孟　浩

摘要：大學(xué)生工程訓(xùn)練是提高大學(xué)生動手能力的一個(gè)有效方式。簡易智能機(jī)器人制作項(xiàng)目的開展能使參與的學(xué)生在機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件等方面得到較大的提高，它不但可以培養(yǎng)學(xué)生們分析與解決具體問題的能力，也可以培養(yǎng)不同專業(yè)學(xué)生進(jìn)行具體零部件的加工制作能力，有效地加強(qiáng)了學(xué)生們的創(chuàng)新思維和工程實(shí)現(xiàn)能力。本文通過簡易機(jī)器人制作項(xiàng)目的開展對大學(xué)生動手能力的培養(yǎng)進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人；科技創(chuàng)新活動；動手能力

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

目前國際上研制出的機(jī)器人可謂種類繁多，外形各異。其中具有較高人工智能水平的機(jī)器人可以完成復(fù)雜的動作，屬高端機(jī)器人，其體積往往較大；而利用單片處理器實(shí)現(xiàn)控制的簡易智能機(jī)器人，則可以看作中檔機(jī)器人，其體積一般較小；相對而言，非處理器控制的機(jī)器人，可看作低檔機(jī)器人，一般結(jié)構(gòu)簡單，多用于研究或?qū)嶒?yàn)?zāi)康摹?/p>

機(jī)器人制作作為大學(xué)生科技創(chuàng)新活動的展示與比賽經(jīng)過多年的培育已得到了社會的極大關(guān)注，也激發(fā)了大學(xué)生們的參與熱情。盡管以此作為培養(yǎng)太學(xué)生動手能力的教學(xué)模式還在探討之中，但經(jīng)過多年的實(shí)踐，我們感到至少在以下幾方面得到了體現(xiàn)：

1機(jī)械設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)

機(jī)器人中常用的機(jī)械設(shè)計(jì)主要應(yīng)用一些連桿機(jī)構(gòu)，帶傳動機(jī)構(gòu)，連軸器，軸(承)座等簡單的機(jī)械機(jī)構(gòu)，相應(yīng)的機(jī)械設(shè)計(jì)中還會涉及到一些部件的安裝固定，整機(jī)各部件的位置配合，整機(jī)的裝配設(shè)計(jì)等，參與的同學(xué)從零部件的設(shè)計(jì)到整體裝配的各環(huán)節(jié)都能得到鍛練。任一個(gè)環(huán)節(jié)考慮不周，就可能造成返工，這樣既浪費(fèi)又可能延誤進(jìn)度。

機(jī)械設(shè)計(jì)中一些工量具的使用，位置的測算，外購件的位置與尺寸的測量也是一個(gè)極有價(jià)值的鍛練。簡易機(jī)器人所涉及的設(shè)計(jì)能力并不復(fù)雜，但要它求同學(xué)們從局部到整體進(jìn)行全面的考慮，所以說它是一個(gè)較好的訓(xùn)練項(xiàng)目。

對于工科專業(yè)的學(xué)生，在學(xué)習(xí)過機(jī)械原理，機(jī)械制圖的情況下并不會感到特別困難，而對于其它專業(yè)的學(xué)生來說，容易存在無從下手、想像不切實(shí)際的問題。盡管大型的機(jī)器人項(xiàng)目可以將不同專業(yè)的工作按人員進(jìn)行分組，但對于簡易型的項(xiàng)目說，同學(xué)們不得不完成跨學(xué)科的工作。

通過簡易機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作，把機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、軟件工作融為一體，建立一個(gè)整體設(shè)計(jì)觀念是非常有益的。

2機(jī)械加工能力的培養(yǎng)

實(shí)物機(jī)器人必不可少的要進(jìn)行一些簡單的機(jī)械加工，自己動手是這項(xiàng)活動的意義所在。由于簡易機(jī)器人的選材多數(shù)以輕便材料為主，所以塑料件、鋁件、膠木件是選擇的主要對象，可以考慮選用常用的管型鋁材，角型鋁材。加工的強(qiáng)度與精度一般要求不高，大多可以在實(shí)驗(yàn)室通過手工操作達(dá)要設(shè)計(jì)要求。操作難度可能在于其體積往往較小而結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作材料難以獲得上。

