智能机器人实验室建设研究
作者 :  王旭仁 刘丽珍 黄向阳 王万森

  摘要:机器人是一个多学科高度交叉的新兴前沿领域,在智能科学与技术专业的教学改革和学生综合素质培养上发挥着举足轻重的作用。文章针对智能机器人实验室为教学和实践服务的问题,分析智能机器人实验室的建设定位和实验体系的建立过程,提出以科研和竞赛促进实验室发展的观点。
  关键词:计算机科学与技术;人工智能;智能机器人;实验室建设
  智能机器人作为一个最为典型的工程系统对象,涵盖了机械、电气、信息、通讯、控制、系统等所有现代工程专业的内容,因此机器人作为一个典型的系统对象,是所有创新工程专业教育改革的理想载体,可以贯穿工程训练、专业基础教育和专业创新教育的全过程,是教学实验和研究的最理想的平台。智能机器人实验室是一个涉及多学科,测、控充分结合的实验室,集各种传感与执行机构于一体,又是一个测控一体化的综合实验对象。
  首都师范大学智能机器人实验室是专门服务于智能科学与技术专业本科教学和实践的系统平台,是高年级智能机器人、模式识别等专业课程的实践创新基地。经过近10年的建设发展,我们在实验室建设、实验体系研究、目标定位等方面积累了一定的经验。
  1 实验室建设定位和配置
  智能机器人与模式识别是智能科学与技术专业的特色,其中,智能机器人重点培养学生在智能机器人设计与开发、智能机器人传感器技术、智能控制、多传感器信息采集与融合等方面的实际应用能力;模式识别是基于信号处理、人工智能、计算机等技术,用机器代替人去识别和辨识客观事物,用数学技术方法来研究模式的自动处理和判读的学科内容,其相关系统理论和方法的研究近年来迅速发展,因此实验室的建设主要围绕这两门课程的实践教学和科研活动展开。
  实验室自2005年创建,占地面积约150m2。根据教学实践需要,实验室设备配置包括通用计算机系统、小型组足球机器人、轮式智能移动机器人平台、大学生创新实践中级套件、示教型教学工业机器人、各种传感器等。软件系统包括Matlab、机器人编程系统、通用编程语言环境、模式识别工具箱等,在这些设备的基础上,开展智能科学与技术的实践教学。随着设备的老化,根据课程发展的需要,实验室即将购进人形机器人、灭火机器人、游历机器人以及自主设计机器人的各类配件。
  2 实验室创新实验体系
  2.1 通用创新实验体系
  根据智能科学与技术的学科特点,智能机器人实验室提供循序渐进的系统训练课程:初级课程、中级课程、高级课程,具体开课情况见表1。
  (1)针对低年级学生的系统化基础工程训练:学生可以利用该平台,进行学科基本能力的培养,包括计算思维能力、算法设计与分析能力、程序设计能力、开发应用能力等;并能够动手组装和调试简单电路;编写控制软件;获得全方位的、系统化的基础工程训练。
  (2)针对中年级学生:可以利用该平台,进行系统能力的培养,要求学生能够站在系统的全局去看问题、分析问题和解决问题,从而更加深入地学习并实践自动控制、电子电路、微机原理接口技术及应用、单片机原理与应用等学科知识与试验学习结合起来。
  (3)针对高年级学生:利用该平台,深入研究目前前沿的学科知识,进行人工智能、图像处理、语音识别、机器人自主导航、运动控制、机械设计、机械电子学、电机拖动、机器人学、自动控制、数字控制、先进控制、智能控制、传感器、传感器信息融合、信号处理、模式识别、人工智能、面向对象编程、软件工程、图像处理、语音识别、神经网络、遗传算法等多学科的研究验证,进行创新能力培养。
  2.2 智能机器人课程实践教学体系
  智能机器人是首都师范大学智能科学与技术高年级学生的重要专业课程,涉及的学科范围包括力学、机器人拓扑学、机械学、电子与微电子学、控制论、计算机、生物学、人工智能、系统工程等诸多课程,是理论性、实践性和综合性很强的课程,也是培养学生具有机械设计能力、能够直接解决实际问题的课程。该课程授课课时为36学时,实验课时为36学时,达到了1:1的比例。
  第一阶段,教师以最为典型的能力风暴机器人、示教—再现机器人为教学对象,让学生掌握基本程序的编制,掌握电机的控制方法,掌握最简系统的组装、编程、调试的方法,能够实现基本系统的各种控制,实现机器人走正方形、机器人边唱边跳等经典控制项目,从而对机构设计、软件编制以及优化有一定的认识。
