智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室可持續(xù)良性發(fā)展的探索與實(shí)踐

張大偉 鄧記才 趙新燦 趙廣艷

摘要：介紹了鄭州大學(xué)大學(xué)生訓(xùn)練基地智能機(jī)器人建設(shè)的基本情況。從實(shí)驗(yàn)室可持續(xù)良性發(fā)展考慮，結(jié)合國(guó)家和學(xué)校政策，提出將機(jī)器人競(jìng)賽和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)確立為實(shí)驗(yàn)室的主要工作。通過比賽和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)獲取國(guó)家和學(xué)校的資助，并通過從各個(gè)方面規(guī)范和完善實(shí)驗(yàn)室的管理規(guī)章制度來保證實(shí)驗(yàn)室高效且安全地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。與此同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室未來進(jìn)一步可持續(xù)良性發(fā)展進(jìn)行了規(guī)劃。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；創(chuàng)新；可持續(xù)發(fā)展；競(jìng)賽；實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）09-0237-02

一、引言

智能機(jī)器人是多學(xué)科交叉的綜合體，是最典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品[1]。對(duì)于工科領(lǐng)域的電子、控制、機(jī)械、傳感、計(jì)算機(jī)等學(xué)科均是最佳的教學(xué)研究平臺(tái)。另外，智能機(jī)器人是前沿的學(xué)科，易于激發(fā)學(xué)生的興趣，學(xué)生可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)和開發(fā)，從而開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，機(jī)器人學(xué)習(xí)與實(shí)踐是開展創(chuàng)新教育的較好選擇，建設(shè)以機(jī)器人為主要平臺(tái)的創(chuàng)新教學(xué)，可以讓各個(gè)專業(yè)的學(xué)生在專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，將理論知識(shí)結(jié)合到實(shí)踐中，拓展綜合專業(yè)知識(shí)，發(fā)展多元智能，提高其創(chuàng)新、實(shí)踐的能力[3]。目前，許多高校都在通過建設(shè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室這一平臺(tái)強(qiáng)化大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，取得了較好的教學(xué)效果[2-4]，但通過交流發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)后期往往都存在著諸多涉及可持續(xù)良性發(fā)展的問題，比如如何有效緩解經(jīng)費(fèi)緊張、管理實(shí)驗(yàn)室流動(dòng)性較大的人員、確保實(shí)驗(yàn)室安全、提升實(shí)驗(yàn)室水平等。因此，本文提出了智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室可持續(xù)良性發(fā)展的建設(shè)思路，尤其是針對(duì)初期建設(shè)且科研能力較弱的實(shí)驗(yàn)室，并結(jié)合近五年來鄭州大學(xué)大學(xué)生訓(xùn)練基地智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和未來發(fā)展規(guī)劃，對(duì)其進(jìn)行了研究與探索。

二、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)宗旨與配置

依托于鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院的師資力量，于2009年建立大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練基地并組建智能機(jī)器人等實(shí)驗(yàn)室。智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室以智能機(jī)器人技術(shù)為核心，以培養(yǎng)創(chuàng)新型學(xué)生為目標(biāo)，以各種科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、競(jìng)賽活動(dòng)為載體，為大學(xué)生提供開放性的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和場(chǎng)所，組織大學(xué)生開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和相關(guān)競(jìng)賽活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)宗旨重點(diǎn)提高大學(xué)生六項(xiàng)素質(zhì)：獨(dú)立求知與快速學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、溝通交流能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和多學(xué)科交叉知識(shí)應(yīng)用能力。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有面積800m2，可容納120名左右的學(xué)生，擁有90臺(tái)左右的電子測(cè)量、機(jī)械加工和無線開發(fā)設(shè)備。另外為了便于學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一采購(gòu)經(jīng)常用到的電子機(jī)械原材料。實(shí)驗(yàn)室共有專業(yè)指導(dǎo)教師6人，來自學(xué)院不同的學(xué)科，以便于更好地指導(dǎo)學(xué)生。目前實(shí)驗(yàn)室的主要工作分成兩部分：機(jī)器人競(jìng)賽和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

三、實(shí)驗(yàn)室主要任務(wù)

