呂繼東， 鄒 凌， 陳嵐萍， 陳 陽， 楊 彪

(常州大學(xué) 微電子與控制工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

創(chuàng)新應(yīng)是當(dāng)代大學(xué)生的內(nèi)在素質(zhì)，其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是當(dāng)前高校各個(gè)專業(yè)都要面對(duì)的重大課題[1]。自動(dòng)化專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)旨在培養(yǎng)具備電工電子技術(shù)、控制理論、檢測與儀表、信息處理、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等較寬廣領(lǐng)域的工程技術(shù)基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)，能在運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、電力電子技術(shù)、檢測與自動(dòng)化儀表、電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)，信息處理等領(lǐng)域開展工作的應(yīng)用型工程技術(shù)人才[2]。由于其寬基礎(chǔ)、知識(shí)體系更新快，以往傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)踐平臺(tái)對(duì)專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是有限的[3]。

近年來，科技進(jìn)步帶來社會(huì)生產(chǎn)的高度發(fā)展，越來越多的生產(chǎn)加工制造行業(yè)步入自動(dòng)化領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)集精密化、柔性化、智能化、集成化于一體，是衡量國家科技創(chuàng)新的重要標(biāo)志，是工業(yè)自動(dòng)化水平的最高體現(xiàn)，可廣泛用于生產(chǎn)加工制造行業(yè)，大幅提高其自動(dòng)化水平。在《中國制造2025》規(guī)劃中，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)作為重點(diǎn)領(lǐng)域，認(rèn)為是中國實(shí)現(xiàn)中國制造2025的關(guān)鍵。為貫徹落實(shí)好規(guī)劃，國家三部委聯(lián)合印發(fā)的《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》中，對(duì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)要求組織實(shí)施人才培養(yǎng)計(jì)劃，加強(qiáng)大專院校機(jī)器人相關(guān)專業(yè)學(xué)科建設(shè)，加大機(jī)器人職業(yè)培訓(xùn)教育力度，加快培養(yǎng)機(jī)器人行業(yè)急需的高層次技術(shù)研發(fā)、管理、操作、維修等各類人才，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力，推進(jìn)我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速健康可持續(xù)發(fā)展。而視覺導(dǎo)向機(jī)器人靈活高效、可靠性高，在生產(chǎn)加工制造行業(yè)中需求龐大，鑒于以上原因我們將其作為自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的嶄新平臺(tái)，通過對(duì)其研究開發(fā)應(yīng)用，以工程實(shí)踐整合專業(yè)所學(xué)知識(shí)、激發(fā)學(xué)生想象力等，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的目的。

1 視覺導(dǎo)向機(jī)器人與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的結(jié)合

在高等教育中，以智能機(jī)器人技術(shù)為載體的教學(xué)實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)活動(dòng)已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可[4]。視覺導(dǎo)向機(jī)器人是機(jī)器視覺技術(shù)被引入到機(jī)器人領(lǐng)域，作為機(jī)器人的“眼睛”來引導(dǎo)其自身完成相應(yīng)行為動(dòng)作的機(jī)器人，相比傳統(tǒng)機(jī)器人，應(yīng)用范圍更廣、智能化程度更高。

1.1 視覺導(dǎo)向機(jī)器人與專業(yè)課程的關(guān)聯(lián)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)踐平臺(tái)所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)內(nèi)容大多比較單一，既使有綜合性的實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)，所聯(lián)系的相關(guān)課程也不多，因此，在教學(xué)效果上，學(xué)生對(duì)知識(shí)的把握還存在較大的狹隘性，無法進(jìn)行必要的訓(xùn)練，而當(dāng)面對(duì)實(shí)際問題時(shí)，還是不知所措，無法熟練應(yīng)用所學(xué)知識(shí)靈活解決，導(dǎo)致人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。

