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智能機器人作為一個最為典型的工程系統對象，涵蓋了機械、電氣、信息、通訊、控制、系統等所有現代工程專業的內容，因此機器人作為一個典型的系統對象，是所有創新工程專業教育改革的理想載體，可以貫穿工程訓練、專業基礎教育和專業創新教育的全過程，是教學實驗和研究的最理想的平臺。智能機器人實驗室是一個涉及多學科，測、控充分結合的實驗室，集各種傳感與執行機構于一體，又是一個測控一體化的綜合實驗對象。

首都師范大學智能機器人實驗室是專門服務于智能科學與技術專業本科教學和實踐的系統平臺，是高年級智能機器人、模式識別等專業課程的實踐創新基地。經過近10年的建設發展，我們在實驗室建設、實驗體系研究、目標定位等方面積累了一定的經驗。

1 實驗室建設定位和配置

智能機器人與模式識別是智能科學與技術專業的特色，其中，智能機器人重點培養學生在智能機器人設計與開發、智能機器人傳感器技術、智能控制、多傳感器信息采集與融合等方面的實際應用能力；模式識別是基于信號處理、人工智能、計算機等技術，用機器代替人去識別和辨識客觀事物，用數學技術方法來研究模式的自動處理和判讀的學科內容，其相關系統理論和方法的研究近年來迅速發展，因此實驗室的建設主要圍繞這兩門課程的實踐教學和科研活動展開。

實驗室自2005年創建，占地面積約150m2。根據教學實踐需要，實驗室設備配置包括通用計算機系統、小型組足球機器人、輪式智能移動機器人平臺、大學生創新實踐中級套件、示教型教學工業機器人、各種傳感器等。軟件系統包括Matlab、機器人編程系統、通用編程語言環境、模式識別工具箱等，在這些設備的基礎上，開展智能科學與技術的實踐教學。隨著設備的老化，根據課程發展的需要，實驗室即將購進人形機器人、滅火機器人、游歷機器人以及自主設計機器人的各類配件。

2 實驗室創新實驗體系

2.1 通用創新實驗體系

根據智能科學與技術的學科特點，智能機器人實驗室提供循序漸進的系統訓練課程：初級課程、中級課程、高級課程，具體開課情況見表1。

（1）針對低年級學生的系統化基礎工程訓練：學生可以利用該平臺，進行學科基本能力的培養，包括計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計能力、開發應用能力等；并能夠動手組裝和調試簡單電路；編寫控制軟件；獲得全方位的、系統化的基礎工程訓練。

（2）針對中年級學生：可以利用該平臺，進行系統能力的培養，要求學生能夠站在系統的全局去看問題、分析問題和解決問題，從而更加深入地學習并實踐自動控制、電子電路、微機原理接口技術及應用、單片機原理與應用等學科知識與試驗學習結合起來。

（3）針對高年級學生：利用該平臺，深入研究目前前沿的學科知識，進行人工智能、圖像處理、語音識別、機器人自主導航、運動控制、機械設計、機械電子學、電機拖動、機器人學、自動控制、數字控制、先進控制、智能控制、傳感器、傳感器信息融合、信號處理、模式識別、人工智能、面向對象編程、軟件工程、圖像處理、語音識別、神經網絡、遺傳算法等多學科的研究驗證，進行創新能力培養。

2.2 智能機器人課程實踐教學體系

智能機器人是首都師范大學智能科學與技術高年級學生的重要專業課程，涉及的學科范圍包括力學、機器人拓撲學、機械學、電子與微電子學、控制論、計算機、生物學、人工智能、系統工程等諸多課程，是理論性、實踐性和綜合性很強的課程，也是培養學生具有機械設計能力、能夠直接解決實際問題的課程。該課程授課課時為36學時，實驗課時為36學時，達到了1：1的比例。

第一階段，教師以最為典型的能力風暴機器人、示教—再現機器人為教學對象，讓學生掌握基本程序的編制，掌握電機的控制方法，掌握最簡系統的組裝、編程、調試的方法，能夠實現基本系統的各種控制，實現機器人走正方形、機器人邊唱邊跳等經典控制項目，從而對機構設計、軟件編制以及優化有一定的認識。

第二階段，設計和開發自己的機器人運動機構，完成機器人綜合組裝、調試工作，在第一階段的基礎上增加一些標準傳感器知識，學生可以通過對典型傳感器，如紅外傳感器、光敏傳感器、碰撞開關、光電編碼器等使用學習，完成機器人跟人走、避障等實驗。另外，學生熟練掌握完整智能控制系統的編程與應用方法，為拓展其他各種傳感器與功能模塊的應用打下基礎。

第三階段，學生可以在以上基礎上增加其他各種擴展芯片、傳感器、大學生創新模塊套件及執行機構，熟練應用不同傳感器，設計方案以及試驗環境來實現不同功能，例如完成語音控制機器人小車、加工車床等試驗。通過這個環節，學生可以深入掌握不同傳感器及執行機構的工作原理與應用方法，培養學生解決實際問題的能力。

第四階段，面向競賽和學生科研課題，學生獨立進行自主創意或完成指定項目的設計。在這個階段，學生可以對人工智能、圖像處理、自主導航、遺傳算法等前沿學科進行深入研究及驗證，例如火星隕石標本采集概念機器人的設計、智能圖書存取系統設計等。

2.3 模式識別課程實踐教學體系

模式識別課程是首都師范大學智能科學與技術高年級學生的重要專業課程，其目的是通過對模式識別基本理論、概念和方法的學習，使學生能夠靈活運用所學知識，借助計算機解決實際工程應用中的自動識別問題，其主要任務是使學生掌握對物體進行分類的有關理論和方法。實驗課是本課程重要的教學環節，目的是使學生掌握模式識別基本分類方法的算法設計及其驗證方法。提高學生分析問題、解決問題的能力。本課程授課課時36學時，實驗課時時。

第一類實驗是安裝并使用模式識別工具箱。本次實驗可以讓學生了解模式識別軟件的具體形態、基本設置以及運行流程，了解基本識別方法的工作過程。

第二類實驗使用常用分類算法進行實驗，例如，貝葉斯分類算法的原理和使用、最近鄰算法的分析試驗。

第三類實驗為課程設計，例如用支持向量機進行人臉識別。本次實驗可以讓學生掌握支持向量機的運行機理、參數選擇與快速算法等，了解在實際分類中學習樣本庫的重要性。

3 實驗室發展成果

3.1 提高科研水平，促進實驗室良性發展

實踐證明，科研項目的研究對改善學科軟硬件條件作用重大。在帶動實驗室建設上，科研課題以優勢、特色學科為基地，購置大量先進的儀器設備，構建起堅實的實驗條件，在完成科研任務的同時，轉化為學科教學、科研發展的基礎設施，為培養高水平本科人才提供物質支撐。首都師范大學智能科學與技術專業先后申請主持國家自然科學基金項目等國家級項目4項、省部級項目近20項，校級項目若干，發表包括SCI、EI檢索在內的學術論文一百多篇，從而極大促進了智能機器人的實驗室建設，為實驗室的長期發展創造堅實的物質基礎和持續的科研動力。

3.2 開展學生科研，培養學生創新能力

智能科學與技術專業堅持以智能機器人實驗室為依托，鼓勵學生申報、開展各級各類學生科研項目，進行專業實習、完成畢業設計，并按照本科生的學習發展階段，為學生規劃科研申報體系，如圖1所示。

近四年來，我們積極組織學生申請全國級大學生創新實驗計劃6項，參與學生近30人。申請校級各類學生科研項目近20項，參與學生近百人。通過有組織地、循序漸進地開展學生科研，學生極大地發揮了鉆研精神和創新能力。

3.3 通過學科競賽，調動學生實踐積極性

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中圖分類號：TP212文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）02-0297-02

1 引言

機器人是21世紀技術前沿課題，隨著科學技術的發展，機器人在社會各領域的作用越來越大。對機器人的研究已成為熱門課題。智能尋跡機器人是一種被廣泛研究的機器人，而且國內外都有許多重要的比賽。它是在給定的區域內延著軌跡完成對各個目標點的訪問。其主要指標是速度和順利完成訪問得分點的能力。智能尋跡機器人涉及到傳感器技術，單片機控制、信號處理、電機驅動、人工智能、驅動電源的設計等諸多領域。本文描述的智能尋跡機器人采用的是雙龍公司的單片機，利用紅外傳感器感知外界信號、光電編碼器和C語言編程控制尋線行走姿態。

2 紅外傳感器概述

紅外傳感器的測量原理是將發射信號經調制后送紅外管發射，光敏管接收調制的紅外信號。用紅外發射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器。紅外發射管發出紅外線，當發出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發射管發出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但是工作不夠穩定，且容易受外界光線的影響，因此對試驗的環境要求較高。但光的反射受到多種因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發射和接收管進行測量將因為干擾產生錯誤信號，采用對反射光強進行測量的方法可以提高系統的可靠性和準確性。

3 機器人輪式機器人尋跡的思想

這里的尋跡是指機器人輪式機器人在白色地板上沿著黑線行走，通常采用的方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在輪式機器人行駛過程中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發生漫反射，反射光被裝在 輪式機器人上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，輪式機器人上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的位置和輪式機器人的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應超過3cm。

