机，故能够帮助操作者获得最大的操作舒适性，提高对液压机械手臂的控制效率和精度；（3）液压供油单元。液压供油单元是带电抢修作业机器人液压系统的动力源，而为了避免其灵敏度受到油损影响，必须对液压油进行过滤处理，处理要求为：流量11L/min；压力：10.3-20.6MPa，液压油清洁度为3-25maf；（4）主从控制系统。主从控制系统是液压机械臂实现抢修动作的关键，位于绝缘斗中的操作人员左右两手分别操控左右两主手，使其克服各关节力矩和电机阻力进行联动，位于左右两主手的各关节电位计把发生在各关节轴的旋转角转化为电压信号，并传送至左右微控制器中，微控制器经由光纤将信号传至左右液压伺服控制盒，在伺服控制盒的作用下，旋转角度的电压信号将实现对左右机械臂伺服阀的控制，从而变更进入从手中各个关节的液压流量，向左右手臂各个关节施加驱动力，驱动关节运动[2]。

310kV配电线路抢修作业机器人专用作业工具

3.1自动剥皮工具考虑到现有10kV架空导线长期在外，受外部环境影响严重，外层绝缘层难以剥除，从而增加线路抢修的难度，而以人工操作为主的线路抢修不仅绝缘防护较差，而且效率较低，安全性较差。因此，所设计的10kV线路带电抢修机器人的自动剥皮器需要具备结构简单、安全性高和作业效率高等相关特点。设计由直流减速电机、连杆、曲柄、摇杆以及棘爪、棘轮和刀头等构成的作业机器人自动剥皮工具，在实验室搭设加工导线，并现场模拟自动剥皮功能，此类机器人自动剥皮工具不仅能够为机械手的夹持操作提供便利，而且其压线也极为牢固，有利于其自动剥皮功能的实现[3]。

3.2自动电动扳手对电动扳手进行分析可知，其在10kV配电线路带电抢修过程中具有紧固螺母和夹紧线夹的作用，其主要分为安全离合器式与冲击式两种类型，其中，安全离合器式电动扳手以一种手臂达到力矩时便脱扣的安全离合机的结构完成对螺纹件的装拆，而冲击式电动扳手则与冲击力力矩完成螺纹件的装卸。将自动电动扳手引入带电作业的机器人中不仅有利于加持操纵，而且经改造后，其还可以用于扭转M8-M14的标准螺栓，并实现遥控控制。在工作头方面，选用柔性导向扳套，其开口形状同固定螺栓头尼龙导向柱相匹配，从而在紧固螺栓的过程中，便于其工作头与竖直方向的六角螺栓头相对准，提高操作精度[4]。

3.3自动破螺母与电动断线钳对于10kV高压线路中已生锈或是无法拆卸的螺母，应以电动破螺母为主要工具进行操作，其主要由电动机、传功机构以及工作头、电源开关和外壳、手柄、电池等相关部件构成。电动破螺母将高能量电池作为其主要动力来源，不仅重量较轻，而且对于输配电杆塔的高空作业也具有较强的适应性。通常，自动破螺母工具设计较为紧凑，且使用较为便利能够对破螺母的大小予以调节，从而以360°可旋转工作头支持机器人不同破螺母作业角度的运转。在电动断线钳方面，其主要由电动机、传功机构以及工作头、电源开关和外壳、手柄等部分构成，电动断线钳的使用应以夹持操纵的便利性为主，并在断线钳工具中设计专门的机械手夹持机构，并将控制盒置于电动断线钳传统部分的尾部，从而实现断线钳的远程遥控。

