大型直立行走人形机器人在高等职业教育中的应用 --中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

大型直立行走人形机器人在高等职业教育中的应用

发表时间：2021/7/5 来源：《教育研究》2021年8月下作者：仲照东王品李益民

[导读] 本文深入展示和探讨了如何从课堂上寻找教学研究和科学研究课题，深入研究了如何带领学生社团开展教学研究和科学研究，如何借助学校资源及开展国际合作，本文也对该项目后期的研究工作做出了一些设想。

深圳职业技术学院仲照东王品李益民 518055

摘要：本文深入展示和探讨了如何从课堂上寻找教学研究和科学研究课题，深入研究了如何带领学生社团开展教学研究和科学研究，如何借助学校资源及开展国际合作，本文也对该项目后期的研究工作做出了一些设想。
关键词：人形机器人；大型结构式人形机器人；职业教育；学生社团
        1、引言
        由于机电一体化专业涉及的专业广泛且分散，以目前教学体系大规模培养该专业的专业人才比较困难。本文作者一直在寻找一种专业教学载体，对培养非专业机电一体化人才的教学体系做了许多尝试，希望作者教学的尝试能给教育工作者一些启发。
        2、课程的引入及学生社团的支撑?
        2.1趣味机器人入门
        笔者在2005年开设了以乐高机器人为教学载体的校选修课“趣味机器人入门”，随着时间推移，笔者对该课程做了许多改进，加入了3D打印、机械加工等内容。课程使学生学会常见机械结构（齿轮配合、蜗轮蜗杆、连杆机构及凸轮结构等）使用，电机控制及软件控制系统的运行。
        2.2创新制作课程
        “创新制作”要求学生利用所学机电一化知识设计制作一个机电一化实物，有学生对一款能直立行走的乐高人形机器人非常感兴趣，希望模仿这个机器人制作出一款1.8米的“大型直立行走人形机器人”。
        2.3学生社团
        2006年在选修课学生的要求下成立了机器人社团，社团在推荐选课、课程内容改进、选拔大赛学生、举办机器人比赛、新技术引入等方面都做了大量的工作。
        3、大型人形机器人的制作过程
        3.1机械结构设计
        人形机器人最初原型是一款高度只有16cm的乐高积木结构机器人，学生希望借鉴这个结构制作出一个1.8m高度的直立行走机器人，开发这款机器人首先是结构设计和材料选型，经过反复比较，学生最终选择用全铝结构制造这款人形机器人。
        3.2机械构件的加工
        整体设计确定后的机器人零件加工过程几乎使用了数控机床专业的所有专业技能，一般的铝材切割、铝板定位转孔、丝扣攻丝、线切割、数控机床编程加工等等。
        3.3机器人装配
        乐高积木结构仅仅是机器人构想的初级展现，考虑到两者区别，学生用滚珠盘代替积木硬磨合，用减速机构取代直流电机等，积木结构的替代设计本身局是一场技术革命。机器人装配遇到的第一个难题就是“装配精度”，加工精度差异给装配工作带来许多困难，反复修改和加工后才艰难的完成乐下半身机器人。
        3.4机器人的行走调试
        机器人通电后的表现让团队非常失望，机器人只能在地面剧烈震动，无法完成地面行走，把机器人用叉车抬离地面后，人形机器人在空中完成了行走的动作。
        模仿积木结构设计的机器人没有充分考虑零件的重力变形。积木小而轻，结构变形不会影响系统的整体运行，铝结构机器人体重大、尺寸大，结构变形会卡死了移动结构，使机器人无法完成地面行走。
        3.5改进后的机器人
        第一代机器人的两个脚被设计成两个沉重的铝块，二代机器人的脚被设计成轻巧的对插式结构，机器人结构做了非常大的改进，呈现出更多的工业机器人痕迹，团队终于实现了机器人的直立行走功能。
        4、完整的机电一体化理论与实践体系
        4.1 机电一体化专业的特点
        机电一体化是由计算机技术、信息技术、机械技术、电子技术、控制技术、光学技术等相融合构成的一门独立的交叉学科。学生的专业能力被分散在不同专业课程中。
        4.2一个完整的机电一体化理论与实践体系
        把一些极为专业的知识分解到一些有趣的机电一体化项目中，将项目的一些模块细化成一些有趣的教学点，连接这些教学点就可以构成一个完整而有趣的机电一体化教学体系。
        ①乐高机器人让学生了解基本的机电一体化知识。②仿制一款乐高积木机器人可以完成结构设计、零件加工、结构安装、控制电路设计和电机驱动电路设计。③通过机器人对抗赛可以把课程推向高潮。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆

