基于智能機器人項目開展的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐教學(xué)研究

劉寶靜 劉欣欣 邢丹

基金項目：河北省教育廳2021—2022年度河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目“基于智能機器人的實踐教學(xué)運行模式的改革研究與實踐”（項目編號：2021GJJG651）。

作者簡介：劉寶靜（1973—），女，碩士，河北傳媒學(xué)院副教授，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)綜合創(chuàng)新設(shè)計；劉欣欣（1990—），女，碩士，河北傳媒學(xué)院講師，研究方向為單片機開發(fā)、硬件開發(fā)；邢丹（1982—），女，碩士，河北傳媒學(xué)院講師，研究方向為嵌入式軟件開發(fā)。

摘? 要：智能機器人核心技術(shù)主要包括智能感知、智能協(xié)作規(guī)劃、智能精準(zhǔn)控制三個方面，與物聯(lián)網(wǎng)三大核心技術(shù)“全面感知、可靠傳輸、智能控制”緊密對應(yīng)。文章基于智能機器人項目，開展物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實踐教學(xué)體系的研究和實踐，實現(xiàn)了多門實踐課程之間的關(guān)聯(lián)整合，立足國家發(fā)展戰(zhàn)略層面，全面培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才。

關(guān)鍵詞：智能機器人；物聯(lián)網(wǎng)；專業(yè)實踐教學(xué)

中圖分類號：G640? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）32-0039-04

一、智能機器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)今世界各國都在大力發(fā)展機器人技術(shù)，如美國的機器人計劃2.0，德國、歐盟的工業(yè)4.0計劃［1］，日本的機器人戰(zhàn)略等，都在推動機器人產(chǎn)業(yè)向著高端制造、智能制造進軍，力圖搶占全球制造業(yè)新一輪競爭制高點。

美國戰(zhàn)略2.0強調(diào)多機器人之間相互交流和協(xié)作，打造機器人感知。德國工業(yè)4.0更多強調(diào)智能工廠，打造智能強國，在智能生產(chǎn)線、智能車間、智能工廠中發(fā)揮機器人作用。歐盟關(guān)注機器人之間的協(xié)作和面向醫(yī)療、人類生命健康的機器人及手術(shù)機器人。

中國機器人近十年來的發(fā)展已經(jīng)進入高端期。工業(yè)和信息化部等十五部門正式印發(fā)《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，指出面對新形勢新要求，未來5年乃至更長一段時間，是我國機器人產(chǎn)業(yè)自立自強、換代跨越的戰(zhàn)略機遇期［2］。因此，我國有必要開發(fā)機器人產(chǎn)業(yè)，占領(lǐng)更多的市場，發(fā)展機器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國的重大戰(zhàn)略需求［3］。

《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃綱要》強調(diào)，要積極推進智能機器人發(fā)展［4］?！丁笆奈濉睓C器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，到2025年，我國將成為全球機器人技術(shù)創(chuàng)新策源地、高端制造集聚地和集成應(yīng)用新高地［2］。工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、科學(xué)技術(shù)部等十五部門聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中指出，智能機器人是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，研發(fā)、制造、應(yīng)用能力是衡量一個國家科技創(chuàng)新能力和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，應(yīng)重點推進重點產(chǎn)品的研制及應(yīng)用［2］。工信部等八部門聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》強調(diào)，新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點是人機交互等關(guān)鍵技術(shù)［5］。智能機器人在當(dāng)今社會的作用越來越重要，越來越多的領(lǐng)域和崗位都需要智能機器人參與。人類正在從計算機網(wǎng)絡(luò)時代走向智能機器人時代，智能機器人的爆發(fā)將會引領(lǐng)全球性變革。

二、基于智能機器人開展物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐教學(xué)的研究實踐

（一）智能機器人的概念、分類與技術(shù)分析

1. 智能機器人的概念

智能機器人是一種可以自動執(zhí)行操作或者移動作業(yè)的機械裝置，具有感知、規(guī)劃、決策、控制等功能， 能夠完成人類難以完成的任務(wù)和重復(fù)、枯燥、危險或在惡劣環(huán)境下的工作。智能機器人絕大多數(shù)不具有人類的形貌，但具有人或生物的某種功能。