（一）機(jī)器人競(jìng)賽

實(shí)驗(yàn)室成立以來每年都組隊(duì)參加中國(guó)機(jī)器人大賽，這是實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)重要工作，一方面參賽成績(jī)是體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)生技術(shù)水平的標(biāo)志，另一方面這也是實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的基石，可以爭(zhēng)取更多的資助，畢竟當(dāng)前參加機(jī)器人競(jìng)賽的開銷都比較大，尤其是基于實(shí)物原型比賽的項(xiàng)目。目前中國(guó)機(jī)器人公開賽的比賽項(xiàng)目有13個(gè)大項(xiàng)，89個(gè)小項(xiàng)，每年有超過4000人參加，各參賽單位投入也都比較大，競(jìng)爭(zhēng)非常激勵(lì)。有些項(xiàng)目雖然涉及技術(shù)較少、研發(fā)投入少，但參賽隊(duì)非常多，想從中脫穎而出非常不易。與之相反，參賽隊(duì)較少的項(xiàng)目往往涉及技術(shù)復(fù)雜、研發(fā)周期長(zhǎng)且投入非常大。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)和近些年參加比賽的經(jīng)驗(yàn)，也為了保證多出成績(jī)，目前實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)開展的競(jìng)賽項(xiàng)目主要有三個(gè)方向：競(jìng)技機(jī)器人比賽（其中包括武術(shù)擂臺(tái)、舞蹈和競(jìng)步）、微軟足球仿真賽、水下和服務(wù)機(jī)器人比賽，而不再進(jìn)行擴(kuò)展。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室自2012年以來連續(xù)三年在鄭州大學(xué)組織舉辦河南省大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽，一方面可提高省內(nèi)高校機(jī)器人教學(xué)水平，另一方面也借此機(jī)會(huì)與省內(nèi)高校進(jìn)行交流、共同進(jìn)步、鍛煉隊(duì)伍。

（二）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

依托大學(xué)生創(chuàng)新智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，將實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與大學(xué)生國(guó)家級(jí)、校級(jí)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的申報(bào)與實(shí)施緊密結(jié)合起來，即實(shí)驗(yàn)室為大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的申報(bào)與實(shí)施提供物質(zhì)基礎(chǔ)，為學(xué)生提供前期的技術(shù)與技能培訓(xùn)，并通過機(jī)器人大賽對(duì)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行鍛煉，進(jìn)而提高項(xiàng)目獲得資助的數(shù)量；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一方面可為實(shí)驗(yàn)室提供部分項(xiàng)目資金、彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)不足，另一方面也為優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)的孕育提供項(xiàng)目支撐，兩者結(jié)合非常有利于兩者共同發(fā)展，并為大學(xué)生盡早參與科學(xué)研究開辟新渠道。為了更高效地開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室規(guī)范了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的實(shí)施流程：將學(xué)生和指導(dǎo)老師分成不同的團(tuán)隊(duì)，每個(gè)團(tuán)隊(duì)提出創(chuàng)新項(xiàng)目的研究；在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行討論，進(jìn)行淘汰或者修正，之后前期可由實(shí)驗(yàn)室資助進(jìn)行初步的實(shí)驗(yàn)；組織各團(tuán)隊(duì)撰寫國(guó)家級(jí)和校級(jí)申請(qǐng)書，包括調(diào)研分析、實(shí)施方案、創(chuàng)新點(diǎn)提煉；獲得資助的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可由實(shí)驗(yàn)室各指導(dǎo)老師監(jiān)督完成；對(duì)于未獲得資助或者經(jīng)費(fèi)有限且創(chuàng)意都較好的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)充足的情況下也可以考慮進(jìn)行資助完成；獲得國(guó)家、學(xué)?；?qū)嶒?yàn)室經(jīng)費(fèi)資助的團(tuán)隊(duì)留在實(shí)驗(yàn)室，由隊(duì)長(zhǎng)組織小組成員討論設(shè)計(jì)方案、安排分工、設(shè)計(jì)制作；項(xiàng)目結(jié)題撰寫相關(guān)的技術(shù)報(bào)告。選派優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)成果參加機(jī)器人、大學(xué)生挑戰(zhàn)杯等創(chuàng)新比賽，通過獲得較好的成績(jī)進(jìn)一步爭(zhēng)取學(xué)校資助，從而形成良性發(fā)展。

四、實(shí)驗(yàn)室管理

實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過五年的發(fā)展，已經(jīng)初具規(guī)模，但也逐漸暴露出了一些問題，一方面實(shí)驗(yàn)室是面向全校開放，學(xué)生流動(dòng)性和隊(duì)伍更新速度比較大，另一方面機(jī)器人制作往往涉及機(jī)械加工與焊接，不規(guī)范操作往往存在一定的安全隱患，一旦發(fā)生事故，后果將不堪設(shè)想。因此，此時(shí)實(shí)驗(yàn)室管理對(duì)實(shí)驗(yàn)室可持續(xù)良性發(fā)展越發(fā)顯得重要。