3.4绝缘防护绝缘防护是确保机器人能否正常作业的基础和前提。多数情况下，应采用多级绝缘防护系统确保机器人和操作人员的安全，其中，一级防护下，平台由缠有环氧玻璃布的绝缘钢结构支架进行焊接而成，并在底部粘有绝缘环氧玻璃板，并将绝缘套予以外包，避免相间短路情况发生。二级防护下，机器人的带电作业依赖绝缘斗臂车为操作人员提供对绝缘防护，确保操作人员安全；三级防护下，位于绝缘斗中的操作人员对机械臂进行远程操控，使其夹持专业工具进行高压线路作业，确保操作人员的人身安全。在带电抢修机器人作业方面，2013年在黑龙江电力公司10kV配电线路中进行多次上线运行与下线测试，在现场的多次调试与系统优化后，作业机器人各项功能均得到了良好改善，黑龙江电力公司带电作业班多次应用带电机器人对省内10kV高压电线路进行抢修作业，较好地完成了剥皮、加盖遮蔽罩以及接线和断线等工作。

4结束语

文章通过对带电抢修机器人系统构成进行阐述，并对带电抢修作业机器人液压机械臂构成及其控制系统原理予以说明，分别从自动剥皮、自动电动扳手、自动破螺母与电动断线钳和绝缘防护等方面对10kV配电线路抢修作业机器人专用作业工具做出了系统探究。研究结果表明，10kV配电线路抢修作业机器人能够较好地实现对10kV线路的各类优化作业，具有良好的使用和推广价值。

参考文献

[1]胡毅，刘凯，彭勇，等.带电作业关键技术研究进展与趋势[J].高电压技术，2014，7（12）：1921-1931.

[2]胡毅.输配电线路带电作业技术的研究与发展[J].高电压技术，2011，11（5）：1-10.

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AGV是自动导引运输车（Automated Guided Vehicle）的英文缩写。在国内电力领域已经开始研制变电站自动巡检机器人，这种机器人系统一般主要有移动机器人本体、自动控制系统、信息检测系统等部分。其采用了GPS定位、光码盘校正定位、激光雷达扫描、路径跟踪技术、本体控制技术、临场感应遥控辅助、无线通信局域网和物联网等技术划分出相应的子系统模块，实现了自控机器人在变电站现场自主巡检的功能。机器人本体能够携带多种仪器和传感器，以自主或遥控的方式，代替人对室外高压设备进行巡测，及时发现电力设备的内部热缺陷、外部机械或电气问题如：异物、损伤、发热、漏油等，诊断电力设备运行中的事故隐患和故障先兆，对设备热缺陷，声音异常、移动目标、人与动物闯入，烟雾能自动判断和报警，以便及时采取措施消除事故隐患。AGV 的导引技术是AGV 控制的核心技术，它决定了AGV 的导引方式。AGV 导引方式按导引线路的形式主要分固定路径导引和自由路径导引两大类。固定路径导引是在行驶的路径上设置导引用的信息媒介物，AGV 通过车体上的传感器检测出它的信息而得到导引。具体的线路可以是电磁感应方式中的导引电缆、机械方式中的轨道、磁导引方式中的磁条及光导引方式中的反光带等。自由路径导引方式是指AGV 上存储着布局上的尺寸坐标，通过识别车体当前方位，自主地决定行驶路径。自由路径导引方式主要有惯性导引、信标定位、位姿积算及计算机视觉等几种。

一、导引方式

（一）电磁导引方式。利用电磁感应的原理，在沿运行线路的地面上设置一条宽约8mm、深约20mm 的浅沟，浅沟中敷设导线，馈以5-30kHz 的交变电流，以形成沿导线扩展的交变电磁场，车上的捡拾传感器接收此信号，并根据信号场强度的判断使车辆正确地沿埋线跟踪导向运行。电磁导向有单频制导向和多频制导向两种方式。单频制方式是在整个线路上均提供单一频率振荡电磁信号，通过接通或断开各线路段的馈送电流来规定运行线路，引导车辆运行。这种导向方式要求有集中的控制站，并在各线路交叉和分支处装设传感标志（如磁铁等）和分支线段的通断接口。多频制方式是线路中每个环线或分支线都设置自己的线路频率，分别由不同频率的振荡器来馈电。