2. 智能機器人的分類

智能機器人從用途上可以分為工業(yè)機器人、農(nóng)業(yè)機器人、醫(yī)療機器人、巡檢機器人等；從使用空間上可以分為陸、海、空等機器人。

3. 智能機器人的技術(shù)分析

智能機器人技術(shù)綜合了人工智能、機械電氣、圖像處理、自動控制、通訊傳感等多學(xué)科領(lǐng)域的前沿技術(shù)。它是一個自動化的系統(tǒng)，主要包括三個方面：感知系統(tǒng)、思考系統(tǒng)和運動系統(tǒng)。感知系統(tǒng)用來感知周圍環(huán)境狀態(tài)；思考系統(tǒng)根據(jù)從感知系統(tǒng)得到的信息分析出需要做什么進行反饋；運動系統(tǒng)經(jīng)過思考后作出相應(yīng)的反饋。

（1）感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)相當(dāng)于人的眼、鼻、耳等五官。以“迎賓機器人”為例，當(dāng)人走到機器人面前時，機器人就會“看”到有人來；當(dāng)觸摸屏幕或觸摸它的“手”關(guān)節(jié)等，它就會“感知”到人的觸碰；當(dāng)和它交流時，它能“聽懂”人在說什么。這些傳感器技術(shù)主要包括視覺感知技術(shù)、觸覺感知技術(shù)、聽覺感知技術(shù)等。

（2）思考系統(tǒng)

思考系統(tǒng)主要包括對信息的分析、理解、判斷等，相當(dāng)于人的大腦，它在整個機器人系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。機器人把感知系統(tǒng)收集上來的各種環(huán)境信息進行保存，然后對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的分析，與目標(biāo)進行對比，得到目前的偏差值。這些思考的過程實質(zhì)上是一個信息處理過程。對各種信息進行處理需要CPU完成，智能機器人的CPU一般采用嵌入式計算機系統(tǒng)。

（3）運動系統(tǒng)

智能機器人在經(jīng)過思考系統(tǒng)的分析后需要執(zhí)行某些動作，這就需要有一個能夠移動的裝置，可以是輪子、履帶、支腳、吸盤、氣墊等不同形式，相當(dāng)于人的手和腳。機器人的“手”就是通常所說的機械手，大多是為了完成一項特定的任務(wù)而設(shè)計安裝，并仿效人手拿工具的狀態(tài)。機器人的“腳”就是使用各種電機讓機器人行動起來，主要有輪式機器人和足式機器人等，并仿效人完成前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、抬腿等相關(guān)動作。

（二）物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、問題及解決方向

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是新一代信息技術(shù)的核心技術(shù)，是大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的核心基礎(chǔ)，也是工業(yè)4.0戰(zhàn)略計劃的核心。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)技術(shù)復(fù)雜，涉及層面較多，實踐項目豐富但零散。目前很多高校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)都以課程為單元，課程之間沒有形成的整體協(xié)調(diào)聯(lián)動。學(xué)生學(xué)習(xí)時沒有完善的整體架構(gòu)，知識散點太多，無論在學(xué)習(xí)興趣上，還是在未來發(fā)展上都無法形成巨大的合力。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實踐教學(xué)，需要一種高效、科學(xué)、有發(fā)展前景的綜合實踐平臺整合各個課程之間的關(guān)系，從而高效地培養(yǎng)學(xué)生全方位的能力，以適應(yīng)市場的快速發(fā)展變化。智能機器人項目在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用，將快速推進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能機器人領(lǐng)域的發(fā)展，這必將是未來幾年的一項重要工作。

（三）物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)能力主線與智能機器人三要素的關(guān)系

我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生的能力主線主要包括在思想層面培養(yǎng)學(xué)生具有分析國家發(fā)展動態(tài)的能力，在知識層面培養(yǎng)學(xué)生掌握嵌入式硬件設(shè)計等實踐能力，在素質(zhì)層面培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)新思維、團隊協(xié)作、溝通交流的能力。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要包括“全面感知、可靠傳輸、智能控制”三大層次。

1. 全面感知層

（1）全面感知層在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層面的分析

全面感知層是利用各種傳感器感知世界萬物的各種狀態(tài)，主要包括感知“你是誰——Who”“你在哪——Where”“你怎么樣——How”等內(nèi)容，例如通過RFID、一維碼、二維碼等身份識別技術(shù)來識別萬物的身份，通過GPS、北斗等實現(xiàn)萬物的定位和導(dǎo)航，通過紅外、壓力、方向、電流等多種傳感器感知萬物的狀態(tài)。

