牛国臣

（中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300）

0 引 言

当今世界教育正在发生革命性变化，教育模式、教育内容正发生着变革，这对当今教育工作者提出了很高的要求，对实现教育现代化提出了前所未有的新任务、新要求[1]。国家教育事业发展“十三五”规划强调了学生动手实践能力，指出高校要充分注重创新型、复合型、应用型和技术技能型的培养，从而增强国家核心竞争力[2]。

当前，人工智能逐渐渗透到社会的各个领域，引起教育形式、社会生活和工作方式的深刻变革[3-6]。很多高校正大力推进机器人教育教学工作，让每位学生真正体会到当今技术发展带来的学习乐趣，从而推动我国学生的素质教育，让每位学生紧跟时代潮流[7]。但是，当今机器人教育存在着如下几点问题。

（1）教育形式不够多样化。目前教育教学实施大多数以书本学习为主，学生很难深入研究，这就要求教师开展更多提升学生技术能力的教学措施。

（2）教学缺乏实践平台。目前机器人教学缺乏实践平台，难以对标学生水平，高校开展针对研究生的教学平台不能直接供本科使用，缺少能够针对本科教育的实践平台。大学生素质教育应该以学生为主体，深入浅出地教授学生相关技能，这就要求在教育实践中选择适合大多数学生的实践内容。

1 机器人教育实施方式

1.1 参加科技竞赛活动

科技竞赛活动需要学生从竞赛标准的研读、需求方案的设计、方案的实施以及设计的改进方面进行思考、探索、学习。因此，以参加科技竞赛活动的基于工程项目的形式开展工作，能够有效锻炼学生工程实践与管理能力。

让学生们积极参与机器人相关方面的科技竞赛活动，会有效调动每位学生学习的积极性。通常情况下，与机器人相关的科技竞赛均是以小组的形式开展并完成任务，这种任务最终的目标是一定的，但是如何完成比赛任务是没有任何限制的，在任务的分配、规划及进度等方面都是开放的。在这种开放环境中，学生的思维不被受限，会为了完成竞赛目标而积极主动地思考，大大提高学生的自主思考能力。

在参加每次科技竞赛的过程中，培养学生的逻辑思维能力。在教学实践的过程中，首先需要学生对实际问题进行具体分析，经过小组讨论，定出初步的比赛计划，并严格按照计划执行；然后开展机器人整体的组装和搭建工作，在这个过程中，既需要学生运用逻辑思维分析问题，又锻炼了学生的动手能力，同时巩固并深化了学生对机器人运动学、机器人动力学、机器人系统的机械设计和控制理论等相关知识的理解和学习；最后，在对机器人进行调试时，需要综合考虑问题以及单模块的排除问题，反复调试，反复修改，达到机器人高效执行任务的预期效果。

1.2 开展创新创业实践

机器人教育和机器人相关科研项目在培养学生创新创业实践能力方面具有重要的作用。在教师的带领下，有丰富竞赛经验的优秀学生对没有竞赛经验的学生进行相关项目开展前期的培训，利用多学科融合的教育思想，将机器人的知识分解并扩展到大学物理、高等数学等多个学科，诱导学生探索创新机器人的理念，积极思考，扩展课外知识面，使学生将学科知识扩展到生活的方方面面，建立知识间的相互联系，培养大学生的创新能力[8-9]。通过项目组形式开展创新创业实践活动，有效激发学生参与机器人相关技术研发、程序设计与项目创新实践等方面的兴趣和爱好。

为保证学生尽快融入社会，把握当今时代发展的趋势，对接市场需求，对于已形成一定应用成果的课题，将根据成果阶段、推广运作难易度等因素与航大科技进行分类对接工作，积极指导其参与申报各类型创新训练项目、各层次创业大赛、入驻企业孵化器及对接校外企业，进行产品转化工作。

1.3 实验室开放

由于机器人技术是一门难度较高、综合性强、跨学科的新兴技术，综合了机械、计算机、自动化、通信、电子和人工智能等学科的最新成就，因此在理工类专业的实践性环节中，开展实验室建设，在培养学生的设计、创新、应用、动手能力等方面具有极其重要的意义。

实验室为学生提供了学习场地，大学三年级学生作为实验室的主要管理人员，负责定期开展竞赛或机器人相关知识的培训，以提高实验室全体人员的专业技术水平。在学生的课程设计或毕业设计中，根据任务需要，学生在教师的指导下进行硬件系统模块设计、软件系统模块设计、组装、调试等多个环节的实践，增强大一大二学生对所学专业的感性认识，增强学生对于专业课程的学习热情和课程学习的针对性。

2 基于OpenMV的类人机器人教学实践

类人机器人因在医疗和服务等领域的广泛需求以及作为评价人工智能等多个学科技术的理想平台，而备受研究者青睐，是机器人研究领域的热门课题之一[10]。类人机器人的研究具有广泛的应用价值，可以为我国今后人工智能的发展打下坚实的基础，正是由于其工作空间广泛、能源利用效率高等优点，目前很多研究人员正开展着深入研究工作。

机器人完成相关任务需要对周围环境进行实时感知，环境感知需要机器人的视觉系统协助完成。目前机器人硬件设计对本科生比较困难，同时由于图像处理算法需要数学等相关知识运用比较灵活难以研究，需要设计针对本科学生的实践平台。OpenMV 集成了主控与视觉多个系统功能，具有稳定性高、传输效率高等特点，可使每位初学者免除硬件设计等问题；同时内部编程语言易于上手，设计基于OpenMV 的类人机器人教学实践可以做到因材施教，为本科学生提供多样化的实践项目。