視覺導(dǎo)向機(jī)器人融合了機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、傳感器、計(jì)算機(jī)軟硬件和人工智能等眾多先進(jìn)技術(shù)，可關(guān)聯(lián)到自動(dòng)化專業(yè)“自動(dòng)控制原理”、“現(xiàn)代控制理論”、“智能控制”、“人工智能”、“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”、“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“檢測技術(shù)”、“信號(hào)采集與處理”、“電機(jī)學(xué)”、“電機(jī)拖動(dòng)”、“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”、“單片機(jī)原理及應(yīng)用”、“PLC技術(shù)”以及“數(shù)字圖像處理與分析”等眾多專業(yè)課程。通過對(duì)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行綜合性訓(xùn)練，在立題、課題分析、方案討論以及提高可靠性和穩(wěn)定性等方面加強(qiáng)課程知識(shí)間的關(guān)聯(lián)銜接，獨(dú)立探索內(nèi)化為自己的知識(shí)，且在研討爭論中，還可以提高語言表達(dá)能力；在策略方案分析中,鍛煉思考和解決問題的能力；在設(shè)計(jì)調(diào)試中,提高工程應(yīng)用和實(shí)施的能力。

1.2 視覺導(dǎo)向機(jī)器人對(duì)學(xué)生興趣的激勵(lì)

興趣是最好的老師，只有充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性、充分發(fā)揮學(xué)生的潛能，才能使教育效果事半功倍[5]。在教學(xué)實(shí)踐中，缺乏興趣也是學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏動(dòng)力的重要因素。目前課程實(shí)驗(yàn)大多是驗(yàn)證仿真性的，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中只是機(jī)械地重復(fù)操作或完全按指導(dǎo)書的實(shí)驗(yàn)步驟來做。一方面學(xué)生對(duì)此缺乏興趣，沒有積極性；另一方面知識(shí)不能融會(huì)貫通、系統(tǒng)應(yīng)用，很容易遺忘，學(xué)生由此會(huì)產(chǎn)生挫敗感。因此，加強(qiáng)知識(shí)的系統(tǒng)應(yīng)用，首先引發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)踐教學(xué)的興趣才會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生創(chuàng)新意識(shí)。

視覺導(dǎo)向機(jī)器人是一種很好的科技創(chuàng)新平臺(tái)，首先可以在相關(guān)課程中增加該機(jī)器人的教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)視頻，在增強(qiáng)教學(xué)實(shí)踐互動(dòng)性的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生探索；其次讓學(xué)生參觀實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)應(yīng)用企業(yè)，實(shí)地感受平臺(tái)以及該平臺(tái)或類似平臺(tái)在實(shí)際生產(chǎn)中某些具體應(yīng)用，還可以邀請(qǐng)企業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)技術(shù)人員和專家為學(xué)生開設(shè)相關(guān)講座，開拓學(xué)生的眼界和知識(shí)面，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的好奇心；另外參考當(dāng)下市場相關(guān)熱點(diǎn)應(yīng)用設(shè)置實(shí)踐項(xiàng)目，為學(xué)生設(shè)定設(shè)計(jì)情境，相比以往設(shè)置的傳統(tǒng)實(shí)踐課題，則會(huì)更加有效激發(fā)學(xué)生對(duì)技術(shù)的興趣和創(chuàng)造性思維。

1.3 視覺導(dǎo)向機(jī)器人對(duì)實(shí)踐教學(xué)的提升

在培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)意識(shí)的應(yīng)用型人才過程中，實(shí)踐教學(xué)是鞏固理論知識(shí)并將知識(shí)內(nèi)化為能力的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法和提高操作能力的必由之路[6]。而自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)體系更新快、需要學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力強(qiáng)的特點(diǎn)，更突顯專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的重要性。好的實(shí)踐教學(xué)能較好地發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)能動(dòng)性，有助于學(xué)生理解所學(xué)內(nèi)容以及內(nèi)容之間的相互關(guān)系。