3.1 使用一個紅外傳感器（如圖3）

原理:輪式機器人在黑線上前進,跑出黑線(假設向左編偏離黑),輪式機器人向右轉2單位角度,判是否回到黑線,回到黑線則前進,若沒有回到黑線,則向左轉過4單位角度,再判斷執行，如此反復試探進行尋跡。

理論圖樣：

3.2 使用兩個紅外傳感器（如圖4、5）

原理：用兩個紅外傳感器有兩種情況。其一，傳感器之間距大于黑線寬度，輪式機器人在黑線上前進，假如輪式機器人右邊的傳感器接觸黑線，則輪式機器人自動調整左轉，直到兩個傳感器感應的都是白線。其二，傳感器之間的距離小于黑線的距離，輪式機器人在黑線上前進，假如輪式機器人左邊的傳感器跑出黑線，則輪式機器人自動調整右轉，直到兩個傳感器都在黑線上。

理論圖樣：

3.3 使用三個紅外傳感器（如圖6）

三個紅外傳感器的設計排列較多，在這里我們只對三個紅外傳感器排成一行設計進行討論。

原理：中間的傳感器探測的是黑線，兩邊的傳感器探測的是白底。輪式機器人在黑線上前進，假設輪式機器人向右偏離，即中間傳感器探測的是白底，且左邊的探測器探測的是黑線，則輪式機器人制動調整左轉，直到中間探測的是黑線，兩邊探測的是白底。反之，輪式機器人制動調整右轉，直到中間探測的是黑線，兩邊探測的是白底。輪式機器人繼續前進。

理論圖樣：

圖6 三個傳感器尋跡解圖

4 結束語

本文結合實驗室的研究科目，對輪式機器人尋跡中使用紅外傳感器做了多次測試，尋跡非常成功，并且針對尋跡定位精度要求高和紅外傳感器的使用個數這兩個關鍵問題提出了相應的解決方案，通過一段時期的測試運行，取得了很好的實驗效果。

隨著紅外傳感器技術的日益成熟，定位精度日益提高，在不久的將來，紅外傳感器的使用范圍更廣，輪式機器人尋跡也會相應的應用到各個領域。

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Breazeal認為：“它（機器人）不僅要具有自然的溝通能力，還要能理解人類的思維方式。每當我們體驗這個世界，做決定并采取行動，我們當然會考慮相關信息，但我們也會考慮其他因素。機器人可以有社交功能，也能有真情實感，更是實實在在的物體。不僅如此，只要支持人類全面體驗的技術越多，人類自身的本領就會越強大。社交機器人可以算是歷史上首次在上述所有這些層面內對人類體驗的一種綜合體現。”

多年以來，Breazeal一直在研究人性化的機器人，希望賦予他們人際交往的技巧，探究它們如何推進兒童教育、醫治慢性病、高級護理等各種類型的工作。甚至，社交機器人還可以幫助家庭成員更好地相處、互動。例如利用相關技術，它們可以讓住在千里之外的祖父看到自己的孫女，并且和她玩實時游戲。

Breazeal介紹，除了增進交互，機器人技術也能有效地鼓勵人們改進言行。機器人可以扮演教練，指導用戶鍛煉身體。Breazeal發現，和人類相似的外形、溝通手段、動作和互動方式可以產生比其他技術形式更持久、更重要并且更符合人們期望的成果。

篇（4）

摘要：在對課外教學和教學設計策略概念加以界定的基礎上，系統研究了機器人課外教學設計策略，包括機器人課外教學目標、教學內容、教學組織、教學評價共四個方面的內容，明確了機器人教學的教育目的、教學內容及教學目標，探討了機器人課外教學組織模式的構建。

關鍵詞 ：機器人；課外教學設計；組織模式；教學評價

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-5727( 2014) 02-0124-03

機器人教育是時代和社會發展的必然，是學校培養科技創新型人才的重要載體，對培養學生的科學素質和創新精神有著至關重要的作用。機器人課程日益受到重視，在各類機器人競賽的推動下，機器人課外教學也在如火如荼地開展。但是，為競賽而競賽、學生管理的自主狀態、師資配置不足、缺乏系統管理等問題在機器人課外教學中也是客觀存在。因此，機器人課外教學迫切需要重新審視，堅持以培養人為中心，認真分析機器人課外教學的教學內容、教學目標、教學組織、教學評價等，系統研究機器人課外教學設計策略。

概念界定

關于課外教學的概念國際教育界對“課外”的英文詞語不外乎兩種：“extra-curricular（課程之外）”或“extra-class（課堂之外）”。教學是教育目的規范下的、教師的教與學生的學共同組成的一種教育活動。從系統性和完整性的角度，本研究將“課外”界定于extra-class．同時把課外教學納入課程范疇。根據教學定義，進一步明確：課外教學應該包括“教(teach)”和“學(learn)”兩種不同性質的活動，教學實施過程中的行為主體包括教師和學生，課外教學是在教學目標指引下，由教師的教與學生的學系統組成的一種教育活動。

關于教學設計策略的概念策略是為達到某種目的使用的手段或方法。所謂教學策略，是在教學目標確定以后，根據已定的教學任務和學生的特征，有針對性地選擇與組合相關的教學內容、教學組織形式、教學方法和技術，形成的具有效率意義的特定教學方案。教學策略根據教學活動的內容分為教學設計策略、教學實施策略和教學反思策略。教學設計是教學的首要環節，主要包括教學目標、教學內容、教學組織、教學評價四個方面的內容。

機器人課外教學的教學目標與教學內容設計

確定機器人課外教學目標首先要確定機器人教育目的和意義。從學生能力結構上，可以將“機器人教育目的”理解為：推進素質教育，培養學生的創新意識和創新能力、團體意識和合作精神、設計能力和研究能力以及跨專業綜合應用能力。

教學目標設計是對教學活動預期所要達到的結果的規劃，是教學設計的重要環節。合理的教學目標是保證教學活動順利進行的必要條件。教學目標設計應與教學內容緊密相連，應以教學內容為基礎，教學內容的組織和實施應能促進教學目標的實現。教學內容是學生所系統學習內化的間接經驗和直接經驗的總和。根據建構主義教學理論，教學目標設計應促進學生主動學習而不是被動接收，應激發學生思維，促進知識內化為技能，促進學生建構自己的知識體系。

因此，機器人課外教學內容需要教師認真進行選擇、加工、組織，遵循連續性、遞進性和整合性的原則，同時教學內容組織要考慮邏輯順序和心理順序。根據實踐，現將機器人課外教學的教學目標和教學內容、教學形式加以總結，如表1所示。

機器人課外教學組織模式

教學組織形式，就是教學活動中教師與學生的組合結構形式，或者說是教師與學生共同活動在人員、程序、時空關系上的組合結構形式。機器人課外教學因其靈活性、開放性、綜合性的特點，給課外教學的組織增加了難度。但通過實踐，逐步形成了以科技社團為載體、以社團組織課外教學活動開展為主線、以充分盤活資源為核心、以科技競賽為動力的師生互聯全員互動的機器人課外教學組織模式。機器人課外教學組織模式如圖1所示。

（一）機器人課外教學組織模式發展溯源

我們的研究最早從1996年開始，引進了日本機器人教育的先進經驗，結合我國的具體國情，在機器人教育方面進行了探索，并取得了一定的經驗，成功地組織了多屆大學生小型機器人設計和制作比賽。將機器人教育與教學改革相結合，完成了全國職業技術師范教育委員會“九五”教育科學研究課題“電類專業現代職業技能開發一增設‘小型機器人設計和制作’的教學內容”項目的研究工作。

我們以“小型機器人設計與制作”為課題，組織自控、機械、電子、計算機、工業設計等專業的教師組成跨學科的指導教師小組，吸收以上專業大學三年級以上的學生參加，進行畢業設計改革試點。同時，在制作多臺不同結構和功能的教學用智能機器人的基礎上，按照低成本、模塊化、系統集成的設計思想，研制了多種通用機器人設計和制作的標準化模塊及多種傳感器模塊。系統采用開放式結構，根據設計任務需要，學生也可進行特定的模塊設計。學生在教師的指導下進行系統模塊配置，模塊設計，機器人結構設計安裝、制作、調試、模塊軟件編程等環節的學習，設計并制作小型機器人進行比賽。

此項教育改革將機器人教學與第二課堂相結合，利用學生的課余時間延長畢業設計時間，提高了畢業設計課題的綜合性。該項學生畢業設計的研究成果在第五屆“挑戰杯”天津市大學生課外學術科技競賽中獲科技制作類一等獎。

1997年，我們成立了電子工程師搖籃協會，組織開展電子競賽等科技活動：1999年，成立了機器人俱樂部，自主研制機器人模塊化設計開發平臺和各種機器人功能模塊，致力于機器人開發和研究，同時不斷研究和設計適合中國國情的比賽規劃。在星火創業協會成立后，以上三個學生科技社團合并成立了大學生科技實踐中心，開展各項課外科技活動。