實(shí)驗(yàn)室管理的具體思路如下：實(shí)驗(yàn)室實(shí)行指導(dǎo)教師競(jìng)賽項(xiàng)目負(fù)責(zé)制，各指導(dǎo)教師嚴(yán)格按實(shí)驗(yàn)室制定的規(guī)章制度管理各自實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備、學(xué)生、衛(wèi)生和安全；指導(dǎo)老師根據(jù)各實(shí)驗(yàn)室所承擔(dān)的競(jìng)賽項(xiàng)目的技術(shù)特點(diǎn)，每學(xué)年進(jìn)行一次自主招生、培訓(xùn)和選拔；實(shí)驗(yàn)室組織選拔出的優(yōu)秀學(xué)生參加競(jìng)賽，為了確保各參賽團(tuán)隊(duì)技術(shù)水平的繼承性，必需將不同些年的學(xué)生組合在一起，實(shí)現(xiàn)以老帶新、傳幫接帶；在競(jìng)賽基礎(chǔ)上組織學(xué)生開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)申報(bào)工作，由指導(dǎo)老師組成專家組對(duì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)申報(bào)進(jìn)行預(yù)審，獲得立項(xiàng)資助后方可在實(shí)驗(yàn)室開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，并定期對(duì)資助項(xiàng)目開展檢查工作；各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目材料費(fèi)用的使用、元器件購(gòu)買必須由指導(dǎo)老師審核確定，大額機(jī)械配件支出需由實(shí)驗(yàn)室討論決定；由指導(dǎo)教師指定具體學(xué)生管理實(shí)驗(yàn)房間的鑰匙，統(tǒng)一規(guī)定實(shí)驗(yàn)室白天開放，對(duì)于夜間需加班的特殊情況需經(jīng)過指導(dǎo)教師同意；所有機(jī)械加工設(shè)備集中在機(jī)械加工房間統(tǒng)一使用，重點(diǎn)選拔出一些具有機(jī)械設(shè)計(jì)與設(shè)備使用專業(yè)知識(shí)的學(xué)生，由專業(yè)教師對(duì)他們進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)和資格認(rèn)證考試，資格權(quán)限分為雕刻機(jī)操作資格、數(shù)控機(jī)床操作資格、鉆銑床和小型機(jī)床操作資格等，只有通過資格認(rèn)證的學(xué)生才可以使用相關(guān)的機(jī)械加工設(shè)備，規(guī)定機(jī)械加工必須在工作日正常作息時(shí)間內(nèi)進(jìn)行且必須兩人協(xié)同操作（一人監(jiān)督）。

五、成績(jī)與未來發(fā)展

經(jīng)過五年來實(shí)驗(yàn)室全體師生的努力和國(guó)家與學(xué)校的大力支持，截至2014年10月實(shí)驗(yàn)室累計(jì)獲取中國(guó)機(jī)器人大賽冠軍13項(xiàng)、獲得國(guó)家級(jí)和校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目資助63項(xiàng)、申請(qǐng)發(fā)明專利13項(xiàng)，獲得資助200多萬，主要?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的作品包括：智能輪椅、基于Kinect體感遙控機(jī)器人、迎賓機(jī)器人等。其中智能輪椅獲得了2012國(guó)家大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽最高獎(jiǎng)。實(shí)驗(yàn)室目前也是學(xué)校對(duì)外展示大學(xué)生創(chuàng)新成果的一個(gè)主要窗口，分別接待過國(guó)家、教育部、科技部、河南省政府等部門主要領(lǐng)導(dǎo)人的參觀，他們都對(duì)實(shí)驗(yàn)室目前所取得的成績(jī)給予了肯定和高度評(píng)價(jià)。

為了進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)室水平從而更好地促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室可持續(xù)良性發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室未來主要發(fā)展規(guī)劃如下：保持和進(jìn)一步增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)的競(jìng)賽項(xiàng)目的水平，重點(diǎn)培育一到兩項(xiàng)可以參加比如Robocup、FIRA這些代表世界水平的機(jī)器比賽項(xiàng)目；將機(jī)器人教學(xué)、競(jìng)賽、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和各指導(dǎo)教師的科學(xué)研究結(jié)合在一起，或選擇前期較好的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并在其基礎(chǔ)上開展科學(xué)研究，充分利用實(shí)驗(yàn)室軟硬件資源，逐漸形成“教學(xué)—競(jìng)賽—?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)—研究”的發(fā)展模式，以最終提高實(shí)驗(yàn)室的科研水平；重點(diǎn)培育一些符合市場(chǎng)需求、可產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)學(xué)研一體化建設(shè)。

六、結(jié)語

鄭州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練基地智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過五年不斷的探索和實(shí)踐，找到了一條可持續(xù)良性發(fā)展的建設(shè)方法，從中積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，也初步取得了較好的成績(jī)。目前，實(shí)驗(yàn)室已建立了比較完善的機(jī)器人競(jìng)賽、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和管理體系，通過實(shí)踐證明可有效地解決實(shí)驗(yàn)室在后期擴(kuò)建發(fā)展過程遇到的一些問題，這對(duì)目前剛起步且科研實(shí)力較弱的實(shí)驗(yàn)室而言至關(guān)重要，具有一定的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1].王旭仁，劉麗珍，黃向陽，等.智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2013，（19）：85-87.

[2].陳小平，羅文堅(jiān).以機(jī)器人實(shí)驗(yàn)為載體的實(shí)踐創(chuàng)新培養(yǎng)體系研究[J].研究生教育研究，2011，3（3）：48-52.

[3]莊未，黃用華，李雪梅，等.機(jī)器人研究在機(jī)械工程類應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用探索[J].教育教學(xué)論壇，2014，（9）：189-191

[4]姚志鳳，薛少平，陳亞娟.機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的多元化模式探究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（5）：76-77，80.