視覺導(dǎo)向機(jī)器人是光機(jī)電一體化的典型應(yīng)用，對(duì)其操作使用開發(fā)不僅需要多專業(yè)課程知識(shí)的融合，還要根據(jù)項(xiàng)目完成的實(shí)際情況學(xué)習(xí)其他知識(shí)，進(jìn)行必要的拓展延伸，更需要學(xué)生相互協(xié)作，從不同的角度思考解決問題。在自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)踐性環(huán)節(jié)中,以此為平臺(tái)來開展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng),可以培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力、綜合應(yīng)用以及團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)能力,全面提高專業(yè)技術(shù)水平，從而提升實(shí)踐教學(xué)的效果和質(zhì)量。

2 視覺導(dǎo)向機(jī)器人創(chuàng)新能力培養(yǎng)平臺(tái)的構(gòu)建

視覺導(dǎo)向機(jī)器人創(chuàng)新能力培養(yǎng)平臺(tái)以軟硬結(jié)合、四級(jí)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行構(gòu)建。硬件包括校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建、見習(xí)企業(yè)群的對(duì)接以及合作共建實(shí)習(xí)公司，軟件是指專業(yè)指導(dǎo)師資隊(duì)伍建設(shè)，由此形成多維結(jié)構(gòu)一體的實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系，多方位促使學(xué)生在深化理解理論知識(shí)的同時(shí)，能夠促進(jìn)啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維與意識(shí)，同時(shí)在綜合實(shí)踐能力、工程應(yīng)用能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力方面也得到相應(yīng)的鍛煉提高，培養(yǎng)出符合現(xiàn)代自動(dòng)化專業(yè)需求的創(chuàng)新型人才。

2.1 創(chuàng)建校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室

在學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系中，校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)扮演著重要角色，為此我們專門創(chuàng)建了機(jī)器視覺與自動(dòng)化技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室前期與企業(yè)合作，設(shè)計(jì)搭建了基于多目視覺的三軸直角坐標(biāo)機(jī)械手系統(tǒng)，可用于生產(chǎn)線產(chǎn)品的檢測、分類、識(shí)別等。該系統(tǒng)包括視覺檢測模塊、機(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊和電氣控制模塊，融合了“PLC技術(shù)”、“檢測技術(shù)”、“圖像處理”、“電機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制”等課程知識(shí)內(nèi)容，其中視覺檢測模塊可進(jìn)行一維、二維條碼的讀取、光學(xué)字符識(shí)別、表面缺陷檢測、目標(biāo)完整性檢測以及目標(biāo)大小尺寸的測量；機(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊可基于機(jī)器視覺檢測結(jié)果引導(dǎo)三軸直角坐標(biāo)系機(jī)械手完成目標(biāo)抓取及安裝，還可以進(jìn)行寫字、畫畫等有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)；電氣控制模塊主要是配合視覺檢測模塊，完成對(duì)應(yīng)的邏輯控制功能。系統(tǒng)實(shí)體及控制示意圖如圖1所示。

相對(duì)于直角坐標(biāo)機(jī)械手，關(guān)節(jié)式機(jī)械手也是當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域中最常見的工業(yè)機(jī)器人形態(tài)之一。它是一種適用于靠近機(jī)體操作的傳動(dòng)形式，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度，動(dòng)作比較靈活，適合于幾乎任何軌跡或角度的任務(wù)，可以自由編程完成全自動(dòng)化的工作來提高生產(chǎn)效率，比如自動(dòng)裝配、噴漆、搬運(yùn)、焊接等。同樣基于我們要求，與企業(yè)合作構(gòu)建了Eye-in-hand和Eye-to-hand兩種機(jī)器視覺可選的六軸關(guān)節(jié)式機(jī)械手?；谠撓到y(tǒng)同樣可以完成上述直角坐標(biāo)機(jī)械手完成的任務(wù)，只是控制方式、行為軌跡等有所不同?？傊瑢W(xué)生在這兩類系統(tǒng)上可以得到目前流行機(jī)器人在工業(yè)生活應(yīng)用中幾乎所有的鍛煉，并可在此基礎(chǔ)上，在新舊領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新思維和應(yīng)用。