（二）機器人課外教學組織模式的形成

層層選拔，循序漸進課外科技活動的實踐證明，科技社團是機器人課外教學實踐的重要載體。科技社團與活動開展的思路逐步形成：電子工程師搖籃協會負責組織機器人相關培訓、講座、參觀等，進行機器人現成產品研究（包括實驗、驗證等），并通過小型科技競賽選拔學生到機器人俱樂部，開發機器人模塊化設計平臺，自主設計與制作機器人。同時選拔學生到專家實驗室、研究所參與機器人相關課題研發，并參加全國的機器人大賽。堅持循序漸進的教學原則，如模式圖中的主線自下而上，對應的機器人課外教學的難度從低到高設置，為不同專業、不同年級、不同興趣和特長的學生提供了多層面的選擇空間和學習平臺。科技競賽成為選拔、培養學生的重要手段。在教師的全面指導下，學生通過活動、競賽等進階選拔，接觸到從社團骨干到科技輔導員、從研究生到專家教授等多層面的輔導和培訓，專業技能和綜合能力逐步提高。

全員參與，分工協作資源是機器人課外教學實施的重要保證。盤活資源能有效保證機器人課外教學質量，有力提升資源效能，推動機器人課外教學的各項實踐活動。人是影響教學質量的根本因素，教師在機器人課外教學中具有不可替代的作用。充分發揮教師作用的關鍵是全員參與。全員參與需要全體教師都能圍繞“機器人課外教學”明白自己該做什么、怎樣做、為什么這樣做、如何做得更好。在實踐中，學院領導帶頭高度重視課外教學工作，系統設計教學環節、教學模式，宏觀指導機器人課外教學工作，同時提供機器人課外教學必需的專家、教授、科技輔導員等人力資源和實驗室設備場地等資源的大力支持。我們在實踐中率先設立了科技輔導員崗位，負責指導科技社團的各項活動，培養選拔科技人才，促進學生科技水平提升和綜合實踐能力提高。同時設立了班級實踐委員，構建了以班級為依托的學生科技實踐環境，改變了傳統意義上的班干部結構，在班上設立了實踐委員。實踐委員負責在班里營造科技實踐氣氛，開展科技實踐活動，推薦并協助選拔學生進入科技社團。實踐委員對科技輔導員負責，接受科技輔導員的指導。同時，科技輔導員指導社團的骨干力量對班級的科技活動給予相應的支持和幫助。專家、教授不僅為科技社團做培訓和講座、指導學生參加科技競賽，而且從科技社團選拔挑選學生參與實驗室課題研發，安排研究生參與活動中，指導研究生與本科生互助，快速提高、快速成長。此外，還通過校企合作，引入西門子獎學金，用于舉辦應用創新類科技活動，并舉辦了“西門子杯”應用創新類學生競賽。

機器人課外教學評價

篇（5）

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）28-0268-02

機器人是一個多學科交叉的綜合產物，涉及機械工程、電子技術、檢測技術、通信技術、計算機技術、自動控制理論以及人工智能等多個學科領域，代表了當今機電一體化的最高成就。當前，工業機器人、醫療機器人已經得到了廣泛應用；隨著人口的老齡化，服務機器人也成為了研究的熱點。在此背景下，越來越多的高校開設了機器人課程并給予較高的重視。機器人課程具有涉及學科廣泛、實踐性強、探索性豐富等特點，是面向高等學校機械工程學科機械工程及機械電子工程專業的本科生和一年級研究生開設的專業課。

根據應用型本科的教學定位，本著“技術強校，應用為本”的辦學指導方針，華南理工大學廣州學院以機械工程實驗中心的機器人資源為依托，面向機械類專業學生開展了機器人實驗課程并不斷探索更好的教學方法，著力培養滿足用人需求的技術應用型人才。

在此，本文在分析國內機器人實驗課程現有問題的基礎上，總結自身的教學實踐經驗，提出了“項目式”強化訓練的機器人實驗教學方法。該方法以具體的項目任務為依托，促使學生在完成項目任務的過程中“既動腦又動手”，得到了較好的教學效果。

一、機器人實驗教學的現有問題

目前，機器人教學在國內各高等學校迅速發展，相當一部分的高校建立了機器人實驗室并開展了機器人實驗課程。雖然機器人教學工作發展迅速，但是完整的教學體系尚未形成，在機器人實驗教學仍然存在不少值得關注的問題。

1.實驗平臺單一。目前，阻礙機器人實驗教學發展的一個重要原因就是搭建機器人實驗平臺所需的器材費用非常高。譬如：一套安川小型工業機器人高達十幾萬元，一套包括控制器、傳感器、馬達和零部件等的樂高機器人教學專用套裝一般需要六七千元。另外，機器人的組裝和維護所需的硬件設備和人力投入也是一筆龐大的開銷。由于受到經費等原因的限制，相當一部分的學校只能購買并搭建一到兩種機器人實驗平臺，因而能夠讓學生動手操作、親身體驗的實驗資源非常有限，也難以開展多種機器人實驗，導致機器人實驗的教學內容比較單調，缺乏“廣度”，對學生的吸引力不強。

2.教學手段傳統。機器人實驗不僅要求學生要動手，還要求學生要動腦，但目前機器人實驗的開展以教師進行實驗演示和學生按照步驟操作為主。這樣的教學手段使得學生按照明確的步驟即可完成實驗，無須自行查找資料、思考并解決問題、進行團隊合作。在機器人實驗的過程中，學生缺乏主動實踐的機會，難以激發學生對機器人進行學習和操作的主動性和積極性。學生在實驗結束后往往很快就遺忘所學的內容，在整個實驗課程結束后收獲不多，甚至印象不深，從而導致機器人實驗的教學效果較差。另外，對學生實驗課程的評價依據只能是學生能否按時上課和完成實驗，不能有效地區分出部分動手能力強、創新意識較強的學生并給予較高的評價。不具有一定挑戰性的按部就班式的實驗操作，也不能激發學生爭先創優的競爭心理，這也導致了機器人實驗的教學效果并不理想。

3.教師資源匱乏。機器人課程融合了多個學科的知識，涉及到相當多前沿領域的技術。因此，機器人實驗教學對教師有著比較高的要求，要求教師具備多學科知識背景、較強的動手能力和指導學生對新事物進行探索實踐的能力。然而，由于機器人教學在我國起步較晚，完整的機器人教學體系尚未形成，教師隊伍尚在建設中，專門進行機器人教學活動的教師較少，在機器人實驗教學方面具有豐富經驗的教師就更少了。所以，在開展機器人實驗教學方面，各高校的教師資源嚴重匱乏。

二、“項目式”強化訓練的實驗教學方法

針對已發現的問題，華南理工大學廣州學院探索總結了一套“項目式”強化訓練的機器人實驗教學方法。

1.進行項目訓練的教學。為了推行“項目式”強化訓練的教學模式，華南理工大學廣州學院安排了工業自動化強化訓練Ⅰ和Ⅱ兩個課程。其中，強化訓練Ⅰ是可編程控制器和單片機的基礎課程，以教師課堂授課和安排實驗為主。強化訓練Ⅱ是后續課程，以項目任務為教學內容，將機器人作為可編程控制器和單片機的學習平臺，以機器人各種工作站的搭建為具體任務，開展機器人系統結構、系統集成等教學，整個環節以學生操作為主。教師設計有多個不同的項目任務，供學生自行組隊、自由選擇。每個小組根據選定的項目任務，自行進行組內分工和安排工作日程，查閱相關資料進行程序或輔助設備的設計和實驗。

通過豐富具體的項目任務驅動學生的機器人學習，學生可根據自己的興趣和水平選擇項目任務，這可以激發學生的學習興趣，提高學生的創新能力和團隊意識。“既要動腦又要動手”的項目任務加強了學生對機器人的認識，強化了學生對知識的運用，學生對學到、用到的知識印象深刻，從而提高了教學質量和教學效率。

例如：教師設計了一個“基于工業機器人的生產線分揀系統設計”的項目任務，要求學生在4周時間內搭建一個生產線自動控制系統，能夠自動對傳輸帶上的不同顏色（黑色和白色）、不同材質（金屬和塑料）的物件進行識別，并將不同的物件從傳輸帶上搬運到指定的區域。學生在小組內自行協商項目分工和安排項目進度，利用實驗室現有資源搭建了由PLC控制的生產線，實現了PLC與機器人的通信，對機器人進行了示教編程，并對整個系統進行了調試。教師每周對學生的項目進度進行1～2次監督檢查，并及時對學生遇到的問題給予指導。

2.推動實踐項目的開展。在課外時間，進行以教師為指導、學生為主要參與者的實踐項目活動，是培養學生的學習興趣和自主創新思維的重要方式，也是“項目式”實驗教學方法的一種實踐形式。華南理工大學廣州學院自2009年起，建立了一個可容納50人的機器人實驗室，每年參加ROBOCON全國機器人大賽，以比賽項目為依托鼓勵學生設計和應用機器人。此外，學校開展了大學生創新創業訓練計劃項目（SRP），并積極鼓勵學生參加廣東省大學生創新創業和挑戰杯等實踐活動。不少學生以機器人為主題進行創新和實踐，并取得了較好的成績。

3.加強實驗平臺的建設。“項目式”強化訓練的實驗教學方法重在實踐，離不開完善的實驗平臺。針對上述由于價格昂貴而導致“實驗平臺單一”的問題，華南理工大學廣州學院依托機械工程實驗中心的現有機器人教學資源，將其進行優化整合，建立了機器人創新實驗室，搭建了多個機器人實驗教學平臺，包括三菱和西門子PLC培訓、單片機培訓兩個基礎平臺，廣州數控機器人和日本MOTOMAN-SV3X工業機器人平臺，以及基于機器人比賽開發的智能車機器人實驗平臺。加強實驗平臺的建設，既為學生提供了基礎理論的實踐平臺，也為機器人項目式訓練和比賽項目實踐等方面提供了必要的資源。

