智能机器人实验室可持续良性发展的探索与实践

张大伟 邓记才 赵新灿 赵广艳

摘要：介绍了郑州大学大学生训练基地智能机器人建设的基本情况。从实验室可持续良性发展考虑，结合国家和学校政策，提出将机器人竞赛和创新实验确立为实验室的主要工作。通过比赛和创新实验获取国家和学校的资助，并通过从各个方面规范和完善实验室的管理规章制度来保证实验室高效且安全地运行，实现良性循环。与此同时对实验室未来进一步可持续良性发展进行了规划。

关键词：机器人；创新；可持续发展；竞赛；实验室

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）09-0237-02

一、引言

智能机器人是多学科交叉的综合体，是最典型的机电一体化产品[1]。对于工科领域的电子、控制、机械、传感、计算机等学科均是最佳的教学研究平台。另外，智能机器人是前沿的学科，易于激发学生的兴趣，学生可以对机器人进行扩展设计和开发，从而开发学生的创新能力。因此，机器人学习与实践是开展创新教育的较好选择，建设以机器人为主要平台的创新教学，可以让各个专业的学生在专业课程学习的基础上，将理论知识结合到实践中，拓展综合专业知识，发展多元智能，提高其创新、实践的能力[3]。目前，许多高校都在通过建设机器人实验室这一平台强化大学生创新能力培养，取得了较好的教学效果[2-4]，但通过交流发现在实验室建设后期往往都存在着诸多涉及可持续良性发展的问题，比如如何有效缓解经费紧张、管理实验室流动性较大的人员、确保实验室安全、提升实验室水平等。因此，本文提出了智能机器人实验室可持续良性发展的建设思路，尤其是针对初期建设且科研能力较弱的实验室，并结合近五年来郑州大学大学生训练基地智能机器人实验室建设的一些实践经验和未来发展规划，对其进行了研究与探索。

二、实验室建设宗旨与配置

依托于郑州大学信息工程学院的师资力量，于2009年建立大学生创新训练基地并组建智能机器人等实验室。智能机器人实验室以智能机器人技术为核心，以培养创新型学生为目标，以各种科技创新实验、竞赛活动为载体，为大学生提供开放性的创新实验平台和场所，组织大学生开展创新实验和相关竞赛活动。实验室建设宗旨重点提高大学生六项素质：独立求知与快速学习能力、创新能力、沟通交流能力、团队协作能力和多学科交叉知识应用能力。实验室现有面积800m2，可容纳120名左右的学生，拥有90台左右的电子测量、机械加工和无线开发设备。另外为了便于学生在较短的时间内开展实验，实验室统一采购经常用到的电子机械原材料。实验室共有专业指导教师6人，来自学院不同的学科，以便于更好地指导学生。目前实验室的主要工作分成两部分：机器人竞赛和创新实验。

三、实验室主要任务

（一）机器人竞赛

实验室成立以来每年都组队参加中国机器人大赛，这是实验室的一项重要工作，一方面参赛成绩是体现实验室学生技术水平的标志，另一方面这也是实验室发展的基石，可以争取更多的资助，毕竟当前参加机器人竞赛的开销都比较大，尤其是基于实物原型比赛的项目。目前中国机器人公开赛的比赛项目有13个大项，89个小项，每年有超过4000人参加，各参赛单位投入也都比较大，竞争非常激励。有些项目虽然涉及技术较少、研发投入少，但参赛队非常多，想从中脱颖而出非常不易。与之相反，参赛队较少的项目往往涉及技术复杂、研发周期长且投入非常大。结合实验室的基础和近些年参加比赛的经验，也为了保证多出成绩，目前实验室重点开展的竞赛项目主要有三个方向：竞技机器人比赛（其中包括武术擂台、舞蹈和竞步）、微软足球仿真赛、水下和服务机器人比赛，而不再进行扩展。与此同时，实验室自2012年以来连续三年在郑州大学组织举办河南省大学生机器人竞赛，一方面可提高省内高校机器人教学水平，另一方面也借此机会与省内高校进行交流、共同进步、锻炼队伍。

（二）创新实验

依托大学生创新智能机器人实验室，将实验室建设与大学生国家级、校级创新实验项目的申报与实施紧密结合起来，即实验室为大学生创新实验项目的申报与实施提供物质基础，为学生提供前期的技术与技能培训，并通过机器人大赛对学生的综合实验能力进行锻炼，进而提高项目获得资助的数量；创新实验项目一方面可为实验室提供部分项目资金、弥补实验室经费不足，另一方面也为优秀团队的孕育提供项目支撑，两者结合非常有利于两者共同发展，并为大学生尽早参与科学研究开辟新渠道。为了更高效地开展创新实验，实验室规范了创新实验的实施流程：将学生和指导老师分成不同的团队，每个团队提出创新项目的研究；在实验室内进行讨论，进行淘汰或者修正，之后前期可由实验室资助进行初步的实验；组织各团队撰写国家级和校级申请书，包括调研分析、实施方案、创新点提炼；获得资助的创新实验项目可由实验室各指导老师监督完成；对于未获得资助或者经费有限且创意都较好的创新实验项目，在实验室经费充足的情况下也可以考虑进行资助完成；获得国家、学校或实验室经费资助的团队留在实验室，由队长组织小组成员讨论设计方案、安排分工、设计制作；项目结题撰写相关的技术报告。选派优秀团队的实验成果参加机器人、大学生挑战杯等创新比赛，通过获得较好的成绩进一步争取学校资助，从而形成良性发展。