2.2 對(duì)接見習(xí)企業(yè)群

工信部賽迪研究院發(fā)布的《中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》中稱，建立校企聯(lián)合培養(yǎng)人才的新機(jī)制，加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)。為此對(duì)人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)在充分開拓校內(nèi)資源的同時(shí)、也積極開拓校外資源，讓學(xué)生親身感受視覺導(dǎo)向機(jī)器人的實(shí)際開發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)場，以便在自行開發(fā)中讓設(shè)計(jì)更切合于實(shí)際，過程更趨于標(biāo)準(zhǔn)、專業(yè)。為此我們甄選了機(jī)器人相關(guān)的研發(fā)和應(yīng)用企業(yè)，尋找渠道與這些企業(yè)對(duì)接，同意學(xué)生在每年的自動(dòng)化專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)周內(nèi)去見習(xí)，實(shí)地感知機(jī)器人的操作和應(yīng)用(見圖2、圖3)，熟悉其產(chǎn)業(yè)環(huán)境和流程；最后，針對(duì)行業(yè)技術(shù)熱點(diǎn)以及發(fā)展趨勢，邀請(qǐng)他們與學(xué)生進(jìn)行交流探討。

圖2 銘賽機(jī)器人

圖3 遨博機(jī)器人

見習(xí)企業(yè)群在職責(zé)明確，穩(wěn)定發(fā)展的前提下，不斷擴(kuò)展，并根據(jù)研發(fā)應(yīng)用類型歸總，在專業(yè)知識(shí)涵蓋領(lǐng)域，未來計(jì)劃伸展到產(chǎn)業(yè)的各個(gè)層次，形成立體化的認(rèn)識(shí)實(shí)踐企業(yè)群庫。江蘇省機(jī)器人與智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟設(shè)在常州，面向全省吸收了機(jī)器人與智能裝備的骨干企業(yè)與科研院所，形成了江蘇機(jī)器人與智能裝備產(chǎn)業(yè)鏈配套的產(chǎn)業(yè)體系。這為我們見習(xí)企業(yè)群庫的未來完整構(gòu)建提供了便利。

2.3 共建實(shí)習(xí)公司

共建實(shí)習(xí)公司是充分利用校外資源，提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的又一渠道，但現(xiàn)行大多企業(yè)對(duì)實(shí)習(xí)基地建設(shè)興趣有限，這使得學(xué)校往往處于被動(dòng)狀態(tài)，究其原因是缺乏長期穩(wěn)定的雙贏機(jī)制，企業(yè)不能獲得可觀的既得利益。我們的做法是為視覺導(dǎo)向機(jī)器人相關(guān)設(shè)備供應(yīng)商在學(xué)校創(chuàng)新園區(qū)提供優(yōu)惠場地，企業(yè)入駐以后代理其公司授權(quán)產(chǎn)品的同時(shí)運(yùn)作其母公司的應(yīng)用項(xiàng)目，而在其應(yīng)用項(xiàng)目的開發(fā)過程中，準(zhǔn)許我們學(xué)生參與其中，學(xué)習(xí)跟進(jìn)，使之得到專業(yè)系統(tǒng)的鍛煉，同時(shí)企業(yè)也為自身挑選儲(chǔ)備技術(shù)人才。對(duì)學(xué)校和企業(yè)來說，該模式各得其利，實(shí)現(xiàn)雙贏，但也有缺憾，先期企業(yè)容量有限，學(xué)生只能通過選拔，優(yōu)中選優(yōu)進(jìn)入企業(yè)實(shí)踐。未來希望這種模式推廣開來，更多的企業(yè)入駐，彌補(bǔ)其弊。