4.優化交叉課程的教學。機器人學科綜合性很強，涉及多個學科，推動機器人實驗教學須要優化交叉課程的教學。交叉課程教學的優化能夠提高機器人實驗的教學質量，而機器人實驗課程又能為交叉課程的教學提高實驗平臺，學生能夠在機器人的實驗中驗證和運用交叉課程的知識，從而起到相輔相成的作用，形成良性循環。

華南理工大學廣州學院機械學院將機器人控制系統作為PLC和單片機強化訓練項目來開展，使得學生在PLC和單片機的學習過程中能夠借助機器人的實驗了解控制系統和理解一些較為復雜的控制原理，在完成機器人項目任務的過程中運用并進一步學習PLC和單片機的知識，因而取得了較好的教學效果。

5.著力教師素質的提高。“項目式”強化訓練的實驗教學方法不但要求教師具備有較強的動手能力和培養學生創新思維，還要求教師具備多學科知識背景，對教師有著較高的要求。為此，華南理工大學廣州學院通過多種形式著力提高機器人實驗教師的綜合素質，例如：組織教師參加機器人高峰研討會，開展各種教研沙龍和網絡教研活動，與優秀的教師團隊交流學習；組織教師前往廣州數控設備有限公司等企業進行參觀學習，了解當前市場上的機器人產品；對積極指導學生完成項目任務的教師進行獎勵，提高教師的工作積極性。

三、結語

“項目式”強化訓練的機器人實驗教學方法采用以學生為中心，教師為指導的教學模式，在整合機器人實驗資源的基礎上，通過豐富具體的項目任務帶動學生進行機器人的學習。教學實踐表明，該方法能夠激發學生的學習興趣，強化學生的知識應用，提高學生的團隊合作意識和創新能力，從而提高教學質量和教學效率。

參考文獻：

[1]雷靜桃，劉亮，張海洪.“機器人學”課程教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2013，（05）.

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中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）19-0247-01

1 引言

人形交互式服務機器人是具備人類外形特征和行動能力，并且能完成有益于人類服務工作的機器人。隨著當今運動學和動力學、系統結構、傳感技術、控制技術、行動規劃、應用工程和人工智能等學科的發展，機器人學和機器人技術也不斷發展創新。人類可以賦予機器人人類外形和人類的一些特征，使之可以更好的適應人類工作環境和更好的服務于人類，甚至成為人類親密的好朋友[1]。人形交互式服務機器人因此誕生 。近些年來對人形交互式服務機器人的研究取得了很大進展，但仍存在技術上的難點，面臨著巨大的挑戰。本文針對近些年國內國外機器人的研究現狀和發展做了總結和概括，通過分析當前關鍵技術研究，探討了人形交互式服務機器人研究思路和發展趨勢。

2 人形交互式服務機器人國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

20世紀60年代后期，人形機器人進入研究視野，最初目標是使機器人可以模仿人類進行雙足行走。1999年日本本田率先研究雙足仿人機器人的預測運動控制，并在 2000 年了首款 ASIMO 機器人[2]麻省理工研制的機器人Kismet，能通過眼、鼻、耳等處的傳感器識別外界感情信號，可以識別喜、怒、哀、樂等感情表達，并作出相應的表情動作[3]。國際上MIT 計算機科學和智能實驗室、日本本田公司機器人研究中心、德國宇航中心機器人研究室等研究機構都致力于人形交互式服務機器人的發展。

2.2 國內研究現狀

國內人形交互式服務機器人研究起步較晚，但機器人技術發展迅速。2000年國內第一臺人形雙足機器人“先行者”研制成功，可以實現前進后退，轉彎前行和手臂擺動等基本動作。西安超人雕塑研究院仿人機器人“索芙亞”具有聲音識別和眼部控制機構，實現眨眼、微笑、點頭等迎賓服務動作[4]。北京理工大學研制的“匯童”BHR機器人[5]和浙江大學研制的Wu&Kong實現與人乒乓球對打，對打回合次數高達200多回合。

3 人形交互式服務機器人關鍵技術

3.1 仿生學材料與結構

人形交互式服務機器人從仿生學角度出發，具有仿造人體生物結構、性狀、原理及其行為的特點。其中仿生學材料和結構是機器人重要的關鍵技術和組成部分，通過對生物體材料構造與形成過程進行研究和仿生，使組成機器人所用的材料具有與構成人體的生物材料強度、韌性及一些類似的生物特性，這將大大提高機器人對人工作環境的適應能力。當前仿生皮膚和人造肌肉成為機器人仿生材料領域的研究熱點。人體有諸多骨骼支撐，骨骼由關節和肌肉韌帶連接，這可以確保人體的靈活運動，對該結構的仿生是人形交互式服務機器人研究的最高目標。張永軍等根據人體上肢結構原理 ， 提出一種上肢仿生機構 ， 并針對所提出的機構進行了優化設計和運動學分析，為制造出靈巧方便的上肢仿生機構提供了理論依據[6]。

3.2 智能交互性

人與服務機器人之間的交互主要分為認知互和物理互。兩者相互作用才能完成人與機器人之間的互相配合。

3.2.1 認知互

認知互是指人與機器人通過力覺、觸覺、聽覺、視覺等感官性的接觸、肢體語言和語言交流，使機器人與人進行理解性的溝通。符合人類審美的外觀、對人類生存環境的高度適應性以及能與人類進行有效準確的信息交流、人性化的情感交互是人形交互式服務機器人最為關鍵的功能。

認知互的實現需要仿生結構、機械設計、電子傳感等技術相結合例如表情機器人，在結構設計的基礎上，建立和表情機器人結構相匹配的面部柔性體模型，利用有限元分析方法對面部皮膚柔性體模型進行分析和仿真，模擬仿人機器人的幸福、悲傷、驚奇、憤怒等基本面部表情，進而通過位移載荷，控制區域，實現人的表情動作[3]。

3.2.2 物理互

人與機器人的工作距離越來越近，兩者直接的相互接觸越來越多。當機器人本體工作時，會與人類相互接觸，這種情形稱之為物理互。為了使人形交互式服務機器人得到更廣泛的應用，機器人本體不僅需要具有友好的認知互能力，還需要具有良好的人機肢體接觸交互能力。物理互主要分為主動接觸交互和被動接觸交互。

在人機被動接觸交互的過程中，剛度控制的不合理、不準確可能會對機器人自身或者交互對象造成嚴重的損傷。鑒于此，機器人的柔順性控制值得重視。其關鍵在于被動柔順系統及柔順關節設計。如熊根良等利用關節力矩傳感器，阻抗控制策略和力反饋的軌跡規劃構成了人機交互的柔順系統，有效地降低了碰撞瞬間的沖擊力。因此，被動柔順系統及柔順關節設計值得進一步研究[7]。

3.3 安全性

人形交互式服務機器人要想長時間的存在于人們的日常生活中，就必須保證機器人使用的安全性。機器人與人發生碰撞是機器人應用過程中造成傷害的源頭。若交互時機器人不能滿足平衡性約束條件，就很容易導致機器人平衡穩定性差甚至摔倒；若人機交互時手臂采用完全的剛性控制容易導致手臂的彎曲甚至折斷。因此，為了保證人和機器人的安全，有必要對人機肢體接觸交互時的安全性問題和機器人平衡性問題進行深入研究[8]。

關于碰撞檢測與碰撞避免的研究說明百分之百的避免碰撞很難做到，因此必須有其他安全保證策略。通過設計輕型機械臂、被動柔順系統、設計柔順關節、設計被動機器人系統等方式，可以增加機器人的安全性。提高機器人認知性以及設計合理的交互控制參數也是提高機器人安全性的重要途徑。

4 人形交互式服務機器人發展趨勢

人形交互式服務機器人發展迅速，應用前景廣闊，并已取得一定的研究成果，但仍然存在著一些技術上的難題，比如，如何提高機器認本體交互功能準確性、智能性、靈活性，如何控制智能交互性和物理交互性的相互協調，以及如何保證機器人使用的安全性的問題等等。因此，人形交互式服務機器人的發展應以認知互為前提，物理互為目的，并使兩者相互配合、相互協調。例如在觸覺傳感器感知外界環境特性（軟和硬），語音識別判斷交互需求的基礎上，機器人可進行物理互時的柔順性控制。人形交互式服務機器人發展趨勢有以下幾點：

（1）將傳統材料、結構與仿生學材料、結構有機結合，提升機器人對環境的適應能力。

（2）深入研究開發傳感器技術，提升傳感器精度，為機器人的結構提供基本技術基礎。

（3）深入研究柔順性技術，并由剛性結構向剛性結構與柔性結構相結合的一體化結構發展。

（4）通過開發新型材料和控制技術來減小碰撞對安全性問題的不利影響。

相信隨著理論水平的不斷提高和關鍵技術的創新開發，上述問題會得到一一解決，人形交互式服務機器人的整體性能將更加全面，工作效率將進一步提高。

參考文獻

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[4]楊杰. 擬人機器人頭部設計與嗅覺系統研究[D]. 河北工業大學， 2006.