四、实验室管理

实验室经过五年的发展，已经初具规模，但也逐渐暴露出了一些问题，一方面实验室是面向全校开放，学生流动性和队伍更新速度比较大，另一方面机器人制作往往涉及机械加工与焊接，不规范操作往往存在一定的安全隐患，一旦发生事故，后果将不堪设想。因此，此时实验室管理对实验室可持续良性发展越发显得重要。

实验室管理的具體思路如下：实验室实行指导教师竞赛项目负责制，各指导教师严格按实验室制定的规章制度管理各自实验室的设备、学生、卫生和安全；指导老师根据各实验室所承担的竞赛项目的技术特点，每学年进行一次自主招生、培训和选拔；实验室组织选拔出的优秀学生参加竞赛，为了确保各参赛团队技术水平的继承性，必需将不同些年的学生组合在一起，实现以老带新、传帮接带；在竞赛基础上组织学生开展创新实验申报工作，由指导老师组成专家组对学生创新实验申报进行预审，获得立项资助后方可在实验室开展创新实验，并定期对资助项目开展检查工作；各实验项目材料费用的使用、元器件购买必须由指导老师审核确定，大额机械配件支出需由实验室讨论决定；由指导教师指定具体学生管理实验房间的钥匙，统一规定实验室白天开放，对于夜间需加班的特殊情况需经过指导教师同意；所有机械加工设备集中在机械加工房间统一使用，重点选拔出一些具有机械设计与设备使用专业知识的学生，由专业教师对他们进行系统培训和资格认证考试，资格权限分为雕刻机操作资格、数控机床操作资格、钻铣床和小型机床操作资格等，只有通过资格认证的学生才可以使用相关的机械加工设备，规定机械加工必须在工作日正常作息时间内进行且必须两人协同操作（一人监督）。

五、成績与未来发展

经过五年来实验室全体师生的努力和国家与学校的大力支持，截至2014年10月实验室累计获取中国机器人大赛冠军13项、获得国家级和校级大学生创新项目资助63项、申请发明专利13项，获得资助200多万，主要创新实验项目的作品包括：智能轮椅、基于Kinect体感遥控机器人、迎宾机器人等。其中智能轮椅获得了2012国家大学生物联网创新创业大赛最高奖。实验室目前也是学校对外展示大学生创新成果的一个主要窗口，分别接待过国家、教育部、科技部、河南省政府等部门主要领导人的参观，他们都对实验室目前所取得的成绩给予了肯定和高度评价。

为了进一步提升实验室水平从而更好地促进实验室可持续良性发展，实验室未来主要发展规划如下：保持和进一步增强实验室传统的竞赛项目的水平，重点培育一到两项可以参加比如Robocup、FIRA这些代表世界水平的机器比赛项目；将机器人教学、竞赛、创新实验和各指导教师的科学研究结合在一起，或选择前期较好的创新实验项目，并在其基础上开展科学研究，充分利用实验室软硬件资源，逐渐形成“教学—竞赛—创新实验—研究”的发展模式，以最终提高实验室的科研水平；重点培育一些符合市场需求、可产业化的创新实验项目，实现实验室产学研一体化建设。

六、结语

郑州大学大学生创新训练基地智能机器人实验室经过五年不断的探索和实践，找到了一条可持续良性发展的建设方法，从中积累了一定的经验，也初步取得了较好的成绩。目前，实验室已建立了比较完善的机器人竞赛、创新实验和管理体系，通过实践证明可有效地解决实验室在后期扩建发展过程遇到的一些问题，这对目前刚起步且科研实力较弱的实验室而言至关重要，具有一定的推广价值。

参考文献：

[1].王旭仁，刘丽珍，黄向阳，等.智能机器人实验室建设研究[J].计算机教育，2013，（19）：85-87.

[2].陈小平，罗文坚.以机器人实验为载体的实践创新培养体系研究[J].研究生教育研究，2011，3（3）：48-52.

[3]庄未，黄用华，李雪梅，等.机器人研究在机械工程类应用创新型人才培养中的作用探索[J].教育教学论坛，2014，（9）：189-191

[4]姚志凤，薛少平，陈亚娟.机器人创新实验室的多元化模式探究[J].电气电子教学学报，2012，34（5）：76-77，80.