2.4 建設(shè)專業(yè)指導(dǎo)師資隊(duì)伍

教師是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的實(shí)施者[7]。要保證所構(gòu)建硬件平臺(tái)實(shí)踐教學(xué)有序進(jìn)行，培養(yǎng)出社會(huì)需要的人才，必須要有合格的指導(dǎo)教師。為此我們首先從專業(yè)教職人員中遴選出具備機(jī)器視覺和機(jī)器人等相關(guān)學(xué)科背景的教師組成專業(yè)指導(dǎo)師資隊(duì)伍。這些教師學(xué)術(shù)水平、科研能力是比較強(qiáng)的，但由于大多教師是從學(xué)校畢業(yè)后直接到學(xué)校應(yīng)聘，由此存在缺乏社會(huì)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的問題。我們要求硬件平臺(tái)供應(yīng)商對(duì)指導(dǎo)教師進(jìn)行深度培訓(xùn)；同時(shí)鼓勵(lì)指導(dǎo)教師投身企業(yè)實(shí)踐，與相關(guān)企業(yè)進(jìn)行橫向項(xiàng)目的申報(bào)實(shí)施，不斷提高自身的工程應(yīng)用能力；另外也歡迎指導(dǎo)教師基于現(xiàn)有平臺(tái)申報(bào)縱向課題進(jìn)行基礎(chǔ)應(yīng)用研究，研究成果回饋指導(dǎo)學(xué)生，開闊他們的創(chuàng)新思維。

3 創(chuàng)新能力培養(yǎng)實(shí)踐成果

視覺導(dǎo)向機(jī)器人創(chuàng)新能力培養(yǎng)平臺(tái)從初始構(gòu)建至今，初具形態(tài)，還在實(shí)踐中不斷完善，已在教師教學(xué)科研和學(xué)生培養(yǎng)上取得了一些成果。在教學(xué)科研方面，申請(qǐng)立項(xiàng)機(jī)器人和機(jī)器視覺方面的國家級(jí)及省部級(jí)縱向項(xiàng)目3項(xiàng)，校級(jí)教研課題2項(xiàng)；發(fā)表論文10余篇，其中SCI檢索2篇，EI檢索6篇，中文核心4篇；申請(qǐng)國家發(fā)明專利18項(xiàng)，還參編3部控制器和電機(jī)方面的教材。在學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面，基于該平臺(tái)除了常規(guī)實(shí)踐活動(dòng)之外，還申請(qǐng)參加了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，臺(tái)達(dá)杯兩岸高校自動(dòng)化設(shè)計(jì)大賽等，其中基于項(xiàng)目內(nèi)容申請(qǐng)了3項(xiàng)國家發(fā)明專利，具體成果見表1。另外，通過該平臺(tái)培養(yǎng)的學(xué)生當(dāng)中，參加考研的學(xué)生由于復(fù)試中的優(yōu)秀表現(xiàn)，如愿錄取并拿到了獎(jiǎng)學(xué)金，而參加工作的學(xué)生不少選擇了機(jī)器視覺以及機(jī)器人相關(guān)的公司，其薪資水平相對(duì)于傳統(tǒng)自動(dòng)化科技公司平均要高30%左右。綜上所述，將實(shí)踐成果匯總于表1所示。

表1 實(shí)踐成果

4 結(jié)語

我校自動(dòng)化專業(yè)在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，以將會(huì)深化發(fā)展，廣泛應(yīng)用的視覺導(dǎo)向機(jī)器人為著力點(diǎn)，來構(gòu)建專業(yè)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)平臺(tái)，探索培養(yǎng)專業(yè)創(chuàng)新工程實(shí)踐人才的新模式，培養(yǎng)提升了專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維和綜合實(shí)踐能力，取得了階段性成果，得到了師生的肯定，并激發(fā)了新進(jìn)專業(yè)學(xué)生的極大興趣來主動(dòng)積極參與。未來將會(huì)更加完善平臺(tái)四級(jí)驅(qū)動(dòng)各級(jí)環(huán)節(jié)，并吸取其他創(chuàng)新能力培養(yǎng)平臺(tái)構(gòu)建以及管理的先進(jìn)方式經(jīng)驗(yàn)，深入自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)踐探索。