[5]艷濤. 匯童機器人第4、5代集體亮相[J]. 機器人技術與應用， 2012（4）：44-44.

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【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009―8097(2009)07―0138―02

一 前言

近年來,我國的機器人教育有了很大的發展,機器人技術課程逐步成為高校綜合性實踐課程[1]。在傳統的教學方法中,我國機器人教育普遍存在著重視知識傳授、輕視能力培養,重視理論教學、輕視實踐環節的問題,使得學生只滿足于死記硬背知識點,沒有注重學生獨立動手能力、綜合分析問題和解決問題能力的培養[2]。

在實驗和實踐教學方面,機器人課程的實驗教學基本上是圍繞基礎理論的驗證性實驗,缺少設計性和綜合性實驗,不能給學生提供一個創新意識自由發揮的空間。學生很少有機會進行思考和創意,創新意識和創新潛能無法得到充分的培養[3]。

因此,對機器人技術課程的實驗教學改革與探索是非常必要的,而德國慧魚模型的出現,為機器人實驗教學改革提供了良好的載體。

二 慧魚模型簡介

慧魚模型是由德國發明家Arthur Fischer博士在1964年從其專利“六面拼接體”的基礎上發明的[3-4]。慧魚模型是由機械構件、電氣構件、傳感器、氣動構件、電腦控制器及軟件所組成的系統[5];模型采用模塊式設計,可無限擴充,可反復拆裝;產品系統化,種類多樣化,可逼真地表現機械系統的構成和控制過程及科學原理,便于對機器人原理、組成、控制的全面認識;以機械傳動為核心,融傳感器技術、計算機技術、自動控制技術、機器人技術為一體的教學及仿真模型。該智能模型能夠展示科學原理和技術過程,緊密聯系研究設計和生產實踐過程,不斷創新,不斷發展,學生可以通過自己動手搭建機械、氣動、傳感器部件,熟悉并掌握機器人產品的結構、工作原理,并可在此基礎上利用PLC、計算機接口或單片機接口板進行自動控制,培養學生將所學知識交叉融合、用于解決具體問題的能力,同時培養學生的動手能力、創新能力。該模型也代表了高科技的許多領域,受到國內外各地教育工作者的關注和思考。

三 慧魚模型在機器人實驗教學中的應用方案

東北林業大學工程技術學院2006年購進慧魚模型,建立機器人創意實驗室。結合機器人技術課程的教學安排與慧魚模型的特點,將機器人實驗在內容上分為以下五部分:機器人技術入門實驗、移動機器人實驗、氣動機器人實驗、仿生機器人實驗和工業機器人實驗。實驗分為必選和選修兩部分內容,將機器人入門實驗列為必選實驗,機器人基本的實驗原理、編程及控制方法在必選實驗中得到訓練,使學生了解慧魚機器人的制作與控制過程,激發學生的創新意識;將難度較大的移動機器人實驗、氣動機器人實驗、仿生機器人實驗、工業機器人實驗列為選修實驗,學生可根據興趣進行選擇,通過對各種專用機器人的制作與控制,進一步發揮學生的創新意識,提高學生的動手能力。

每個實驗的完成過程大致按三個階段進行:首先是模仿學習階段,學生通過對提供的資料、圖片、教具進行觀察、研究和琢磨,進行自主的學習模仿性實驗,獲取大量感性認識,根據實驗指導書上的提示制作慧魚機器人,學習各種經典的機構組合方式,結合電腦語言編程,對設計的機器人進行編程和控制;第二階段是改進階段,在已制作好的機器人基礎上進行改進,使之實現更多地動作,培養想象力和創造力;第三階段是創新階段。擺脫實驗指導書的束縛,創造出具有新的機構和功能的機器人。

四 移動機器人實驗創意組合實踐

如何利用慧魚模型進行機器人的創新實驗,如何能使學生的創意得到很好的發揮,是在進行實驗課程之前值得認真思考的問題。東北林業大學工程技術機器人創意實驗室通過實施模仿、改進和創新三個階段,完成慧魚模型組合的三個過程,取得了良好的實踐效果。下面以移動機器人創意實驗為例,介紹慧魚模型在進行機器人實驗教學改革的實踐過程:

1 基本知識的準備。首先引導學生熟悉慧魚模型的各個模塊功能,復習機器人技術、傳感器、微機原理和Robo Pro編程等一些基本知識,為進行機器人創意實驗設計打下基礎。

2 主要實驗器材的準備。各實驗小組準備慧魚移動機器人組合包一套、慧魚專用電源一套、PC機一臺、Robo Pro軟件一套、智能接口電路板一塊。

3 題目擬定。起初學生對慧魚模型不了解,首先由老師確定題目:運行小車。采用兩個傳感器檢測所行距離,含有一個接觸開關和一個脈沖齒輪,脈沖齒輪連接到電機的減速軸上,使得電機開關啟動四次。要求學生通過計算所有脈沖邊沿,使運行小車能夠實現以邊長為一米的正方形軌跡行走功能。該題目集機、電、控制、傳感技術和機器人技術為一體,構思與組裝具有一定的創意。

4 方案的改進階段。在運行小車制作完成之后,啟發學生在此基礎上進行改進,制作一個類似于工廠AGV車的追蹤軌跡機器人。學生通過了解AGV小車的運行原理,采用黑色膠帶作為軌跡,車身下安裝光電傳感器,當傳感器反射出黑線,馬達就會做出相應的反應。在實驗過程中,應注意軌跡的轉彎不能太急,否則機器人會出現因看不到軌跡而頻繁偏離軌跡的現象。同時,為了保證傳感器功能的準確性,應保證軌跡有足夠的亮度。

5 方案的創新階段。要求學生開動腦筋,依據自己的想法組合出新的移動小車。有的同學根據追蹤軌跡機器人的運行原理,又增加了新的功能,設計出尋光避障機器人,該機器人將尋光和避障的功能結合起來。首先,機器人尋找光源,發現光源,進行跟蹤,如果探測到妨礙其前進的障礙物,識別障礙的功能將開始起作用,當障礙全部掃光,機器人繼續尋找光源前進。該方案將進行尋光功能的光電傳感器連接到兩個輸入端,當模型向左右旋轉時,采用接觸傳感器計算脈沖。該任務主要分成三部分:檢測機器人是否看到光源(子程序Light),檢測機器人是否碰到障礙(子程序Obstacle),機器人鑒于上述判斷功能的相應反應動作(子程序Driving)。該方案的完成不僅鍛煉了學生的創新能力和動手技能,同時訓練了學生“自頂而下”的編程思想,收到良好的效果。

五 應用慧魚模型進行機器人實驗教學的收獲

通過利用慧魚模型進行機器人實驗教學改革,得出一些收獲與經驗:

1 由于慧魚模型的自身特點,通過模型的搭建和組裝,提供了一種特殊的學習模式,即一邊動手制作,一邊學習相關知識,在機器人制作過程中,每時每刻都會出現新的問題,明確的目標激發學生主動去尋找答案,培養學生的動手能力、解決實際問題能力和創新設計能力。而且,由于慧魚模型要求學生完成創意設計,許多內容超出教材甚至超出教師的知識范圍,因此必然敦促教師自身的再學習和提高。有了教學實踐中師生共同探討問題的經歷,學生有問題愿意找老師答疑和探討,可形成一種互相學習、互相促進的新型師生關系。

2 在進行慧魚模型的組裝和創意過程中,應以學生動手實踐為主,教師為輔。教師不要過多地干預學生的思維,給學生充分思考和創新的空間,盡量創造一個使學生的潛能得以充分發揮的環境,使學生的特長得以展示,能力得以提高,而且逐漸養成“不墨守成規,不拘泥于傳統”的思維習慣。

3 教師應用最簡潔的方法教會學生使用慧魚控制軟件,避免學生在軟件上遇到過多的障礙。由于實驗課的課時有限,教師應將準備工作做好做細,將軟件的使用方法和要點提前向學生講授,使學生在軟件學習上不要花費太多的時間,重點將程序編制中對學生創新思維和創新能力的培養放在程序的邏輯關系、時間分配和控制方法上。

4 加強慧魚零件的管理。慧魚模型在使用的過程中,普遍存在著一個問題:慧魚構件種類繁多,形狀細小,容易出現丟失的現象。在實驗課中,如果構件使用不當或管理不嚴,經常會出現損失和丟失構件的現象,而且有的構件一套組合包中就只有一個,在這種情況下,無法從廠家購買一個或兩個單獨的構件,可能會出現為購買一個構件而需要購買整套模型的現象。因此,在進行慧魚創意組合實驗課之前,應思考如何有效地管理慧魚構件的問題。

六 結語

在應用慧魚模型進行機器人實驗教學過程中,學生將綜合應用到機械原理、氣動技術、電子電路、測試及控制和軟件編程等知識,而且慧魚模型的組建沒有特定的標準答案和固定的模式,不受教材制約,不需要反復記憶和練習,因而學生完全在一個開放性的環境中進行自主式的探索和研究,鼓勵學生積極思考,開創學生之間、師生之間進行平等討論的良好環境,可建立自主學習的研究氣氛和學習方法。因此,通過采用慧魚模型對目前機器人技術的實驗教學體系進行改革,可以體現“以學生發展為本,以能力發展為主”的現代教育理念,是一條探索培養學生創新能力的有效途徑。

