机器人创新实验室建设方案

1深圳德普施科技有限公司深圳德普施科技有限公司深圳德普施科技有限公司深圳德普施科技有限公司机器人创新实验室建设方案机器人创新实验室建设方案机器人创新实验室建设方案机器人创新实验室建设方案2基于机器人的创新型工程训练方案目录一、概述…………………………………………………………………………2二、教学法—基于机器人的工程对象教学法………………………………31、工程对象教学法的基本概念……………………………………………32、工程对象教学法的体系架构……………………………………………33、基于工程对象教学法的工程能力与素质培养体系架构………………44、合作伙伴…………………………………………………………………5三、机器人及应用体系简介……………………………………………………71、功能及特点概述…………………………………………………………72、应用体系…………………………………………………………………93、应用体系中的创新点……………………………………………………9四、基于机器人的创新型工程训练建议方案…………………………………101、实施策略…………………………………………………………………102、产品介绍…………………………………………………………………121）基础教育机器人………………………………………………………122）高级教育机器人………………………………………………………163）机器人传感器…………………………………………………………234）智能教育机器人………………………………………………………30五、基于教育机器人的创新应用案例…………………………………………361、机器人选修课与普及型比赛的结合案例……………………………362、基于机器人的综合专业素质训练课案例……………………………383、基于机器人的基础认知训练课程案例………………………………384、基于机器人的专业设计与创新制作训练课案例………………………395、学生作品………………………………………………………………396、机器人比赛规则（推荐）………………………………………………40六、系统总预算（参考）………………………………………………………403一、概述随着信息与自动化技术的发展，许多创新的工程专业都有了共同的专业基础和综合课程，如电子电路、检测技术与传感器、嵌入式微控制器等。创新教育机器人的目的就是为各类高等院校的学生提供一个综合实验平台，进行单片机和微控制器、数字电子和模拟电子、数字逻辑、工业传感器和工业控制、基础机器人等课程的学习和实践，同时也为参加中国大学机器人电视大赛和中国机器人大赛等提供硬件和软件支持。机器人是一种能够通过程序控制，能自主完成某类任务的机器系统，机器人的应用范围十分广泛，可以用于工业、农业、医疗、空间探测、教育领域等等。教育机器人则是一类应用于教育领域的机器人，它一般具备以下特点：首先是教学适用性，符合教学使用的相关需求；其次是具有良好的性能价格比，特定的教学用户群决定了其价位不能过高；再次就是它的开放性和可扩展性，可以根据需要方便地增、减功能模块，进行自主创新；此外，它还应当有友好的人机交互界面。众所周知，机器人是非常典型的机电一体化系统，它融合了机械、电子、传感器、计算机软硬件、控制、人工智能和造型技术等众多的先进技术，随着技术和产品的不断发展，机器人的种类越来越广，成本也越来越低，是高等学校开展工程训练、教学实验、课外创新活动和科研最为理想的平台。二、教学法----------------基于机器人的工程对象教学法1111、工程对象教学法的基本概念工程对象教学法是一种基于典型工程对象进行教材编制，并将理论讲解、实验教学、实践教学与创新活动等融为一体的创新型工程教学方法。为工程教育领域熟悉的“项目教学法”、“案例教学法”都是工程对象教学法的表现形式。