机器人制作给大学生动手能力培养带来的启示

孟　浩

摘要：大学生工程训练是提高大学生动手能力的一个有效方式。简易智能机器人制作项目的开展能使参与的学生在机械、电子、计算机软硬件等方面得到较大的提高，它不但可以培养学生们分析与解决具体问题的能力，也可以培养不同专业学生进行具体零部件的加工制作能力，有效地加强了学生们的创新思维和工程实现能力。本文通过简易机器人制作项目的开展对大学生动手能力的培养进行了总结。

关键词：智能机器人；科技创新活动；动手能力

中图分类号：G642文献标识码：B

目前国际上研制出的机器人可谓种类繁多，外形各异。其中具有较高人工智能水平的机器人可以完成复杂的动作，属高端机器人，其体积往往较大；而利用单片处理器实现控制的简易智能机器人，则可以看作中档机器人，其体积一般较小；相对而言，非处理器控制的机器人，可看作低档机器人，一般结构简单，多用于研究或实验目的。

机器人制作作为大学生科技创新活动的展示与比赛经过多年的培育已得到了社会的极大关注，也激发了大学生们的参与热情。尽管以此作为培养太学生动手能力的教学模式还在探讨之中，但经过多年的实践，我们感到至少在以下几方面得到了体现：

1机械设计能力的培养

机器人中常用的机械设计主要应用一些连杆机构，带传动机构，连轴器，轴(承)座等简单的机械机构，相应的机械设计中还会涉及到一些部件的安装固定，整机各部件的位置配合，整机的装配设计等，参与的同学从零部件的设计到整体装配的各环节都能得到锻练。任一个环节考虑不周，就可能造成返工，这样既浪费又可能延误进度。

机械设计中一些工量具的使用，位置的测算，外购件的位置与尺寸的测量也是一个极有价值的锻练。简易机器人所涉及的设计能力并不复杂，但要它求同学们从局部到整体进行全面的考虑，所以说它是一个较好的训练项目。

对于工科专业的学生，在学习过机械原理，机械制图的情况下并不会感到特别困难，而对于其它专业的学生来说，容易存在无从下手、想像不切实际的问题。尽管大型的机器人项目可以将不同专业的工作按人员进行分组，但对于简易型的项目说，同学们不得不完成跨学科的工作。

通过简易机器人的设计与制作，把机械、电子、计算机、软件工作融为一体，建立一个整体设计观念是非常有益的。

2机械加工能力的培养

实物机器人必不可少的要进行一些简单的机械加工，自己动手是这项活动的意义所在。由于简易机器人的选材多数以轻便材料为主，所以塑料件、铝件、胶木件是选择的主要对象，可以考虑选用常用的管型铝材，角型铝材。加工的强度与精度一般要求不高，大多可以在实验室通过手工操作达要设计要求。操作难度可能在于其体积往往较小而结构复杂、制作材料难以获得上。

机械加工中常用的加工工具，工量具，钳工工具，使用方式方法对于非机械类专业的学生来说有一定的困难，大多数同学根本没有使用过这些工具。可以得到锻炼的工作有划线、打孔、锉平、锉园、攻丝、锯断、打磨等，工量具的轻拿轻放、加工过程中的自我保护、工具的保养等等都是训练的内容。

机械加工能力的培养，可以从工具的认识、简单的使用方法的演示、独立模仿摸索，由易而难的展开方式来实现。第一次看别人操作，然后再自己独立完成，同学之间互相交流共同提高。

3电路设计能力的培养

电路设计是机器人电子系统从无到有的过程，也是关键工作之一。大多数机器人都需要控制与检测电路，以获得必要的信息反馈和动作执行。电路设计的环节包括初步的试验(搭建整体或部分电路)、电路参数的调整、元器件的选择、初步试验、确定方案等环节，最终还要与执行机构、控制软件共同调试并反复设计。电路设计大多要涉及到微控制器(或单片机)及相关集成电路，单片机的选型、接口芯片的选择、驱动能力的测算、控制电路的最终体积等等都需要反复论证与实验，电源系统更是一大难题。机器人设计中的许多电路可能书本上并没有针对性的介绍，而同学们必须在理论教学与实践应用中进行综合与发挥。