參考文獻

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關鍵詞：

10kV配電線路；帶電搶修；機器人實用化

對傳統的10kV配電線路搶修作業進行分析可知，其不僅需要全線停電，而且還需人為檢查線路故障，在增加維修成本的同時，也為地區人們的生活帶來了較大不便。基于此，將10kV配電線路帶電搶修作業機器人引入線路的故障處理過程中，確保供電持續性的基礎上，提高線路搶修的可靠性和安全性，具體設計如下。

1帶電搶修機器人系統構成

對帶電搶修機器人進行分析可知，其主要包括了整體作業平臺、折疊伸縮絕緣手臂以及移動汽車和控制裝置等部分，其中，整體作業平臺主要由絕緣斗以及機械手臂絕緣子支承和機器人操作系統構成，其功能主要是為搶修人員提供作業平臺[1]。折疊伸縮絕緣手臂設定在移動汽車底盤，主要任務將運送機器人作業平臺至線路作業的具置。移動汽車主要負責運送其他三部分到具體故障地點進行線路搶修，而控制裝置則主要由上、下兩部分組成，其中，上部控制裝置位于機器人作業平臺中，具有全方位操作手柄，實現絕緣斗內部的流暢操作，下部控制裝置則位于回轉塔處，設有上部控制裝置切換按鈕，實現上下兩部分控制裝置的功能切換。

2主從操作液壓機械臂及控制系統

主從操作液壓機械手臂是10kV配電線路帶電搶修機器人的核心，其主要作用是將作業人員同高壓電場進行分離，幫助搶修人員完成作業任務，故其應具備精度高、持重大以及自重小和實時性與穩定性好等特點。對其各部分構成進行如下說明：（1）液壓機械臂。液壓機械臂自重較輕且持重較大，具有良好的動力特性，操作靈活便捷，通過操控主手臂實現專用工具的夾持功能，以完成帶電作業任務；（2）主手。主手的拓撲結構與液壓機械臂相同，主要功能為實現對從臂各關節位置的伺服控制，由于主手的各個關節處大都具有較高精度的旋轉電位計與力矩電機，故能夠幫助操作者獲得最大的操作舒適性，提高對液壓機械手臂的控制效率和精度；（3）液壓供油單元。液壓供油單元是帶電搶修作業機器人液壓系統的動力源，而為了避免其靈敏度受到油損影響，必須對液壓油進行過濾處理，處理要求為：流量11L/min；壓力：10.3-20.6MPa，液壓油清潔度為3-25maf；（4）主從控制系統。主從控制系統是液壓機械臂實現搶修動作的關鍵，位于絕緣斗中的操作人員左右兩手分別操控左右兩主手，使其克服各關節力矩和電機阻力進行聯動，位于左右兩主手的各關節電位計把發生在各關節軸的旋轉角轉化為電壓信號，并傳送至左右微控制器中，微控制器經由光纖將信號傳至左右液壓伺服控制盒，在伺服控制盒的作用下，旋轉角度的電壓信號將實現對左右機械臂伺服閥的控制，從而變更進入從手中各個關節的液壓流量，向左右手臂各個關節施加驅動力，驅動關節運動[2]。

310kV配電線路搶修作業機器人專用作業工具

3.1自動剝皮工具考慮到現有10kV架空導線長期在外，受外部環境影響嚴重，外層絕緣層難以剝除，從而增加線路搶修的難度，而以人工操作為主的線路搶修不僅絕緣防護較差，而且效率較低，安全性較差。因此，所設計的10kV線路帶電搶修機器人的自動剝皮器需要具備結構簡單、安全性高和作業效率高等相關特點。設計由直流減速電機、連桿、曲柄、搖桿以及棘爪、棘輪和刀頭等構成的作業機器人自動剝皮工具，在實驗室搭設加工導線，并現場模擬自動剝皮功能，此類機器人自動剝皮工具不僅能夠為機械手的夾持操作提供便利，而且其壓線也極為牢固，有利于其自動剝皮功能的實現[3]。

3.2自動電動扳手對電動扳手進行分析可知，其在10kV配電線路帶電搶修過程中具有緊固螺母和夾緊線夾的作用，其主要分為安全離合器式與沖擊式兩種類型，其中，安全離合器式電動扳手以一種手臂達到力矩時便脫扣的安全離合機的結構完成對螺紋件的裝拆，而沖擊式電動扳手則與沖擊力力矩完成螺紋件的裝卸。將自動電動扳手引入帶電作業的機器人中不僅有利于加持操縱，而且經改造后，其還可以用于扭轉M8-M14的標準螺栓，并實現遙控控制。在工作頭方面，選用柔性導向扳套，其開口形狀同固定螺栓頭尼龍導向柱相匹配，從而在緊固螺栓的過程中，便于其工作頭與豎直方向的六角螺栓頭相對準，提高操作精度[4]。

3.3自動破螺母與電動斷線鉗對于10kV高壓線路中已生銹或是無法拆卸的螺母，應以電動破螺母為主要工具進行操作，其主要由電動機、傳功機構以及工作頭、電源開關和外殼、手柄、電池等相關部件構成。電動破螺母將高能量電池作為其主要動力來源，不僅重量較輕，而且對于輸配電桿塔的高空作業也具有較強的適應性。通常，自動破螺母工具設計較為緊湊，且使用較為便利能夠對破螺母的大小予以調節，從而以360°可旋轉工作頭支持機器人不同破螺母作業角度的運轉。在電動斷線鉗方面，其主要由電動機、傳功機構以及工作頭、電源開關和外殼、手柄等部分構成，電動斷線鉗的使用應以夾持操縱的便利性為主，并在斷線鉗工具中設計專門的機械手夾持機構，并將控制盒置于電動斷線鉗傳統部分的尾部，從而實現斷線鉗的遠程遙控。

3.4絕緣防護絕緣防護是確保機器人能否正常作業的基礎和前提。多數情況下，應采用多級絕緣防護系統確保機器人和操作人員的安全，其中，一級防護下，平臺由纏有環氧玻璃布的絕緣鋼結構支架進行焊接而成，并在底部粘有絕緣環氧玻璃板，并將絕緣套予以外包，避免相間短路情況發生。二級防護下，機器人的帶電作業依賴絕緣斗臂車為操作人員提供對絕緣防護，確保操作人員安全；三級防護下，位于絕緣斗中的操作人員對機械臂進行遠程操控，使其夾持專業工具進行高壓線路作業，確保操作人員的人身安全。在帶電搶修機器人作業方面，2013年在黑龍江電力公司10kV配電線路中進行多次上線運行與下線測試，在現場的多次調試與系統優化后，作業機器人各項功能均得到了良好改善，黑龍江電力公司帶電作業班多次應用帶電機器人對省內10kV高壓電線路進行搶修作業，較好地完成了剝皮、加蓋遮蔽罩以及接線和斷線等工作。

4結束語

文章通過對帶電搶修機器人系統構成進行闡述，并對帶電搶修作業機器人液壓機械臂構成及其控制系統原理予以說明，分別從自動剝皮、自動電動扳手、自動破螺母與電動斷線鉗和絕緣防護等方面對10kV配電線路搶修作業機器人專用作業工具做出了系統探究。研究結果表明，10kV配電線路搶修作業機器人能夠較好地實現對10kV線路的各類優化作業，具有良好的使用和推廣價值。

參考文獻

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AGV是自動導引運輸車（Automated Guided Vehicle）的英文縮寫。在國內電力領域已經開始研制變電站自動巡檢機器人，這種機器人系統一般主要有移動機器人本體、自動控制系統、信息檢測系統等部分。其采用了GPS定位、光碼盤校正定位、激光雷達掃描、路徑跟蹤技術、本體控制技術、臨場感應遙控輔助、無線通信局域網和物聯網等技術劃分出相應的子系統模塊，實現了自控機器人在變電站現場自主巡檢的功能。機器人本體能夠攜帶多種儀器和傳感器，以自主或遙控的方式，代替人對室外高壓設備進行巡測，及時發現電力設備的內部熱缺陷、外部機械或電氣問題如：異物、損傷、發熱、漏油等，診斷電力設備運行中的事故隱患和故障先兆，對設備熱缺陷，聲音異常、移動目標、人與動物闖入，煙霧能自動判斷和報警，以便及時采取措施消除事故隱患。AGV 的導引技術是AGV 控制的核心技術，它決定了AGV 的導引方式。AGV 導引方式按導引線路的形式主要分固定路徑導引和自由路徑導引兩大類。固定路徑導引是在行駛的路徑上設置導引用的信息媒介物，AGV 通過車體上的傳感器檢測出它的信息而得到導引。具體的線路可以是電磁感應方式中的導引電纜、機械方式中的軌道、磁導引方式中的磁條及光導引方式中的反光帶等。自由路徑導引方式是指AGV 上存儲著布局上的尺寸坐標，通過識別車體當前方位，自主地決定行駛路徑。自由路徑導引方式主要有慣性導引、信標定位、位姿積算及計算機視覺等幾種。