（二）光学控制带导引方式。光学导向系统有识别式和反射式两种。它是在线路上敷设一种具有稳定反光率的专门漆带。导向车上装备有发射和接收功能的红外光源，用以照射漆带，同时还设有接收反射光的光电传感器，均匀分布在漆带及两侧位置上，通过对由传感器检测到的光信号进行比较计算，调整小车的运动方向，从而达到导向运行的目的。

（三）激光测距与测角导引方式。该方法的主要特点是在AGV 行走空间的特定位置处，布置一批激光光束的反射镜模型计算AGV 的位置，实现引导。AGV 行驶过程中，车上的激光扫描头不断地扫描周围环境，当扫描到行驶路径周围预先垂直设定好的反射板时，即“看见”了“路标”。只要扫描到三个或三个以上的反射板，即可根据它们的坐标值，以及各块反光板相对于车体纵向轴的方位角，由定位计算机算出AGV 当前在全局坐标系中的X 、Y 坐标，距离和当前行驶方向与该坐标系X 轴的夹角，实现准确定位和定向。该导引方法的特点是，当提供了足够多反射镜面和宽阔的扫描空间后，AGV 导引与定位精度十分高，地面无需其他辅助定位，且路径灵活，适合多种环境。

（四）超声波制导方式。该方法类似于激光测量方法，不同之处在于不需要设置专门的反射镜面，而是利用一般的墙面或类似物体就能进行引导，因而在特定环境下提供了更大的柔性和低成本的方案。

（五） 磁导引方式。这种方式和电磁导引比较类似，只是把导引线换成磁条。

（六） 视觉导引方式。视觉导引是通过CCD 摄像机生成AGV 周围场景的图象，与计算机系统中存储的环境地图进行特征匹配，从而可以确定出车体的当前位姿。

（七） GPS导引方式。GPS导引方式通过全球定位系统对非固定路面系统中的控制对象进行跟踪和制导。

AGV有以上多种制导原理，其中，工厂AGV 大多采用电磁制导，而激光、视觉导航具有引导柔性好、工作可靠和智能化水平高的特点，已成为技术先进、性能优越AGV 的发展趋势。实验室一般采用光学制导，其运行范围大，运行精度高，地面费用低，但要求工作环境清洁，不适于工作条件比较恶劣的环境。

二、系统构成和意义

AGV控制系统中的三个主要技术：导航、路径规划和导引控制。为了能够解决好这些问题，控制系统分为地面（上位）控制系统、车载（单机）控制系统及导航/导引系统，其中，地面控制系统指AGV系统的固定设备，主要负责任务分配，车辆调度，路径（线）管理，交通管理，自动充电等功能；车载控制系统在收到上位系统的指令后，负责AGV的导航计算，导引实现，车辆行走，装卸操作等功能；导航/导引系统为AGV单机提供系统绝对或相对位置及航向等。该系统的研制将大大降低电厂变电站相关工作人员的劳动强度，能在第一时间监测和发现安全隐患，对突发事故能第一时间响应并处置，从而避免或降低事故风险。

参考文献：

[1]叶菁.磁导式AGV控制系统设计与研究[D]武汉理工大学 ， 2006 .

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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：

[1]雷静桃，刘亮，张海洪.“机器人学”课程教学改革与实践.实验室研究与探索，2013，32（5）.

[2]郭艳婕，桂亮，金悦.基于本科生的机器人实验教学的实践与探索.实验室科学，2015，18（1）.

[3]容爱琼.“项目式”强化训练的机器人实验教学方法.教育教学论坛，2016，（8）.