        5、合理的科研视角与应用领域
        5.1世界上人形机器人现状与问题
        日本的ASIM和美国波士顿动力机器人的行走机构都是用特殊电机结构模仿人类关节来实现直立行走，这种结构的非常昂贵，不便推广。舵机控制的小型表演机器人由于舵机技术限制无法做到真人大小。
        结构简单的机械拖动式人形机器人目前还是个空白。
        5.2机械拖动式人形机器人的特点
        由积木结构引发的机器人结构粗糙、外形难看、动作笨拙，目前国内外没有人员和机构进行这样的研究工作。
        6、引领机器人教育的教学研究及科学研究
        机器人开发过程遇到的技术问题都是全新的，全新的设计带来许多技术上的全新突破。由于这些技术还处在专利申报期，故本文只提供有限技术的说明。
        6.1人形机器人的转弯技术
        由于结构限制，机械拖动式人形机器人只能直行不能转弯，为实现机器人转弯，团队设计了“姿态控制式脚掌转弯装置”。
        6.2人形机器人上下身体的平衡结构
        走路方式的特殊性造成了机器人身体的大幅摆动，为保持机器人行走稳定，团队设计了特殊的上、下半身平衡装置。
        6.3人形机器人头部结构
        机器人头部安装了摄像头等传感器装置，机器人运动过程需要提供身体姿态的一些特殊信号，团队设计了特殊的头部结构。
        6.4人形机器人视屏轨迹捕捉算法
        团队希望机器人可以进行一些简单的对抗动作，机器人对着机器人挥动拳头时，对手需要对对手挥拳动作出预判，团队为这些动作开发了特殊算法。
        6.5课程研究的框架结构
        团队开发机器人的初始动机是教学，全部的开发工作最后还是要服务于教学，笔者团队正构建一套自己的教学体系及课程规划。
        7、难得的历史发展机遇
        7.1机器人教育的变革风口
        MIT的米切尔教授团队将一个高大上的机器人变成一个通俗有趣的教育机器人， MIT团队的小学段培训非常成功，但是一直没开发出适合初中以上年龄段课程。职业教育一直以工业机器人为载体，一直没有作为非一体化专业通识课程的教育机器人及机器人教育课程。
        7.2 MIT交流及良好的国际沟通渠道
        NIT米切尔教授团队一直致力于教育机器人控制语言的变革，笔者在MIT推出的全新机器人控制语言scratch后，带领社团学生基于该语言开发了一些配套硬件及有关的应用课程，由于笔者团队在scratch语言应用上的突出表现，笔者被MIT邀请在MIT剑桥厅举办的世界scratch学术会议上做了专场学术报告，笔者和MIT米切尔教授团队就教育机器人等有关学术问题做了许多深入的交流。
        7.3世界一流的比赛平台
        MIT团队支持的“WRO世界机器人比赛”平台在世界机器人教育领域是一个最具影响力的比赛平台。
如果有 “人形机器人格斗赛”的比赛平台，相信会在全世界积累很多疯狂的粉丝，笔者就这个设想和MIT米切尔教授团队做过一些探讨，MIT对这个设想表示出非常高的兴趣及合作意向。
        8、高职教育的特点及优势
        8.1高职教育的特点
        MIT米切尔教授团队的机器人软硬件开发、网站运营等工作都是由学生进行的。笔者在协会组织了一个硬件开发团队和一个软件开发团队，协会软件开发团队开发了一款自己的图形化编程语言，有太多的bug，运行非常卡，我们学生从事底层软件开发是短板。
        8.2高职教育长处
        协会在scratch应用上，开发了许多达到国际领先水平的独特硬件；设计了许多达到国内外最高水平应用案例，协会运营的“scratch中国”网站是国内最有影响的网站。
        结语：
        课堂是老师科学研究和教学研究的源头，“趣味机器人入门”引出的“大型直立行走人形机器人”会产生一批有影响力的成果，成果的转化会产生巨大的社会效益及经济效益，相信该课题在笔者团队年轻老师的带领下也将走出另一段辉煌。
参考文献：
[1]梁桥锋,邓德强.中职学校开展机器人教育的对策与思考[J].教育信息技术,2018(7):127-129.
[2]李红,郑剑春.从机器人项目的开展与评价看中美两国机器人教育的差异[J].调查思考，2009.
[3]赵文平.德国职业教育如何应对工业4.0[J].职业教育研究, 2016,(2).1-1. doi:10.3969/j.issn. 1672-5727.2016.02.001.
[4]唐雪梅, 冯正勇.中职院校开展机器人教育的探究 [J].教育现代化 ,2018(6):312-314.