本教学法的教学模式有两大显著的特点：�按照“任务驱动”的模式分解课程的知识点；�按照“实践－归纳－推理－再实践”的模式讲课，完全打破“讲课＋实验”的传统模式，将讲课与实验合二为一，其结果是：老师“在讲中做，在做中讲”，学生“在学中做，在做中学”。为了实现该模式，必须重新编写教材，教材主要任务是：基于工程对象设计典型的4操作任务，将某课程或某项技能训练所包含的知识点打散，按照任务驱动的模式重新编排、讲解相关的知识点，用多少，讲多少，但从整体而言，所有任务应覆盖所有相关知识点。其突出的优势在于：1）将教学活动中各单个知识点分散逐步教授给学生，学生更加直观地理解相关知识，了解相关单元技术在系统中的作用、地位及与其他单元技术协同工作的机理，从而帮助学生深入理解本单元技术，将本课程的知识真正掌握；当将典型工程对象引入实践教学时，可使学生更全面、系统地理解、掌握所学知识和所训练的各项技能，使知识融会贯通。2）丰富的、带有执行机构的对象可激发学生的学习兴趣，让学生从“被动接受”转为“主动理解与学习”。3）根据就教学改革要求重组教学计划，按照学校的实际情况灵活运用。尤其是可以更多地采用“校企合作”的模式，将教学与社会对人才的需求结合起来，达到“教书育人”的目的。2222、工程对象教学法的体系架构下图概况地反应了工程对象教学法与各环节的关系，该教学法的应用方案包括课程教学、工程训练、学生课外科技创新活动、学生的综合设计如课程设计、毕业设计等，它们应该是分模块、多层次、系列化的；整个教学法的建设目标是提高学生的实践能力、创新能力和工程素质，培养学生掌握按照现代系统论的世界观与方法论分析工程问题、解决工程问题的基本方法。典型工程对象系列配套教材设备研制合作伙伴教学法研究合作伙伴教材编写合作伙伴教学法推广实践基地工程对象教学法课程教学综合设计工程训练课外创新系统的工程世界观与方法论实践能力工程素质创新能力3333、基于工程对象教学法的工程能力与素质培养体系架构下图是基于工程对象教学法的学生工程能力与素质培养的体系架构。5该图系统全面地反应了对大学生能力与素质培养的主要观点，主要有：1）实践能力、创新能力和工程素质的形成并不能仅靠工程训练或实践训练形成，还与理论教学紧密关联；系统的工程世界观与方法论，既是典型工程对象选择的依据，也是理论教学和实践教学要达到的核心目标；2）典型工程对象的种类可以很丰富，既可以覆盖学生学习的全过程，也可以面向某门课程；其用途既可面向理论教学，也可面向实践教学，还可包含综合设计教学如课程设计和毕业设计等；而实践教学有的面向全体学生，有的仅面向部分尖子学生，我们倡导工程对象教学法应尽可能面向全体学生，对于部分基于工程对象的课程教学在时机未成熟时可先开设实践教学的选修课；3）认知实践应该分系列、分层次，并贯穿学习的整个周期。基础认知实践，应包括工艺知识、常用工具、基本的调试方法等，使学生在专业学习之前对本专业技术概况有初步了解，激发学习兴趣；专业认知和综合认知实践对专业知识学习、对学生了解工程系统、工程产品等都有很大帮助；从更广义的角度定位，认知实践的内容具有巨大的综合工程能力与素质实践教学系列典型工程对象理论教学毕业设计实践能力创新能力工程素质系统的工程世界观与方法论综合通用典型工程对象专业基础课教学课程设计专业课教学技术基础课教学毕业实习专业实习专业认知实践中级创新实践综合认知实践基础认知实践基础创新实践综合创新实践综合专业对象专业专用对象综合大系统基础通用对象基础专用对象综合专业对象专业专用对象综合大系统一年级二三年级三四年级基于工程对象教学法的工程能力与素质培养体系架构6拓展空间，可以涉及工程管理认知、企业运作认知、就业岗位认知等诸多岗前培训内容。4）创新实践活动主要面向部分能力强的学生，针对大学生在不同阶段能力的差异，创新实践活动也应该系列化、分层次。4444、合作伙伴为了使工程对象教学法得到有效的推广，我们采取了开放的模式构建体系，基本思路有：1）引进与自主研发相结合。