一、導引方式

（一）電磁導引方式。利用電磁感應的原理，在沿運行線路的地面上設置一條寬約8mm、深約20mm 的淺溝，淺溝中敷設導線，饋以5-30kHz 的交變電流，以形成沿導線擴展的交變電磁場，車上的撿拾傳感器接收此信號，并根據信號場強度的判斷使車輛正確地沿埋線跟蹤導向運行。電磁導向有單頻制導向和多頻制導向兩種方式。單頻制方式是在整個線路上均提供單一頻率振蕩電磁信號，通過接通或斷開各線路段的饋送電流來規定運行線路，引導車輛運行。這種導向方式要求有集中的控制站，并在各線路交叉和分支處裝設傳感標志（如磁鐵等）和分支線段的通斷接口。多頻制方式是線路中每個環線或分支線都設置自己的線路頻率，分別由不同頻率的振蕩器來饋電。

（二）光學控制帶導引方式。光學導向系統有識別式和反射式兩種。它是在線路上敷設一種具有穩定反光率的專門漆帶。導向車上裝備有發射和接收功能的紅外光源，用以照射漆帶，同時還設有接收反射光的光電傳感器，均勻分布在漆帶及兩側位置上，通過對由傳感器檢測到的光信號進行比較計算，調整小車的運動方向，從而達到導向運行的目的。

（三）激光測距與測角導引方式。該方法的主要特點是在AGV 行走空間的特定位置處，布置一批激光光束的反射鏡模型計算AGV 的位置，實現引導。AGV 行駛過程中，車上的激光掃描頭不斷地掃描周圍環境，當掃描到行駛路徑周圍預先垂直設定好的反射板時，即“看見”了“路標”。只要掃描到三個或三個以上的反射板，即可根據它們的坐標值，以及各塊反光板相對于車體縱向軸的方位角，由定位計算機算出AGV 當前在全局坐標系中的X 、Y 坐標，距離和當前行駛方向與該坐標系X 軸的夾角，實現準確定位和定向。該導引方法的特點是，當提供了足夠多反射鏡面和寬闊的掃描空間后，AGV 導引與定位精度十分高，地面無需其他輔助定位，且路徑靈活，適合多種環境。

（四）超聲波制導方式。該方法類似于激光測量方法，不同之處在于不需要設置專門的反射鏡面，而是利用一般的墻面或類似物體就能進行引導，因而在特定環境下提供了更大的柔性和低成本的方案。

（五） 磁導引方式。這種方式和電磁導引比較類似，只是把導引線換成磁條。

（六） 視覺導引方式。視覺導引是通過CCD 攝像機生成AGV 周圍場景的圖象，與計算機系統中存儲的環境地圖進行特征匹配，從而可以確定出車體的當前位姿。

（七） GPS導引方式。GPS導引方式通過全球定位系統對非固定路面系統中的控制對象進行跟蹤和制導。

AGV有以上多種制導原理，其中，工廠AGV 大多采用電磁制導，而激光、視覺導航具有引導柔性好、工作可靠和智能化水平高的特點，已成為技術先進、性能優越AGV 的發展趨勢。實驗室一般采用光學制導，其運行范圍大，運行精度高，地面費用低，但要求工作環境清潔，不適于工作條件比較惡劣的環境。

二、系統構成和意義

AGV控制系統中的三個主要技術：導航、路徑規劃和導引控制。為了能夠解決好這些問題，控制系統分為地面（上位）控制系統、車載（單機）控制系統及導航/導引系統，其中，地面控制系統指AGV系統的固定設備，主要負責任務分配，車輛調度，路徑（線）管理，交通管理，自動充電等功能；車載控制系統在收到上位系統的指令后，負責AGV的導航計算，導引實現，車輛行走，裝卸操作等功能；導航/導引系統為AGV單機提供系統絕對或相對位置及航向等。該系統的研制將大大降低電廠變電站相關工作人員的勞動強度，能在第一時間監測和發現安全隱患，對突發事故能第一時間響應并處置，從而避免或降低事故風險。

參考文獻：

[1]葉菁.磁導式AGV控制系統設計與研究[D]武漢理工大學 ， 2006 .

篇（10）

關鍵詞：機器人；實驗教學；轉臺；開放性

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）24-0267-02

一、機器人課程實驗教學存在的主要問題

高校機器人課程是一門多學科綜合交叉的邊緣學科。隨著中國制造的產業化升級和“中國制造2025”政策的，對機器人領域的專業人才需求量越來越大，機器人教學應當積極應對這一變化，順勢而為。針對高校機器人課程教學中存在的問題，已有很多相關的研究和探索，旨在改進課程教學方法，提高教學質量。然而，機器人課程實驗教學仍然存在諸多問題，包括實驗儀器開發、實驗方法研究和實驗室建設等，僅靠教學人員或實驗人員均無法獨立解決。筆者多年從事機器人教學和實驗發現：首先，組成機器人的機械、控制和感知系統對應的知識內容相互孤立；其次，機器人教學、科研和應用開發等用途之間相互孤立。二者分別對應微觀、宏觀兩個層面的“孤島效應”，制約了學生對機器人課程關鍵知識的理解和吸收，無法形成完整的閉環。現有的機器人實驗教學儀器存在功能、開放程度、與課程體系的結合程度等方面的不足，無法滿足新形勢下機器人實驗教學要求。為此，自主研制了一款開放式可升降雙軸隨動轉臺。該轉臺獲得了安徽省首屆高等學校自制實驗教學儀器設備展評活動一等獎和第四屆全國高等學校自制實驗教學儀器設備評選活動三等獎。

二、開放式可升降雙軸隨動轉臺的研制

該轉臺是一款由可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制的三自由度云臺，由機械系統和控制系統組成。通過在轉臺上安裝視覺傳感器，可以進行運動物體檢測與跟蹤。

1.機械系統。由升降、偏航和俯仰機構組成。升降機構使用電動缸帶動轉臺在豎直方向上直線移動。偏航、俯仰機構使用直流伺服電機經諧波減速器減速和同步帶傳動后，分別繞豎直、水平轉軸做回轉和旋轉運動。在水平轉軸上安裝了視覺傳感器，通過轉臺的運動，實現多視角圖像采集。

2.控制系統。底層控制器為西門子S7-1214 PLC及其擴展模塊，用于進行電機控制、編碼器數據采集和輸入輸出控制等。上位機使用筆記本電腦，用于進行視覺傳感器圖像采集與處理、以及三自由度運動插補計算。為了跟蹤運動物體的方位，使其始終處于圖像中心位置，使用插補算法，計算每個自由度的關節變量。最后，通過以太網通信，將計算值傳遞給PLC，控制轉臺的運動，并返回編碼器數據。為了便于調試，分別使用電子手輪、無線遙控手柄進行精確、粗略手動控制，并使用觸摸屏進行控制參數設置和運動狀態監測。該轉臺既是教學、科研實驗臺，同時也是一款具有實用價值的機電產品。

三、轉臺在機器人實驗教學中的應用

為了配合機器人本科課程教學，結合開放式可升降雙軸隨動轉臺的功能和特點，開展了以下機器人實驗教學內容。

1.底層運動控制實驗。使用PLC進行轉臺的底層控制系統設計，繪制電氣控制原理圖。使用順序控制設計法，編寫相應的控制程序，進行轉臺運動控制實驗。學習用于控制步進電機、直流伺服電機的PLC程序設計及相關運動功能模塊。進行電機的位置、速度控制實驗和PID參數調整實驗，設計相應的手動輸入裝置和人機交互裝置。

2.傳感器實驗。內部傳感器實驗：使用光電編碼器測量電機轉角。利用PLC的高速脈沖輸入端口和程序中的高速脈沖計數器，進行升降、偏航和俯仰電機對應的編碼器脈沖數據采集和處理。另外，為了精確測量轉臺每個轉軸的零點位置，通過增加使用增量式光編碼器，檢測編碼器的Z信號，設計相應的零點檢測程序，進行轉臺自動回零點實驗。外部傳感器實驗：使用視覺傳感器進行運動物體測量。在轉臺的U形架上安裝視覺傳感器，使用筆記本電腦進行圖像采集和處理，進行計算機視覺算法實驗，包括物體顏色識別、邊緣輪廓提取和中心位置提取等，從而檢測視角范圍內運動物體的位置。

3.機器人控制實驗。研究機器視覺算法和多軸協調運動控制，進行運動物體檢測與跟蹤實驗。多軸協調控制實驗：在使用手動方式控制轉臺運動時，升降、偏航、俯仰運動各自獨立進行。為了讓轉臺上安裝的傳感器或末端執行器能夠在三維空間中任意運動，在筆記本電腦上進行軟件編程，協調控制升降、偏航和俯仰電機的運動。分別進行雙軸旋轉協調控制和三軸協調控制實驗，實現多軸運動插補控制。運動物體檢測與跟蹤實驗：將具有顯著顏色或幾何形狀特征的物體放在轉臺前方，通過手拿該物體任意運動，使用視覺傳感器檢測該物體，計算該物體的位置和運動速度，然后使用插補算法計算轉臺每個轉軸的角度。將轉臺每個轉軸的轉角、轉速信號通過以太網傳送給底層控制器，由PLC分別控制轉臺的每個轉軸運動，從而使視覺傳感器始終對準該運動物體的中心位置，實現自動跟蹤功能。上位機控制軟件設計實驗：在筆記本電腦上進行Windows程序設計，進行檢測、路徑規劃和插補計算，通過以太網通信將控制數據發送給底層控制器，并返回編碼器測量值，監控轉臺的實際運動情況。設計圖形化軟件界面，模擬轉臺的三維動態變化過程。本科生通過參加轉臺實驗，進行轉臺的控制系統和軟件設計，可以從系統的角度理解如何自動控制機械部件的運動，并利用外部傳感器實現完整的閉環控制。本文設計的基于視覺傳感器的運動物體檢測與跟蹤，僅是轉臺的典型應用示例。學生只要獲得底層運動控制器的通信接口規范，即可進行不同用途的應用開發。因此，該轉臺可以鍛煉學生的邏輯思維、系統性思維和發散思維能力，培養學生解決復雜工程問題的能力。

四、結論

針對機器人課程教學和實驗過程中系統性不強、聯系不緊密等問題，設計了一款開放式可升降雙軸隨動轉臺，通過在轉臺上安裝視覺傳感器，實現運動物體檢測與跟蹤功能。該轉臺可以提供底層運動控制、傳感器實驗和機器人控制實驗，適用于本科生機器人實驗教學，具有很好的開放性和推廣價值。

參考文獻：

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[3]容愛瓊.“項目式”強化訓練的機器人實驗教學方法.教育教學論壇，2016，（8）.

