视觉导向机器人与自动化专业学生创新能力培养的实践探索

吕继东， 邹 凌， 陈岚萍， 陈 阳， 杨 彪

(常州大学 微电子与控制工程学院，江苏 常州 213164)

0 引言

创新应是当代大学生的内在素质，其创新能力的培养是当前高校各个专业都要面对的重大课题[1]。自动化专业的培养目标旨在培养具备电工电子技术、控制理论、检测与仪表、信息处理、计算机及网络技术等较宽广领域的工程技术基础和专业知识，能在运动控制、过程控制、电力电子技术、检测与自动化仪表、电子与计算机技术，信息处理等领域开展工作的应用型工程技术人才[2]。由于其宽基础、知识体系更新快，以往传统实验设备和实践平台对专业学生创新能力的培养是有限的[3]。

近年来，科技进步带来社会生产的高度发展，越来越多的生产加工制造行业步入自动化领域。机器人技术集精密化、柔性化、智能化、集成化于一体，是衡量国家科技创新的重要标志，是工业自动化水平的最高体现，可广泛用于生产加工制造行业，大幅提高其自动化水平。在《中国制造2025》规划中，机器人产业作为重点领域，认为是中国实现中国制造2025的关键。为贯彻落实好规划，国家三部委联合印发的《机器人产业发展规划(2016-2020年)》中，对机器人产业要求组织实施人才培养计划，加强大专院校机器人相关专业学科建设，加大机器人职业培训教育力度，加快培养机器人行业急需的高层次技术研发、管理、操作、维修等各类人才，强化产业创新能力，推进我国机器人产业快速健康可持续发展。而视觉导向机器人灵活高效、可靠性高，在生产加工制造行业中需求庞大，鉴于以上原因我们将其作为自动化专业学生创新能力培养的崭新平台，通过对其研究开发应用，以工程实践整合专业所学知识、激发学生想象力等，达到培养学生设计创新能力的目的。

1 视觉导向机器人与学生创新能力培养的结合

在高等教育中，以智能机器人技术为载体的教学实践与创新能力培养活动已经得到广泛认可[4]。视觉导向机器人是机器视觉技术被引入到机器人领域，作为机器人的“眼睛”来引导其自身完成相应行为动作的机器人，相比传统机器人，应用范围更广、智能化程度更高。

1.1 视觉导向机器人与专业课程的关联

传统实验设备和实践平台所开设的实验或课程设计内容大多比较单一，既使有综合性的实验和课程设计，所联系的相关课程也不多，因此，在教学效果上，学生对知识的把握还存在较大的狭隘性，无法进行必要的训练，而当面对实际问题时，还是不知所措，无法熟练应用所学知识灵活解决，导致人才创新能力的培养达不到预期目标。

视觉导向机器人融合了机械、电子、自动控制、传感器、计算机软硬件和人工智能等众多先进技术，可关联到自动化专业“自动控制原理”、“现代控制理论”、“智能控制”、“人工智能”、“计算机控制技术”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“检测技术”、“信号采集与处理”、“电机学”、“电机拖动”、“运动控制系统”、“单片机原理及应用”、“PLC技术”以及“数字图像处理与分析”等众多专业课程。通过对专业学生进行综合性训练，在立题、课题分析、方案讨论以及提高可靠性和稳定性等方面加强课程知识间的关联衔接，独立探索内化为自己的知识，且在研讨争论中，还可以提高语言表达能力；在策略方案分析中,锻炼思考和解决问题的能力；在设计调试中,提高工程应用和实施的能力。

1.2 视觉导向机器人对学生兴趣的激励

兴趣是最好的老师，只有充分发挥学生的主观能动性、充分发挥学生的潜能，才能使教育效果事半功倍[5]。在教学实践中，缺乏兴趣也是学生学习缺乏动力的重要因素。目前课程实验大多是验证仿真性的，学生在实验中只是机械地重复操作或完全按指导书的实验步骤来做。一方面学生对此缺乏兴趣，没有积极性；另一方面知识不能融会贯通、系统应用，很容易遗忘，学生由此会产生挫败感。因此，加强知识的系统应用，首先引发学生对实践教学的兴趣才会让学生产生创新意识。