首先全套引进美国帕拉斯公司的机器人系列产品和教材，在消化吸收的基础上，对产品、教材进行了本地化和升级设计，现已形成具有自主知识产权的系列产品、方案和教材；2）与专业领域的院系合作，精心选择适合该领域的典型工程对象，针对性研制实验、实训设备，编制相应的教材等；3）与各类学校建立层次丰富、形式灵活的共建实验室。我们现已与东南大学工程训练中心、东北大学机械学院、深圳职业技术学院等多所大学的院校或工程训练中心建立多个共建实验室，共同探索工程对象教学法的理论、产品、方案和教学法。下表是部分合作伙伴和合作内容介绍。类别单位名称合作内容简介设备研制合作伙伴美国帕拉斯公司教育机器人研制华中科技大学传感器与检测对象研制教材编写合作伙伴帕拉斯公司基于教育机器人的系列实训教材中国海洋大学C51机器人与C语言程序设计深圳职业技术学院工学结合系列教材编写常州轻工职业技术学院高职版传感器与检测技术编写电子工业出版社工学结合系列教材出版已开展合作的典型伙伴华中科技大学机械学院工业机械手实验教学方案开发深圳职业技术学院系列工学结合教学法研究与实践东南大学工程训练中心面向全校所有专业的机器人选修教学法研究西安理工大学工程训练中心面向一年级学生的基础工程训练法研究7三、机器人及应用体系简介1111、功能及特点概述德普施将机器人作为典型工程对象引入工程教育，已经形成了丰富的系列，主要有三大类：基础教育机器人、高级教育机器人和智能机器人。1.11.11.11.1基础教育机器人在美国帕拉斯公司的系列教育机器人的基础上本地化而来，它专门为工程教学、实验、实训、课外科技创新实践、综合设计等而设计，有如下特点：（1）采用开放式金属结构设计，所有教育机器人均可由学生自由拆装，进行制作与编程实训；也可进行结构创新设计和实践。（2）提供系列化的中英文实训教材和部分面向信息类课程的教材。实训教材非常浅显易懂，适合自学；课程教材按照任务驱动的模式编排知识点。（3）控制器系列化，提供代码级的开发接口，支持多种开发语言，便于教学、实践与创新，可满足多层次需求。所有机器人现已支持PIC/BS系列、C51、AVR等单片机和ARM控制器；其中，PIC/BS系列控制器采用BASIC编程语言，其余的控制器可支持C语言和汇编语言。这种产品规划给学校的实验室建设提供了巨大的便利和扩展空间，可满足多种技术基础课如单片机、C语言、AVR单片机、ARM控制器等的教学平台，也可作为各年级学生的创新实践载体，也可作为综合设计如单片机、C语言、ARM等课程的课程设计和毕业设计的平台。（4）产品系列化，可满足多层次需求。有宝贝车机器人（轮式、履带式、爬虫式）、相扑机器人、步行机器人、铁甲虫机器人、工业机械手和人形机器人等，宝贝车机器人/相扑机器人还同时支持多种机械结构套件。一方面，可使学生对多种应用形态有了解，另一方面，形成不同的难度，可满足不同基础的学生、不同专业的学生选用。（5）提供了灵活和丰富的传感器及传感器接口方式，使扩展应用非常丰富，也使用途变得丰富多彩。通过标准的传感器接口可支持20多种传感器模块，通过小面包板可搭建简单的传感电路。（6）提供了面包板，为综合实训和扩展应用提供便捷的平台。既可作为电子电路的基础实训，也可作为传感电路的实训平台。81.21.21.21.2高级教育机器人专门为面向工程专业学生和老师进行教学、实验与实训、开发、科研而设计。现有五自由度、六自由度等多自由度串联关节机器人、多种关节爬虫机器人和人行机器人，也有SCARA机器人、直角坐标机器人。它们为学生提供了开放的综合创新实验环境，帮助学生了解多关节机器人的组成及操作，帮助学生理解各单元技术的工作机理及其与其他单元技术之间的协作机制等。主要包括如下特点：（1）采用工业化标准设计，平台关键部件全部选用工业级产品，可同时兼顾教学、实训和科研；（2）控制系统硬件采用多轴一体化运动控制与驱动器、带绝对编码器的交流伺服电机，结构紧凑，可靠性高；（3）采用工业机器人离线编程平台，并提供源代码级二次开发工具，方便用户进行二次开发。1.31.31.31.3智能机器人集教学、研究和比赛于一体的综合平台，具有可靠