篇（11）

摘要：針對智能科學與技術新興本科專業建設過程中缺乏能夠突出專業特色，體現課程內容連貫性的實驗教學問題，提出“空地一體化多機器人協調控制”智能化特色實驗教學內容，介紹如何以引導學生通過分組協作的方式進行實驗，增強其對分布式部署的飛行與地面移動機器人系統的控制、通信、規劃、協調等相關技術的了解與掌握。

關鍵詞 ：智能科學與技術；特色實驗；機器人；空地一體化；多機器人協調控制

基金項目：南開大學2014年新專業建設立項項目；南開大學2014年本科重點教學改革項目。

第一作者簡介：王鴻鵬，男，副教授，研究方向為智能機器人技術，hpwang@nankai．edu．cn。

0 引言

“智能科學與技術”專業是一個新興的交叉學科專業，需要不斷完善專業建設和深化教學改革，既要注重加強學生的綜合素質，也要注重培養學生的特色專業能力，從而將學生的跨學科知識轉化為綜合實踐創新能力。

我們所探討的智能化特色實驗教學，是通過建設分布式部署的飛行與地面移動機器人系統，構建多機器人／多智能體協調控制實驗平臺，指導學生進行分組研發與實驗，將智能技術、智能工程等課程中所講授的人工智能、機器視覺、機器學習、智能計算、復雜系統控制等內容納入到本實驗教學中，促進專業課程教學內容之間的有效銜接，啟發學生的科學研究思維，提升技術研發能力。

1 智能化特色實驗的開設時機

南開大學“智能科學與技術”專業始建于2005年，首屆本科生于2010年畢業。在10年發展歷程中，智能科學與技術專業借助于南開大學文理并重，基礎寬厚的學科優勢，以及發展現代工學、突出應用與創新的辦學特色，依托于計控學院自動化與智能科學系、機器人與信息自動化研究所、計算機科學與信息安全系等單位，在課程體系設計、教材建設、專業實踐等方面均取得了長足的進步，目前已培養出5個年級的具有光、機、電系統綜合知識、具備較強適應能力、能夠在相應領域從事科研、開發、管理工作的高級工程技術人才，學生畢業后去向較為理想。

在智能科學與技術專業的課程體系方面，南開大學近年來將“智能技術”課程調整為“機器視覺”“機器智能”兩門專業必修課程，分別安排在二年級下學期與三年級上學期，在三年級下學期安排“智能工程”“機器人學導論”專業必修課程，以及“智能移動機器人導論”英文特色選修課程。

為加強學生實踐環節與擴大學校的國際交流，從2013年開始南開大學實行夏季小學期，我們所設計與開展的“空地一體化多機器人協調控制”實驗已納入到開設于大三夏季小學期的“智能專業實踐”特色課程中，在4周時間里集中進行。此時學生已經掌握自動控制原理、現代控制論、計算機數據結構等自動化、計算機相關課程與機器視覺、機器智能、智能工程、機器人學等智能專業特色課程知識，這些知識的學習與能力的訓練為學生進行智能化特色實驗奠定了理論與實踐基礎。

“空地一體化多機器人協調控制”實驗能夠增強學生對分布式部署的飛行與地面移動機器人系統的控制、通信、規劃、協調等相關技術的了解與掌握。學生們可以將該實驗課程所掌握的技術進行延伸，既可以與“國家級大學生創新訓練計劃（國創）”“本科生創新科研百項工程（百項）”等大學生創新項目與“華為杯中國大學生智能設計大賽”等智能專業特色競賽相結合，也可以在四年級繼續進行智能系統方面的本科畢業設計，激發學生的創新性設計與實現的熱情。

2 智能化特色實驗的內容設置

“空地一體化多機器人協調控制”智能化特色實驗主要由飛行與地面移動機器人、網絡通信系統、協調控制系統組成。南開大學智能科學與技術專業利用2013年度新專業建設經費采購了8臺地面移動機器人平臺，利用2014年度新專業建設經費采購了14臺多旋翼無人機飛行實驗平臺，基本上構建起一套能夠支持40名本科學生分組研發、聯合調試的綜合性實驗平臺。

本試驗中學生所要實現的協作機器人系統是由多個具有一定智能的自治機器人組成，機器人之間通過網絡通信的方式實現相互間的協作以完成聯合探索與建圖等復雜的任務。學生首先實現單個飛行或地面移動機器人的飛行控制與視覺檢測，然后建立分布式多機器人系統的通信網絡，最后進行多機器人系統的協調控制，如圖1所示。

我們建議在開展實驗時，每個機器人系統安排2名學生，分別負責飛行控制與視覺檢測；通信網絡系統共安排2名學生進行網絡設計與程序開發；協調控制系統安排2名學生進行算法設計與程序開發，該實驗平臺按照2個飛行機器人與2個地面移動機器人的最簡配置，可組織8名學生進行聯合實驗，更多的學生也可以通過增加機器人數量、各小組增加人數的方式參與到實驗教學中來。

2.1 飛行與地面移動機器人系統

移動機器人控制技術是智能專業本科生需要掌握的核心技術之一，本試驗所選用的移動機器人系統包括了多旋翼無人機實驗系統與輪式移動機器人實驗系統，每臺機器人均配備了網絡攝像機用于進行圖像采集與視覺伺服。在飛行機器人方面選用了DJIS1000型8旋翼無人機平臺與3DR-IRIS4型4旋翼無人機平臺，兩種平臺有側重，8旋翼無人機平臺上搭載了可控自穩云臺與高能微單相機，主要引導學生進行視覺SLAM方面的實踐；4旋翼無人機平臺選用的是開源飛行控制系統，主要引導學生進行無人機飛行穩定性控制方面的實踐。兩種無人機平臺均具備自主飛行與視頻圖像采集的能力。在地面移動機器人平臺方面，選用了QBot輪式移動機器人系統，學生可以基于MATLAB控制機器人和網絡攝像機。

2.2 網絡通信系統

通信是各機器人之間進行交流和協作的基礎，本實驗采用基于無線局域網的多機器人通信平臺，學生應設計基于TCP/IP協議簇的網絡模型，以Ad hoc方式組建基于移動自組網的多機器人通信網絡，進行聯合搜索與建圖。

2.3 協調控制系統

本實驗采用分布式的在線規劃方法來進行多移動機器人的運動協調，實驗任務是多個機器人共同完成一個現場環境下的聯合搜索與建圖任務，學生實驗中要學習與體會多機器人體系結構設計、機器人自主定位、多機器人協調協作機制等技術，并通過編程方式加以實現。

3 特色實驗與課程體系的結合

智能化特色實驗教育的目的在于培養學生在智能系統設計與分析方面的能力，“空地一體化多機器人協調控制”實驗涉及學生在多門專業課程中所學習到的知識與技能。學生可以從自動控制原理、機器人學導論、智能移動機器人導論等課程中學習到對行或地面移動機器人的控制與編程；從機器視覺課程中可以學習到對機載網絡攝像機的應用技術，包括攝像機標定、圖像采集與分析、主動視覺技術等知識；從機器智能課程中可以學習到對機器人與環境知識的描述、空間搜索與路徑規劃、基于學習方法的視覺識別、多機器人協調控制等知識；從智能工程課程中可以學習到如何分布式復雜智能系統設計、研發中的相關技術問題。

4 結語

智能科學與技術專業的“智能專業實踐”課程采用大三小學期集中授課的方式，學生能夠利用4周時間通過分組研發，協作實驗的方式完成一個較大規模的綜合性實驗。我們所提出的“空地一體化多機器人協調控制”智能化特色實驗可以使學生們綜合運用在基礎性課程與特色專業課程中所學到的知識，根據個人興趣選擇開發模塊，共同實現一個分布式復雜系統的協調控制任務。

設計與開展智能化特色實驗能夠突出智能專業特色，促進專業課程教學內容之間的有效銜接，今后我們將在所提出的“空地一體化多機器人協調控制”進行效果評估的基礎上，總結經驗并進行示范，促進智能化特色實驗教育工作開展，深化教學改革與技術創新。

參考文獻：

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