视觉导向机器人是一种很好的科技创新平台，首先可以在相关课程中增加该机器人的教学演示实验视频，在增强教学实践互动性的同时，引导学生探索；其次让学生参观实验室和相关应用企业，实地感受平台以及该平台或类似平台在实际生产中某些具体应用，还可以邀请企业实践经验丰富的专业技术人员和专家为学生开设相关讲座，开拓学生的眼界和知识面，进一步激发学生的好奇心；另外参考当下市场相关热点应用设置实践项目，为学生设定设计情境，相比以往设置的传统实践课题，则会更加有效激发学生对技术的兴趣和创造性思维。

1.3 视觉导向机器人对实践教学的提升

在培养具有创新精神和创业意识的应用型人才过程中，实践教学是巩固理论知识并将知识内化为能力的重要环节，是培养学生掌握科学方法和提高操作能力的必由之路[6]。而自动化专业知识体系更新快、需要学生实践创新能力强的特点，更突显专业实践教学的重要性。好的实践教学能较好地发挥学生自主学习能动性，有助于学生理解所学内容以及内容之间的相互关系。

视觉导向机器人是光机电一体化的典型应用，对其操作使用开发不仅需要多专业课程知识的融合，还要根据项目完成的实际情况学习其他知识，进行必要的拓展延伸，更需要学生相互协作，从不同的角度思考解决问题。在自动化专业的实践性环节中,以此为平台来开展实践教学活动,可以培养学生的自主学习能力、设计创新能力、动手能力、综合应用以及团队协调能力,全面提高专业技术水平，从而提升实践教学的效果和质量。

2 视觉导向机器人创新能力培养平台的构建

视觉导向机器人创新能力培养平台以软硬结合、四级驱动方式进行构建。硬件包括校内实验室的创建、见习企业群的对接以及合作共建实习公司，软件是指专业指导师资队伍建设，由此形成多维结构一体的实践创新能力培养体系，多方位促使学生在深化理解理论知识的同时，能够促进启发学生的创新思维与意识，同时在综合实践能力、工程应用能力、团队协作能力方面也得到相应的锻炼提高，培养出符合现代自动化专业需求的创新型人才。

2.1 创建校内实验室

在学生创新能力培养体系中，校内实验室建设扮演着重要角色，为此我们专门创建了机器视觉与自动化技术实验室。实验室前期与企业合作，设计搭建了基于多目视觉的三轴直角坐标机械手系统，可用于生产线产品的检测、分类、识别等。该系统包括视觉检测模块、机械运动模块和电气控制模块，融合了“PLC技术”、“检测技术”、“图像处理”、“电机及运动控制”等课程知识内容，其中视觉检测模块可进行一维、二维条码的读取、光学字符识别、表面缺陷检测、目标完整性检测以及目标大小尺寸的测量；机械运动模块可基于机器视觉检测结果引导三轴直角坐标系机械手完成目标抓取及安装，还可以进行写字、画画等有创意的实验；电气控制模块主要是配合视觉检测模块，完成对应的逻辑控制功能。系统实体及控制示意图如图1所示。

相对于直角坐标机械手，关节式机械手也是当今工业领域中最常见的工业机器人形态之一。它是一种适用于靠近机体操作的传动形式，可实现多个自由度，动作比较灵活，适合于几乎任何轨迹或角度的任务，可以自由编程完成全自动化的工作来提高生产效率，比如自动装配、喷漆、搬运、焊接等。同样基于我们要求，与企业合作构建了Eye-in-hand和Eye-to-hand两种机器视觉可选的六轴关节式机械手。基于该系统同样可以完成上述直角坐标机械手完成的任务，只是控制方式、行为轨迹等有所不同。总之，学生在这两类系统上可以得到目前流行机器人在工业生活应用中几乎所有的锻炼，并可在此基础上，在新旧领域进行创新思维和应用。