（2）全面感知層與智能機器人的關(guān)系

在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實踐教學(xué)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“全面感知層”對應(yīng)于智能機器人的“感知系統(tǒng)”。全面感知層的技術(shù)種類繁多，傳感器千變?nèi)f化，在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)開展教學(xué)時由于學(xué)時限制因而不能面面俱到，應(yīng)選擇重點傳感器開展實踐教學(xué)。

2. 可靠傳輸層

（1）可靠傳輸層在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層面的分析

可靠傳輸層是利用各種通信技術(shù)，將感知層獲取到的萬物的狀態(tài)信息，通過可靠、安全、快速的傳輸通道，傳輸給控制層以便開展后續(xù)的分析、控制等功能。根據(jù)傳輸距離可以分為近距離傳輸技術(shù)和遠距離傳輸技術(shù)。其中，近距離傳輸方式主要有紅外、藍牙、Wi-Fi等，信號覆蓋范圍一般在幾十厘米到幾百米之間；遠距離傳輸方式主要有NB-IoT、MQTT、5G等，信號覆蓋范圍一般在幾公里到幾十公里。

（2）可靠傳輸層與智能機器人的關(guān)系

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，機器人從“單一個體”逐漸向“群體智能”轉(zhuǎn)變，逐漸從“單一感知”向“多點感知”提升。因此，多個機器人互相協(xié)作的模式、集群機器人群體協(xié)作的模式，是智能機器人的主流發(fā)展趨勢。多個機器人互相之間的協(xié)作，需要信息的可靠傳輸。因此，在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實踐教學(xué)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可靠傳輸層對應(yīng)智能機器人的協(xié)作關(guān)系、集群關(guān)系之間的連接，完成感知系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、思考系統(tǒng)之間的信息傳輸。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“可靠傳輸層”是智能機器人向著“集群模式”“協(xié)作模式”發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

3. 智能控制層

（1）智能控制層在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層面的分析

智能控制層是將傳感層感知到的萬物狀態(tài)，通過傳輸層收集上來后，進行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理后，實現(xiàn)對設(shè)備進行控制的技術(shù)。智能控制層涉及技術(shù)層面較多，包括邊緣計算控制、云端控制、數(shù)據(jù)庫存儲、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)。

（2）智能控制層與智能機器人的關(guān)系

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“智能控制層”對應(yīng)于智能機器人的“思考系統(tǒng)”和“運動系統(tǒng)”。智能控制層中“邊緣計算控制”部分的主要功能是在傳感器末端開展數(shù)據(jù)的收集和末端器件的控制。相對機器人來說，智能機器人的運動要素，相當(dāng)人的手和腳。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能控制層中的邊緣計算控制端，主要負責(zé)實現(xiàn)機器人的抓取、行走等動作。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的云端控制、數(shù)據(jù)庫存儲、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，主要負責(zé)對機器人的多種數(shù)據(jù)進行融合存儲、分析、管理，甚至經(jīng)過AI進行更高級的分析。

（四）基于智能機器人項目的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程規(guī)劃

智能機器人技術(shù)涉及多學(xué)科知識，三個核心技術(shù)主要包括“智能感知、智能協(xié)作規(guī)劃、智能精準(zhǔn)控制”，其與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)三個核心層面“全面感知、可靠傳輸、智能控制”緊密對應(yīng)?！盎谥悄軝C器人的實踐教學(xué)體系”的建設(shè)，將改變現(xiàn)有實踐項目的零散現(xiàn)象，在技術(shù)上、思想上、素質(zhì)上完全符合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)能力主線的發(fā)展。

1. 機器人智能感知方面課程規(guī)劃

在機器人智能感知方面（或稱為感知系統(tǒng)），主要涉及傳感器相關(guān)知識和技術(shù)，包括超聲波、雷達、光感、溫感、定位等技術(shù)，對應(yīng)課程主要包括“傳感器原理及應(yīng)用”“RFID原理及應(yīng)用”等。