机器人项目的电子设计是一个系统工程，它不是一个独立的部件，往往没有现成的参考。这个过程不但要求参与设计的同学掌握相关的电路知识，还要求有较好的综合应用能力。简单合理的电路设计是一个重要的标准，各模块电路之间的接口要求同学们进行多次充分的协商，它可以极好地训练团队的协作。可以说，机器人项目在电路的设计上对同学们的锻炼优于其他项目。

4电路板设计与制作能力的培养

电路板是电子元器件的载体，同时又是连接元器件的线路。电路板的设计关系到电路工作的方方面面，它是一个看似简单实际上综合了许多的相关知识的工作。电路板的设计对于许多学生来说是陌生的。元器件的摆放位置、功率导线的宽窄、接插件的位置、安装固定孔的确定、焊盘与过孔的大小、甚至最终的外形尺寸都要统一考虑。熟练掌握一种电路板辅助设计软件是必要的，它不但可以提高电路设计的效率，还可以提供许多集成电路的详细信息。在这种实际工作中的训练，远比在课堂上的学习要有效的多。

从电子线路设计软件中获得的印制板图到最终加工完毕对同学们来说是一个很大的进步，它体现了从电路原理到实物形态的飞跃。只有当元器件安装调试成功后，才能说电子线路的设计完成了。这也正是许多学校都把简易机器人制作作为同学们训练的一个首选方案的原因。

5电路焊接与元器件装配能力的培养

之所以在本文强调电路焊接能力是因为我们发现本科生在这方面的训练太少，甚至包括对电烙铁的使用、元器件装拆技巧的掌握都极其缺乏。原本是好的元器件或是印制板，很可能在几次拆装后，轻则造成虚焊，重则报废，给整个制作带来较大的损失。而元器件的装配能力不仅仅是焊接工作，也包括接插件的安装、有关元器件的固定甚至器件的拆卸等。一个看似平凡的工作，对于大部分本科生来说其实并不简单。

6软件编程能力的培养

软件编程是机器人设计中一个必不可少的环节。它的好坏不仅关系到最终功能的实现，还关系到实现的质量、操作的灵敏性、可靠性与准确性，有些甚至是机械或电路都无法实现的功能，要依靠软件来实现。所以说软件是机器人的灵魂，而硬件是机器的机体。

软件设计中最为关键的是机器人的监控程序，一般来说它是机器人加电后所执行的常规工作，而其他具体的功能则可看成是相关的子程序。好的程序设计应该是思路清晰，结构合理，可靠性高，执行效率高等等。

机器人软件编程能力的培养最重要的是考虑问题的全面性。尤其是对于智能机器人，许多情况是由机器人自行推理而执行的(这也包括以单片机为主的机器人)，那么所有的推理结果都应在设计人员的考虑之中，即便是人工智能，也是在设计人员的考虑之中。设计之前由设计制作

小组进行集体讨论，预测出各种可能的情况，制成逻辑推理图或流程图，并针对性地在软件功能中实现，通过反复的试验与检测，将程序进行必要的修改与完善。有时机器人在执行时会出现意想不到的情况，或做出意想不到的动作，这些都是在程序设计时所没有完全考虑到的，需要进行修改。而试验与检测也极为重要，必须要能够提供相关的外部条件，才能了解程序执行的情况，因此软件的模拟应该是试验之前的重要步骤。

7仪器设备使用能力的培养

仪器仪表的使用是一个发现问题的手段，也是判断问题的有效途径，它可以在解决问题的前后反复进行验证，使设计与维修人员掌握电路中电路参量的变化规律与变化过程，是一个极其重要的实验手段。使用仪器来观查或检测电路的工作情况是一个从理论分析到实际验证的过程，能否主动的使用仪器仪表来解决问题，是电子类大学生动手能力培养与锻炼的重要环节。