機(jī)械加工中常用的加工工具，工量具，鉗工工具，使用方式方法對于非機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生來說有一定的困難，大多數(shù)同學(xué)根本沒有使用過這些工具?？梢缘玫藉憻挼墓ぷ饔袆澗€、打孔、銼平、銼園、攻絲、鋸斷、打磨等，工量具的輕拿輕放、加工過程中的自我保護(hù)、工具的保養(yǎng)等等都是訓(xùn)練的內(nèi)容。

機(jī)械加工能力的培養(yǎng)，可以從工具的認(rèn)識、簡單的使用方法的演示、獨(dú)立模仿摸索，由易而難的展開方式來實(shí)現(xiàn)。第一次看別人操作，然后再自己獨(dú)立完成，同學(xué)之間互相交流共同提高。

3電路設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)

電路設(shè)計(jì)是機(jī)器人電子系統(tǒng)從無到有的過程，也是關(guān)鍵工作之一。大多數(shù)機(jī)器人都需要控制與檢測電路，以獲得必要的信息反饋和動作執(zhí)行。電路設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)包括初步的試驗(yàn)(搭建整體或部分電路)、電路參數(shù)的調(diào)整、元器件的選擇、初步試驗(yàn)、確定方案等環(huán)節(jié)，最終還要與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制軟件共同調(diào)試并反復(fù)設(shè)計(jì)。電路設(shè)計(jì)大多要涉及到微控制器(或單片機(jī))及相關(guān)集成電路，單片機(jī)的選型、接口芯片的選擇、驅(qū)動能力的測算、控制電路的最終體積等等都需要反復(fù)論證與實(shí)驗(yàn)，電源系統(tǒng)更是一大難題。機(jī)器人設(shè)計(jì)中的許多電路可能書本上并沒有針對性的介紹，而同學(xué)們必須在理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用中進(jìn)行綜合與發(fā)揮。

機(jī)器人項(xiàng)目的電子設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，它不是一個(gè)獨(dú)立的部件，往往沒有現(xiàn)成的參考。這個(gè)過程不但要求參與設(shè)計(jì)的同學(xué)掌握相關(guān)的電路知識，還要求有較好的綜合應(yīng)用能力。簡單合理的電路設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)，各模塊電路之間的接口要求同學(xué)們進(jìn)行多次充分的協(xié)商，它可以極好地訓(xùn)練團(tuán)隊(duì)的協(xié)作?？梢哉f，機(jī)器人項(xiàng)目在電路的設(shè)計(jì)上對同學(xué)們的鍛煉優(yōu)于其他項(xiàng)目。

4電路板設(shè)計(jì)與制作能力的培養(yǎng)

電路板是電子元器件的載體，同時(shí)又是連接元器件的線路。電路板的設(shè)計(jì)關(guān)系到電路工作的方方面面，它是一個(gè)看似簡單實(shí)際上綜合了許多的相關(guān)知識的工作。電路板的設(shè)計(jì)對于許多學(xué)生來說是陌生的。元器件的擺放位置、功率導(dǎo)線的寬窄、接插件的位置、安裝固定孔的確定、焊盤與過孔的大小、甚至最終的外形尺寸都要統(tǒng)一考慮。熟練掌握一種電路板輔助設(shè)計(jì)軟件是必要的，它不但可以提高電路設(shè)計(jì)的效率，還可以提供許多集成電路的詳細(xì)信息。在這種實(shí)際工作中的訓(xùn)練，遠(yuǎn)比在課堂上的學(xué)習(xí)要有效的多。

從電子線路設(shè)計(jì)軟件中獲得的印制板圖到最終加工完畢對同學(xué)們來說是一個(gè)很大的進(jìn)步，它體現(xiàn)了從電路原理到實(shí)物形態(tài)的飛躍。只有當(dāng)元器件安裝調(diào)試成功后，才能說電子線路的設(shè)計(jì)完成了。這也正是許多學(xué)校都把簡易機(jī)器人制作作為同學(xué)們訓(xùn)練的一個(gè)首選方案的原因。

5電路焊接與元器件裝配能力的培養(yǎng)

之所以在本文強(qiáng)調(diào)電路焊接能力是因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)本科生在這方面的訓(xùn)練太少，甚至包括對電烙鐵的使用、元器件裝拆技巧的掌握都極其缺乏。原本是好的元器件或是印制板，很可能在幾次拆裝后，輕則造成虛焊，重則報(bào)廢，給整個(gè)制作帶來較大的損失。而元器件的裝配能力不僅僅是焊接工作，也包括接插件的安裝、有關(guān)元器件的固定甚至器件的拆卸等。一個(gè)看似平凡的工作，對于大部分本科生來說其實(shí)并不簡單。