2.2 对接见习企业群

工信部赛迪研究院发布的《中国机器人产业发展白皮书》中称，建立校企联合培养人才的新机制，加强人才队伍建设。为此对人才创新能力的培养在充分开拓校内资源的同时、也积极开拓校外资源，让学生亲身感受视觉导向机器人的实际开发和应用现场，以便在自行开发中让设计更切合于实际，过程更趋于标准、专业。为此我们甄选了机器人相关的研发和应用企业，寻找渠道与这些企业对接，同意学生在每年的自动化专业认识实习周内去见习，实地感知机器人的操作和应用(见图2、图3)，熟悉其产业环境和流程；最后，针对行业技术热点以及发展趋势，邀请他们与学生进行交流探讨。

图2 铭赛机器人

图3 遨博机器人

见习企业群在职责明确，稳定发展的前提下，不断扩展，并根据研发应用类型归总，在专业知识涵盖领域，未来计划伸展到产业的各个层次，形成立体化的认识实践企业群库。江苏省机器人与智能装备产业技术创新战略联盟设在常州，面向全省吸收了机器人与智能装备的骨干企业与科研院所，形成了江苏机器人与智能装备产业链配套的产业体系。这为我们见习企业群库的未来完整构建提供了便利。

2.3 共建实习公司

共建实习公司是充分利用校外资源，提升学生创新实践能力的又一渠道，但现行大多企业对实习基地建设兴趣有限，这使得学校往往处于被动状态，究其原因是缺乏长期稳定的双赢机制，企业不能获得可观的既得利益。我们的做法是为视觉导向机器人相关设备供应商在学校创新园区提供优惠场地，企业入驻以后代理其公司授权产品的同时运作其母公司的应用项目，而在其应用项目的开发过程中，准许我们学生参与其中，学习跟进，使之得到专业系统的锻炼，同时企业也为自身挑选储备技术人才。对学校和企业来说，该模式各得其利，实现双赢，但也有缺憾，先期企业容量有限，学生只能通过选拔，优中选优进入企业实践。未来希望这种模式推广开来，更多的企业入驻，弥补其弊。

2.4 建设专业指导师资队伍

教师是培养学生创新能力的实施者[7]。要保证所构建硬件平台实践教学有序进行，培养出社会需要的人才，必须要有合格的指导教师。为此我们首先从专业教职人员中遴选出具备机器视觉和机器人等相关学科背景的教师组成专业指导师资队伍。这些教师学术水平、科研能力是比较强的，但由于大多教师是从学校毕业后直接到学校应聘，由此存在缺乏社会和工程实践经验的问题。我们要求硬件平台供应商对指导教师进行深度培训；同时鼓励指导教师投身企业实践，与相关企业进行横向项目的申报实施，不断提高自身的工程应用能力；另外也欢迎指导教师基于现有平台申报纵向课题进行基础应用研究，研究成果回馈指导学生，开阔他们的创新思维。

3 创新能力培养实践成果

视觉导向机器人创新能力培养平台从初始构建至今，初具形态，还在实践中不断完善，已在教师教学科研和学生培养上取得了一些成果。在教学科研方面，申请立项机器人和机器视觉方面的国家级及省部级纵向项目3项，校级教研课题2项；发表论文10余篇，其中SCI检索2篇，EI检索6篇，中文核心4篇；申请国家发明专利18项，还参编3部控制器和电机方面的教材。在学生创新能力培养方面，基于该平台除了常规实践活动之外，还申请参加了大学生创新创业训练计划项目，台达杯两岸高校自动化设计大赛等，其中基于项目内容申请了3项国家发明专利，具体成果见表1。另外，通过该平台培养的学生当中，参加考研的学生由于复试中的优秀表现，如愿录取并拿到了奖学金，而参加工作的学生不少选择了机器视觉以及机器人相关的公司，其薪资水平相对于传统自动化科技公司平均要高30%左右。综上所述，将实践成果汇总于表1所示。

表1 实践成果

4 结语

我校自动化专业在充分调研的基础上，以将会深化发展，广泛应用的视觉导向机器人为着力点，来构建专业的创新能力培养平台，探索培养专业创新工程实践人才的新模式，培养提升了专业学生的创新意识、创新思维和综合实践能力，取得了阶段性成果，得到了师生的肯定，并激发了新进专业学生的极大兴趣来主动积极参与。未来将会更加完善平台四级驱动各级环节，并吸取其他创新能力培养平台构建以及管理的先进方式经验，深入自动化专业学生创新能力培养的实践探索。