谈到仪器设备，许多实验室中都不可缺少。在机器人制作中所需要用到的仪器并不是什么高档昂贵的设备，大多数是一些通用的测量仪器。也许许多人会觉得使用这些仪器并没有什么困难，需要检测什么电路量，就选择什么方面的检测仪器，这本来也很容易想到，但事实上不然。同学们在遇到困难时多数情况下并不能想到要使用哪种仪器来测量，甚至不会使用仪器测量。仪器设备的使用是发现问题的第一步，解决人们无法对相关参量的感知问题。对使用仪器的畏惧心理是一个普遍的现象。通过对具体问题的分析与仪器性能的掌握，同学们学会了主动使用仪器。

8资料检索能力的培养

资料的检索能力是从事任何一项科研工作都必须具备的能力，甚至有人认为资料检索能力是人生最重要的能力之一。资料检索不仅仅是指通过互联网进行的资料检索，它可以涉及任何可以触及到的资料，甚至包括不易触及到的资料。资料检索工作往往在设计选型阶段最为繁重，这时的检索面广，涉及的学科多。如器件的选型、供货厂家的查找、价格的询问等等。值得一提的是要注重英文阅读能力的培养，因为许多新器件只有英文资料。同学们经过不断的总结，已习惯于使用网络工具来寻找资料。当遇到刺手的问题时，可以通过较强的资料检索能力来获得解决方案。

由于资料检索的周期较长，任务繁重，往往需要团队中的成员共同来进行，所以这部分工作不止局限于某个人或某几个人，它要求成员们同时完成。这不仅可以使团队中的成员共同了解相关的知识背景和技术状况，也可以使他们在日后的讨论中，在同一个水平层次上进行。

9计划与控制能力的培养

计划与控制能力的培养关系到一个项目能否合理地分配下去，也关系到这个项目能否在预定的时间内顺利完成。计划与控制的好坏甚至会关系到工程的进度，也会影响相关人员的潜力的发挥。计划与控制能力的培养是一个看似简单，但却要经过长期锻炼的内容，它不是哪本书上的理论的应用，而是一个综合能力的培养。它要求从事这部分工作的人员既要对业务有所了解，又要对机器人制作的团队有所了解，还要是一个很有预见的人。经验往往占据了知识的大部分内容，它往往由团队的领袖级人物来担任。我们的经验是由高年级专业的学生业担任，并由指导教师来辅助其开展工作。

10团队协调能力的培养

任何一项工程或工作如果涉及到多人多单位的共同合作，这其中的协调工作就非常重要。要想能按时、按质地完成任务，从任务的分配、计划的明确、工期的催促、质量的控制、半成品的检查到技术问题的共同商讨等，处处都需要协调。

协调者的个人立场、素质、观点也极大地影响了协调工作的有效进行，甚至影响到整个工期的顺利完成。它是一个上传下达的工作，有时既是执行者，又是操作者，完全可以认为这个工作比具体的技术攻关还要重要。

协调中的沟通也涉及多种技巧，有好言相劝、有说服鼓动、也有苦口婆心，甚至有严历的指责。沟通与协调应该是相辅相成的，没有良好的沟通技巧，就不能实现有效地协调。工程项目中的协调决不是一件简单的工作，需要在多次机会中得到锻炼。所以说，目标明确、工作具体的机器人制作可以使大学生得到非常有益的锻炼。

以上观点是我们在实际指导大学生机器人制作活动中的一点体会。从能力培养的角度来说，仅这一点是不够的，但从一个项目入手来丰富能力培养的方法是值得推广的。当然从实际的效果来看远不止以上这些罗列，但一个优秀人才的能力培养需要更多的活动，使之经受更多的磨练。我们将会本着培养大学生实用能力的原则，为他们创造更加真实、完善的环境，为提高新时代大学生的素质与能力而努力。