针对基于OpenMV 的类人机器人教学实践可以开展类人机器人竞走、投篮机器人实践项目、高尔夫机器人实践项目以及点球机器人实践项目，本文以高尔夫机器人实践项目为例进行实践设计。可开展相关实践项目以及相关实验，见表1。

表1 类人机器人实践项目与实验

2.1 实践内容

基于OpenMV 的高尔夫机器人主要通过搭载OpenMV 作为主控，通过实时与机器人的舵机控制板进行通信，能够完成击中高尔夫球入洞的效果。实践要求对球和球洞的识别与定位都靠机器人自主识别来完成。首先机器人采用视觉的方式对高尔夫球与球洞进行识别，确定相对距离和方位；然后采用单臂或双臂协调的方式进行击球；最后将高尔夫球打入洞内里，实践场地见图1。

图1 高尔夫机器人实践场地图

OpenMV 是一个机器视觉模块，它的视觉识别原理是图像识别技术，可利用Python 语言编写代码实现识别高尔夫球与球洞的功能，该集成板的外观和尺寸见图2。

图2 OpenMV 实物图及尺寸

本实践采用类人机器人完成相关的智能化动作。舵机是一个能够控制旋转角度的电动机，它由传感器、直流电机、控制电路和减速齿轮4 部分组成。舵机旋转位置通过单片机产生的特定的PWM 脉宽控制信号控制，可通过控制PWM 波的高电平时间实现控制转角的变化的功能。

该机器人由多个舵机拼接组成，见图3。这些舵机仿照人的四肢关节分布，以方便机器人更灵活地完成动作。类人机器人是智能机器人领域中不可缺少的一部分，类人机器人比轮式机器人更好地实现转弯、搬运等更复杂的动作。因此，类人型双足机器人将在今后的智能机器人发展规划中占极大比重。

该双足机器人共17 个舵机，每个舵机都有其相应的功能，由图3 可知舵机分布情况。

图3 类人机器人

（1）此机器人头部有一个舵机，通过舵机的转动结合搭载的摄像头实现目标搜索。

（2）机器人左右臂各3 个舵机，从上往下的功能依次是：第一个舵机用来控制手臂的前后摆臂动作，第二个舵机负责手臂抬降的动作，第三个舵机负责弯曲手掌的动作。

（3）机器人左右腿部各有5 个舵机从上往下的功能依次是：第一个舵机负责大腿部左右跨步动作，第二个舵机负责大腿部的前后抬腿动作，第三个舵机负责小腿部的前后抬腿动作，第四个舵机负责脚掌的前后踮脚动作，第五个舵机负责脚掌的左右踮脚动作。

2.2 实践意义

使用线性CCD 作为图像采集模块存在图像获取时间长、效率低等缺点，本实践采用基于OpenMV 的类人机器人，大大提升了实现效果。正是由于OpenMV 具有集成度高、体积小、易操作的优点，因此实践易于上手，进而带动学生积极性。OpenMV 内部采用Python 语言编写代码，Python 语言是当今人工智能发展潮流中最受编程人员欢迎的语言之一，其内部封装的库函数能够简化程序编写。针对目前大学生教育存在害怕编程等问题，此实践采用Python 语言，让每位初学者更喜欢编程，能够大大提高动手能力。结合目前人工智能的发展趋势，设计此实践能够很好地锻炼学生的动手能力，为培养创新型人才打下基础。通过举一反三的方式，设计更多符合当今时代发展趋势的实践项目将有效提升我校学生的专业技能水平，为国家输出更多复合型人才。

3 实践成果与分析

本实践成功应用到对机器人比赛的培训中，通过编程阶梯式设计的方式，让每位学生体会机器人带给的成功喜悦。在教学实践中，通过举一反三的方式，该实践方式还成功拓展出类人机器人的竞走实践活动、类人机器人的投篮以及点球实践，每个教学实践的开展都能够充分调动学生积极性，营造了更加良好的学习氛围。

机器人比赛涉及多个学科、多个领域的先进技术，也是创新教育、素质教育与前沿研究相结合的有效途径。参加大学生机器人大赛致力于培养大学生团队协作精神、智能产品设计及仿真能力、智能算法开发能力以及人工智能应用能力。通过组织参赛，在备赛、现场参赛各个环节都可以提高大学生科学素养和科研技能水平，推动各相关高校大学生之间的科技文化交流。通过组织培训参加比赛近两年获奖情况见表2，竞赛机器人见图4。

表2 华北五省大学生机器人大赛获奖情况

图4 高尔夫类人机器人竞赛

同时，在实践教学中鼓励学生自主创新，提高创作能力。图5 为学生在实践过程中自主设计的24 路舵机控制板，并成功应用于实践。在2018 年华北五省机器人比赛中，类人机器人所用控制板就是自主研发的电路板。

图5 自主研发设计电路板

4 结 语

通过智能化教育的多种实施方式，为学生提供多样化的学习方式，打破了传统教学的弊端。通过以基于OpenMV 的类人机器人教学实践为例，举一反三，为学生提供更多种实践项目，取得了较好的教学效果。学生的技能水平得到了很大的提高，学生的创新实践能力有所改善。实践证明，类似该形式的教学实践能够培养一批在机器人领域勇于创新、善于动手、奋勇拼搏的科技精英人才，符合当今社会教育要求，能够为社会提供更多的创新型、交叉型、复合型人才。