篇（11）

摘要：针对智能科学与技术新兴本科专业建设过程中缺乏能够突出专业特色，体现课程内容连贯性的实验教学问题，提出“空地一体化多机器人协调控制”智能化特色实验教学内容，介绍如何以引导学生通过分组协作的方式进行实验，增强其对分布式部署的飞行与地面移动机器人系统的控制、通信、规划、协调等相关技术的了解与掌握。

关键词 ：智能科学与技术；特色实验；机器人；空地一体化；多机器人协调控制

基金项目：南开大学2014年新专业建设立项项目；南开大学2014年本科重点教学改革项目。

第一作者简介：王鸿鹏，男，副教授，研究方向为智能机器人技术，hpwang@nankai．edu．cn。

0 引言

“智能科学与技术”专业是一个新兴的交叉学科专业，需要不断完善专业建设和深化教学改革，既要注重加强学生的综合素质，也要注重培养学生的特色专业能力，从而将学生的跨学科知识转化为综合实践创新能力。

我们所探讨的智能化特色实验教学，是通过建设分布式部署的飞行与地面移动机器人系统，构建多机器人／多智能体协调控制实验平台，指导学生进行分组研发与实验，将智能技术、智能工程等课程中所讲授的人工智能、机器视觉、机器学习、智能计算、复杂系统控制等内容纳入到本实验教学中，促进专业课程教学内容之间的有效衔接，启发学生的科学研究思维，提升技术研发能力。

1 智能化特色实验的开设时机

南开大学“智能科学与技术”专业始建于2005年，首届本科生于2010年毕业。在10年发展历程中，智能科学与技术专业借助于南开大学文理并重，基础宽厚的学科优势，以及发展现代工学、突出应用与创新的办学特色，依托于计控学院自动化与智能科学系、机器人与信息自动化研究所、计算机科学与信息安全系等单位，在课程体系设计、教材建设、专业实践等方面均取得了长足的进步，目前已培养出5个年级的具有光、机、电系统综合知识、具备较强适应能力、能够在相应领域从事科研、开发、管理工作的高级工程技术人才，学生毕业后去向较为理想。

在智能科学与技术专业的课程体系方面，南开大学近年来将“智能技术”课程调整为“机器视觉”“机器智能”两门专业必修课程，分别安排在二年级下学期与三年级上学期，在三年级下学期安排“智能工程”“机器人学导论”专业必修课程，以及“智能移动机器人导论”英文特色选修课程。

为加强学生实践环节与扩大学校的国际交流，从2013年开始南开大学实行夏季小学期，我们所设计与开展的“空地一体化多机器人协调控制”实验已纳入到开设于大三夏季小学期的“智能专业实践”特色课程中，在4周时间里集中进行。此时学生已经掌握自动控制原理、现代控制论、计算机数据结构等自动化、计算机相关课程与机器视觉、机器智能、智能工程、机器人学等智能专业特色课程知识，这些知识的学习与能力的训练为学生进行智能化特色实验奠定了理论与实践基础。

“空地一体化多机器人协调控制”实验能够增强学生对分布式部署的飞行与地面移动机器人系统的控制、通信、规划、协调等相关技术的了解与掌握。学生们可以将该实验课程所掌握的技术进行延伸，既可以与“国家级大学生创新训练计划（国创）”“本科生创新科研百项工程（百项）”等大学生创新项目与“华为杯中国大学生智能设计大赛”等智能专业特色竞赛相结合，也可以在四年级继续进行智能系统方面的本科毕业设计，激发学生的创新性设计与实现的热情。

2 智能化特色实验的内容设置

“空地一体化多机器人协调控制”智能化特色实验主要由飞行与地面移动机器人、网络通信系统、协调控制系统组成。南开大学智能科学与技术专业利用2013年度新专业建设经费采购了8台地面移动机器人平台，利用2014年度新专业建设经费采购了14台多旋翼无人机飞行实验平台，基本上构建起一套能够支持40名本科学生分组研发、联合调试的综合性实验平台。

本试验中学生所要实现的协作机器人系统是由多个具有一定智能的自治机器人组成，机器人之间通过网络通信的方式实现相互间的协作以完成联合探索与建图等复杂的任务。学生首先实现单个飞行或地面移动机器人的飞行控制与视觉检测，然后建立分布式多机器人系统的通信网络，最后进行多机器人系统的协调控制，如图1所示。