6軟件編程能力的培養(yǎng)

軟件編程是機(jī)器人設(shè)計(jì)中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。它的好壞不僅關(guān)系到最終功能的實(shí)現(xiàn)，還關(guān)系到實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量、操作的靈敏性、可靠性與準(zhǔn)確性，有些甚至是機(jī)械或電路都無法實(shí)現(xiàn)的功能，要依靠軟件來實(shí)現(xiàn)。所以說軟件是機(jī)器人的靈魂，而硬件是機(jī)器的機(jī)體。

軟件設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的是機(jī)器人的監(jiān)控程序，一般來說它是機(jī)器人加電后所執(zhí)行的常規(guī)工作，而其他具體的功能則可看成是相關(guān)的子程序。好的程序設(shè)計(jì)應(yīng)該是思路清晰，結(jié)構(gòu)合理，可靠性高，執(zhí)行效率高等等。

機(jī)器人軟件編程能力的培養(yǎng)最重要的是考慮問題的全面性。尤其是對于智能機(jī)器人，許多情況是由機(jī)器人自行推理而執(zhí)行的(這也包括以單片機(jī)為主的機(jī)器人)，那么所有的推理結(jié)果都應(yīng)在設(shè)計(jì)人員的考慮之中，即便是人工智能，也是在設(shè)計(jì)人員的考慮之中。設(shè)計(jì)之前由設(shè)計(jì)制作

小組進(jìn)行集體討論，預(yù)測出各種可能的情況，制成邏輯推理圖或流程圖，并針對性地在軟件功能中實(shí)現(xiàn)，通過反復(fù)的試驗(yàn)與檢測，將程序進(jìn)行必要的修改與完善。有時(shí)機(jī)器人在執(zhí)行時(shí)會出現(xiàn)意想不到的情況，或做出意想不到的動作，這些都是在程序設(shè)計(jì)時(shí)所沒有完全考慮到的，需要進(jìn)行修改。而試驗(yàn)與檢測也極為重要，必須要能夠提供相關(guān)的外部條件，才能了解程序執(zhí)行的情況，因此軟件的模擬應(yīng)該是試驗(yàn)之前的重要步驟。

7儀器設(shè)備使用能力的培養(yǎng)

儀器儀表的使用是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問題的手段，也是判斷問題的有效途徑，它可以在解決問題的前后反復(fù)進(jìn)行驗(yàn)證，使設(shè)計(jì)與維修人員掌握電路中電路參量的變化規(guī)律與變化過程，是一個(gè)極其重要的實(shí)驗(yàn)手段。使用儀器來觀查或檢測電路的工作情況是一個(gè)從理論分析到實(shí)際驗(yàn)證的過程，能否主動的使用儀器儀表來解決問題，是電子類大學(xué)生動手能力培養(yǎng)與鍛煉的重要環(huán)節(jié)。

談到儀器設(shè)備，許多實(shí)驗(yàn)室中都不可缺少。在機(jī)器人制作中所需要用到的儀器并不是什么高檔昂貴的設(shè)備，大多數(shù)是一些通用的測量儀器。也許許多人會覺得使用這些儀器并沒有什么困難，需要檢測什么電路量，就選擇什么方面的檢測儀器，這本來也很容易想到，但事實(shí)上不然。同學(xué)們在遇到困難時(shí)多數(shù)情況下并不能想到要使用哪種儀器來測量，甚至不會使用儀器測量。儀器設(shè)備的使用是發(fā)現(xiàn)問題的第一步，解決人們無法對相關(guān)參量的感知問題。對使用儀器的畏懼心理是一個(gè)普遍的現(xiàn)象。通過對具體問題的分析與儀器性能的掌握，同學(xué)們學(xué)會了主動使用儀器。

8資料檢索能力的培養(yǎng)

資料的檢索能力是從事任何一項(xiàng)科研工作都必須具備的能力，甚至有人認(rèn)為資料檢索能力是人生最重要的能力之一。資料檢索不僅僅是指通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行的資料檢索，它可以涉及任何可以觸及到的資料，甚至包括不易觸及到的資料。資料檢索工作往往在設(shè)計(jì)選型階段最為繁重，這時(shí)的檢索面廣，涉及的學(xué)科多。如器件的選型、供貨廠家的查找、價(jià)格的詢問等等。值得一提的是要注重英文閱讀能力的培養(yǎng)，因?yàn)樵S多新器件只有英文資料。同學(xué)們經(jīng)過不斷的總結(jié)，已習(xí)慣于使用網(wǎng)絡(luò)工具來尋找資料。當(dāng)遇到刺手的問題時(shí)，可以通過較強(qiáng)的資料檢索能力來獲得解決方案。