  第二阶段,设计和开发自己的机器人运动机构,完成机器人综合组装、调试工作,在第一阶段的基础上增加一些标准传感器知识,学生可以通过对典型传感器,如红外传感器、光敏传感器、碰撞开关、光电编码器等使用学习,完成机器人跟人走、避障等实验。另外,学生熟练掌握完整智能控制系统的编程与应用方法,为拓展其他各种传感器与功能模块的应用打下基础。
  第三阶段,学生可以在以上基础上增加其他各种扩展芯片、传感器、大学生创新模块套件及执行机构,熟练应用不同传感器,设计方案以及试验环境来实现不同功能,例如完成语音控制机器人小车、加工车床等试验。通过这个环节,学生可以深入掌握不同传感器及执行机构的工作原理与应用方法,培养学生解决实际问题的能力。
  第四阶段,面向竞赛和学生科研课题,学生独立进行自主创意或完成指定项目的设计。在这个阶段,学生可以对人工智能、图像处理、自主导航、遗传算法等前沿学科进行深入研究及验证,例如火星陨石标本采集概念机器人的设计、智能图书存取系统设计等。
  2.3 模式识别课程实践教学体系
  模式识别课程是首都师范大学智能科学与技术高年级学生的重要专业课程,其目的是通过对模式识别基本理论、概念和方法的学习,使学生能够灵活运用所学知识,借助计算机解决实际工程应用中的自动识别问题,其主要任务是使学生掌握对物体进行分类的有关理论和方法。实验课是本课程重要的教学环节,目的是使学生掌握模式识别基本分类方法的算法设计及其验证方法。提高学生分析问题、解决问题的能力。本课程授课课时36学时,实验课时9学时。   第一类实验是安装并使用模式识别工具箱。本次实验可以让学生了解模式识别软件的具体形态、基本设置以及运行流程,了解基本识别方法的工作过程。
  第二类实验使用常用分类算法进行实验,例如,贝叶斯分类算法的原理和使用、最近邻算法的分析试验。
  第三类实验为课程设计,例如用支持向量机进行人脸识别。本次实验可以让学生掌握支持向量机的运行机理、参数选择与快速算法等,了解在实际分类中学习样本库的重要性。
  3 实验室发展成果
  3.1 提高科研水平,促进实验室良性发展
  实践证明,科研项目的研究对改善学科软硬件条件作用重大。在带动实验室建设上,科研课题以优势、特色学科为基地,购置大量先进的仪器设备,构建起坚实的实验条件,在完成科研任务的同时,转化为学科教学、科研发展的基础设施,为培养高水平本科人才提供物质支撑。首都师范大学智能科学与技术专业先后申请主持国家自然科学基金项目等国家级项目4项、省部级项目近20项,校级项目若干,发表包括SCI、EI检索在内的学术论文一百多篇,从而极大促进了智能机器人的实验室建设,为实验室的长期发展创造坚实的物质基础和持续的科研动力。
  3.2 开展学生科研,培养学生创新能力
  智能科学与技术专业坚持以智能机器人实验室为依托,鼓励学生申报、开展各级各类学生科研项目,进行专业实习、完成毕业设计,并按照本科生的学习发展阶段,为学生规划科研申报体系,如图1所示。
  近四年来,我们积极组织学生申请全国级大学生创新实验计划6项,参与学生近30人。申请校级各类学生科研项目近20项,参与学生近百人。通过有组织地、循序渐进地开展学生科研,学生极大地发挥了钻研精神和创新能力。
  3.3 通过学科竞赛,调动学生实践积极性
  实验室为学生提供了一个开放的平台,并以培养学生的创新思维、科研素质和实践能力为目标,为学生的成长提供良好的条件。学科竞赛富有挑战性、探索性和趣味性,是学生综合能力培养的重要手段。参赛的过程,就是学生独立分析问题、解决问题的能力得到锻炼和提升的过程。近年来,学校通过组织学生参与竞赛,先后获得2012年全国大学生仿真比赛一等奖、2011年全国大学生仿真比赛二等奖2项、历年全国Scilab竞赛二等奖以上奖项;学生设计的“火星陨石碎片采集概念机器人”“智能图书归还平台”分别获得2011年全国首届大学生智能设计竞赛二等奖;学生设计的智能小车获得2012年北京市挑战杯二等奖。
  4 结语
  首都师范大学智能科学与技术专业实验室建设开展近十年,已经搭建起较为完整的专业科研平台,建立起较为完善的实验教学体系,对培养学生专业素质和创新思维起到了良好的促进、推动作用。
  (编辑:孙怡铭)