2. 機器人智能協(xié)作規(guī)劃方面課程規(guī)劃

在機器人智能協(xié)作規(guī)劃方面（或稱為多機協(xié)作系統(tǒng)），主要涉及物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、邊云協(xié)同等技術(shù)，對應(yīng)課程主要包括“數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)”“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實訓(xùn)”等。

3. 機器人智能精準(zhǔn)控制方面課程規(guī)劃

在機器人智能精準(zhǔn)控制方面（或稱為思考系統(tǒng)和運動系統(tǒng)），主要涉及邊緣計算嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、云端技術(shù)，甚至AI技術(shù)等，對應(yīng)課程主要包括“單片機原理及應(yīng)用”“微型計算機原理及應(yīng)用”“嵌入式操作系統(tǒng)”“數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用”等。

（五）基于智能機器人開展實踐教學(xué)的意義

1. 加強一流本科建設(shè)

我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)通過近幾年的教學(xué)實踐、學(xué)科競賽，對多種傳感器、嵌入式開發(fā)、邊云協(xié)同等技術(shù)已經(jīng)具備技術(shù)儲備，積累了大量基于智能機器人開展的設(shè)計案例、獲獎作品等，如“網(wǎng)球場智能撿球機器人”“實驗室引導(dǎo)機器人”等?！盎谥悄軝C器人的實踐教學(xué)體系”的建設(shè)，實現(xiàn)了多門實踐課程之間的關(guān)聯(lián)整合。全面培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才，將實踐、實訓(xùn)、實習(xí)、學(xué)科競賽、就業(yè)等貫通，有利于快速推進物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一流本科建設(shè)發(fā)展之路。

秉承著“科技至簡，智慧為學(xué)”的理念，基于機器人教學(xué)平臺，將物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實踐體系打造成一個“有智慧”的教學(xué)空間，為建設(shè)一流本科專業(yè)作出積極努力。

2. 提升學(xué)科競賽質(zhì)量

在中國高校智能機器人創(chuàng)意大賽五年總結(jié)大會上，中國高等教育學(xué)會工程教育專業(yè)委員會聯(lián)合浙江大學(xué)機器人研究院發(fā)布第四輪“全國普通高校大學(xué)生機器人競賽指數(shù)”，覆蓋25項機器人競賽。國家教委、河北省教育廳、各大企業(yè)等，近兩年紛紛組織各種涉及機器人的相關(guān)比賽，如“河北省大學(xué)生機器人大賽”“機甲大師賽”“全國大學(xué)生智能汽車競賽”等。國家各部門希望通過這些比賽，增加機器人研發(fā)產(chǎn)業(yè)人才的儲備。

3. 激發(fā)教師和學(xué)生的積極性

基于智能機器人項目開展物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐課程的教學(xué)，是教師面臨的新挑戰(zhàn)，對學(xué)生來說是激情的釋放，對教研活動是互動的平臺。通過機器人教學(xué)的創(chuàng)新實踐，學(xué)生將理論和實踐結(jié)合，鍛煉自主學(xué)習(xí)的能力、團隊合作的能力，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性。

4. 提升跨專業(yè)項目合作能力

智能機器人技術(shù)涉及技術(shù)廣泛，融合多學(xué)科技術(shù)平臺為一體。利用智能機器人項目開展實踐教學(xué)，將積極推動物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)和數(shù)字媒體技術(shù)、大數(shù)據(jù)等其他學(xué)科的融合［6］，創(chuàng)新新時代人才培養(yǎng)路徑，未來必將和影視、新聞等跨專業(yè)交流，創(chuàng)造大工科、大文科全面融合的人才培養(yǎng)路徑。

三、結(jié)語

基于智能機器人項目，大力推進物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實踐教學(xué)改革，是立足國家發(fā)展戰(zhàn)略、我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)目前已有的技術(shù)儲備、河北傳媒學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)“網(wǎng)格化課程體系架構(gòu)”的聯(lián)動機制等作出的必然選擇，有利于推動物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)各課程之間的快速協(xié)調(diào)發(fā)展，推進物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生的就業(yè)，積極推進河北省物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻：

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［6］ 科技部 中央宣傳部 中國科協(xié)關(guān)于印發(fā)《“十四五”國家科學(xué)技術(shù)普及發(fā)展規(guī)劃》的通知［EB/OL］. （2022-08-04）. https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-08/16/content_5705580.htm.

（責(zé)任編輯：淳潔）