由于資料檢索的周期較長，任務(wù)繁重，往往需要團(tuán)隊(duì)中的成員共同來進(jìn)行，所以這部分工作不止局限于某個(gè)人或某幾個(gè)人，它要求成員們同時(shí)完成。這不僅可以使團(tuán)隊(duì)中的成員共同了解相關(guān)的知識背景和技術(shù)狀況，也可以使他們在日后的討論中，在同一個(gè)水平層次上進(jìn)行。

9計(jì)劃與控制能力的培養(yǎng)

計(jì)劃與控制能力的培養(yǎng)關(guān)系到一個(gè)項(xiàng)目能否合理地分配下去，也關(guān)系到這個(gè)項(xiàng)目能否在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)順利完成。計(jì)劃與控制的好壞甚至?xí)P(guān)系到工程的進(jìn)度，也會影響相關(guān)人員的潛力的發(fā)揮。計(jì)劃與控制能力的培養(yǎng)是一個(gè)看似簡單，但卻要經(jīng)過長期鍛煉的內(nèi)容，它不是哪本書上的理論的應(yīng)用，而是一個(gè)綜合能力的培養(yǎng)。它要求從事這部分工作的人員既要對業(yè)務(wù)有所了解，又要對機(jī)器人制作的團(tuán)隊(duì)有所了解，還要是一個(gè)很有預(yù)見的人。經(jīng)驗(yàn)往往占據(jù)了知識的大部分內(nèi)容，它往往由團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)袖級人物來擔(dān)任。我們的經(jīng)驗(yàn)是由高年級專業(yè)的學(xué)生業(yè)擔(dān)任，并由指導(dǎo)教師來輔助其開展工作。

10團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)能力的培養(yǎng)

任何一項(xiàng)工程或工作如果涉及到多人多單位的共同合作，這其中的協(xié)調(diào)工作就非常重要。要想能按時(shí)、按質(zhì)地完成任務(wù)，從任務(wù)的分配、計(jì)劃的明確、工期的催促、質(zhì)量的控制、半成品的檢查到技術(shù)問題的共同商討等，處處都需要協(xié)調(diào)。

協(xié)調(diào)者的個(gè)人立場、素質(zhì)、觀點(diǎn)也極大地影響了協(xié)調(diào)工作的有效進(jìn)行，甚至影響到整個(gè)工期的順利完成。它是一個(gè)上傳下達(dá)的工作，有時(shí)既是執(zhí)行者，又是操作者，完全可以認(rèn)為這個(gè)工作比具體的技術(shù)攻關(guān)還要重要。

協(xié)調(diào)中的溝通也涉及多種技巧，有好言相勸、有說服鼓動、也有苦口婆心，甚至有嚴(yán)歷的指責(zé)。溝通與協(xié)調(diào)應(yīng)該是相輔相成的，沒有良好的溝通技巧，就不能實(shí)現(xiàn)有效地協(xié)調(diào)。工程項(xiàng)目中的協(xié)調(diào)決不是一件簡單的工作，需要在多次機(jī)會中得到鍛煉。所以說，目標(biāo)明確、工作具體的機(jī)器人制作可以使大學(xué)生得到非常有益的鍛煉。

以上觀點(diǎn)是我們在實(shí)際指導(dǎo)大學(xué)生機(jī)器人制作活動中的一點(diǎn)體會。從能力培養(yǎng)的角度來說，僅這一點(diǎn)是不夠的，但從一個(gè)項(xiàng)目入手來豐富能力培養(yǎng)的方法是值得推廣的。當(dāng)然從實(shí)際的效果來看遠(yuǎn)不止以上這些羅列，但一個(gè)優(yōu)秀人才的能力培養(yǎng)需要更多的活動，使之經(jīng)受更多的磨練。我們將會本著培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)用能力的原則，為他們創(chuàng)造更加真實(shí)、完善的環(huán)境，為提高新時(shí)代大學(xué)生的素質(zhì)與能力而努力。