我们建议在开展实验时，每个机器人系统安排2名学生，分别负责飞行控制与视觉检测；通信网络系统共安排2名学生进行网络设计与程序开发；协调控制系统安排2名学生进行算法设计与程序开发，该实验平台按照2个飞行机器人与2个地面移动机器人的最简配置，可组织8名学生进行联合实验，更多的学生也可以通过增加机器人数量、各小组增加人数的方式参与到实验教学中来。

2.1 飞行与地面移动机器人系统

移动机器人控制技术是智能专业本科生需要掌握的核心技术之一，本试验所选用的移动机器人系统包括了多旋翼无人机实验系统与轮式移动机器人实验系统，每台机器人均配备了网络摄像机用于进行图像采集与视觉伺服。在飞行机器人方面选用了DJIS1000型8旋翼无人机平台与3DR-IRIS4型4旋翼无人机平台，两种平台有侧重，8旋翼无人机平台上搭载了可控自稳云台与高能微单相机，主要引导学生进行视觉SLAM方面的实践；4旋翼无人机平台选用的是开源飞行控制系统，主要引导学生进行无人机飞行稳定性控制方面的实践。两种无人机平台均具备自主飞行与视频图像采集的能力。在地面移动机器人平台方面，选用了QBot轮式移动机器人系统，学生可以基于MATLAB控制机器人和网络摄像机。

2.2 网络通信系统

通信是各机器人之间进行交流和协作的基础，本实验采用基于无线局域网的多机器人通信平台，学生应设计基于TCP/IP协议簇的网络模型，以Ad hoc方式组建基于移动自组网的多机器人通信网络，进行联合搜索与建图。

2.3 协调控制系统

本实验采用分布式的在线规划方法来进行多移动机器人的运动协调，实验任务是多个机器人共同完成一个现场环境下的联合搜索与建图任务，学生实验中要学习与体会多机器人体系结构设计、机器人自主定位、多机器人协调协作机制等技术，并通过编程方式加以实现。

3 特色实验与课程体系的结合

智能化特色实验教育的目的在于培养学生在智能系统设计与分析方面的能力，“空地一体化多机器人协调控制”实验涉及学生在多门专业课程中所学习到的知识与技能。学生可以从自动控制原理、机器人学导论、智能移动机器人导论等课程中学习到对行或地面移动机器人的控制与编程；从机器视觉课程中可以学习到对机载网络摄像机的应用技术，包括摄像机标定、图像采集与分析、主动视觉技术等知识；从机器智能课程中可以学习到对机器人与环境知识的描述、空间搜索与路径规划、基于学习方法的视觉识别、多机器人协调控制等知识；从智能工程课程中可以学习到如何分布式复杂智能系统设计、研发中的相关技术问题。

4 结语

智能科学与技术专业的“智能专业实践”课程采用大三小学期集中授课的方式，学生能够利用4周时间通过分组研发，协作实验的方式完成一个较大规模的综合性实验。我们所提出的“空地一体化多机器人协调控制”智能化特色实验可以使学生们综合运用在基础性课程与特色专业课程中所学到的知识，根据个人兴趣选择开发模块，共同实现一个分布式复杂系统的协调控制任务。

设计与开展智能化特色实验能够突出智能专业特色，促进专业课程教学内容之间的有效衔接，今后我们将在所提出的“空地一体化多机器人协调控制”进行效果评估的基础上，总结经验并进行示范，促进智能化特色实验教育工作开展，深化教学改革与技术创新。

参考文献：

[1]方勇纯，刘景泰，南开大学“智能科学与技术”专业教学体系与实验环境建设[J]计算机教育，2009 (11): 21-25．

[2]杨鹏，张建勋，刘冀伟，等．智能科学与技术专业课程体系和教材建设的思考[J]．计算机教育，2010(19)：11-14.

[3]许林．智能科学与技术专业本科实践课程的建设[J]．计算机教育，2011(15): 120-123.

[4]许林．机器人课程在智能专业本科教学中的探索[J]计算机教育，2012(18): 78-81．