基于“专业认证+新工科”的类人机器人实验室建设

朱海荣, 吴 瑜

(1. 南通大学 电气工程学院, 江苏 南通 226019；2. 江苏工程职业技术学院 机电工程学院, 江苏 南通 226007)

据教育部门权威统计,工科是目前我国高等教育第一大学科,开设自动化专业的高校占全国工科高等院校的90%以上。在科技飞速发展的今天,自动化技术已经渗入到各行各业,大到航空航天、深海探测,小到家用电器、儿童玩具。随着自动化技术的广泛应用,社会对自动化专业的人才需求量越来越大,自动化专业的设立正是随着自动化技术在各领域的广泛应用而兴起的[1]。2015年,国务院正式印发了《中国制造2025》计划,全面推进实施我国的制造强国战略[2]。要尽快完成我国从制造业大国到制造业强国的转变及早日实现《中国制造2025》计划,离不开自动化技术对制造业的强力支撑。这就需要工科院校在自动化专业教育方面借鉴发达国家的先进经验,结合自身的办学特点,实施成果导向式教育,创办出行业特色鲜明的自动化专业教育[3]。

国际工程教育专业认证可以实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认,是目前国际上通行的工程教育质量保障制度[4]。2006年,教育部着手启动工程教育专业认证试点工作,经过10年努力,我国于2016年成为国际工程教育《华盛顿协议》正式会员国,标志着我国工程教育质量标准得到了国际认可。2017年,教育部与时俱进地提出了“新工科”建设理念,一方面加快发展新兴工科专业,一方面对传统工科专业进行升级改造,要求各高校在未来战略必争领域的人才培养方面尽早布局,全面提升我国的“硬实力”。截至2017年底,教育部高等教育教学评估中心和中国工程教育专业认证协会共认证了全国198所高校的846个工科专业。通过专业认证,标志着这些专业的质量实现了国际实质等效,进入了全球工程教育的“第一方阵”[5-6]。

南通大学自动化专业是省特色专业、省品牌专业、省卓越工程师教育培养计划试点专业和省“十二五”高等学校重点建设专业,目前已提交了工程教育专业认证申请报告,正准备迎接教育部专家进校开展认证工作。

1 培养目标和毕业要求

工程教育专业认证是一种以培养目标和毕业要求为导向的合格性评价机制,认证的核心是保证毕业生达到行业认可的既定质量标准要求[7]。课程体系、师资队伍、办学条件等均围绕学生毕业能力达成这一核心任务展开,并建立持续改进机制,以保证专业教育质量和专业教育活力。

1.1 培养目标和毕业要求

自动化专业的培养目标，是培养能够在工程实践中全面体现健全人格、人文素养、社会责任感和职业道德等素质,能够综合运用自动化领域相关的基础理论与专业知识,具有分析和解决自动化领域复杂工程问题的能力,能够及时跟踪国际国内本专业领域的发展动态并应用于工程实际,能在自动化工程领域,独立或领导团队在自动化设备的运行维护、自动化装备的设计制造、自动化产品的研发应用、自动化工程项目的实施管理等方面取得成就的应用型高层次人才[8-10]。

根据国际工程教育专业认证的要求,自动化专业毕业生应获得工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具、工程与社会、环境和可持续发展、职业规范、个人和团队、沟通、项目管理和终身学习等12个方面的知识和能力。

1.2 课程体系

为了达到上述毕业要求和毕业目标,本专业在课程体系设计中采用基于成果导向的反向设计思想,通过校内外专家论证、企业走访和研讨、校友调研和座谈回访、应届毕业生座谈等多种形式和渠道,制定并调整专业人才培养计划。总体思路如下：

(1) 通过调查研究,了解社会和经济发展对专业人才的需求及行业企业对人才知识能力素质的要求,确定符合社会经济发展和行业企业发展需要的培养目标。培养目标应能反映学生毕业5年后在专业领域应达到的成就和水平,且应符合学校培养应用型人才的办学特色。

(2) 根据培养目标,修订专业人才培养标准,即对12个方面的毕业要求进行细化分解,形成毕业要求指标点,使之可实施、可衡量。毕业要求应能支撑培养目标的实现。

(3) 以培养学生解决复杂工程问题的能力为主线,根据毕业要求指标点配置课程体系,使理论教学环节和实践教学环节相互融合,尊重认识—实践—再认识的客观规律,并根据课程先后逻辑关系,安排课程开课学期。

(4) 根据毕业要求指标点的分解结果,确定课程教学目标,修订教学大纲,规划课程教学内容和方法,落实课内外学习要求和考核方法,以保障课程对毕业要求指标点的达成。课程大纲必须明确课程内容及教学环节对指标点达成的支撑与对应关系。

(5) 定期通过校内循环和校外循环对课程体系进行评价和修订,使专业课程体系能够满足毕业要求达成需要,培养符合社会和行业等各方期望的专业人才。

图1为自动化专业的课程体系结构图,主要包括人文社科类课程、数学与自然科学类课程、工程及专业相关类课程、工程实践类课程。

图1 自动化专业课程体系结构图

各类课程中所设置的具体课程能够支撑标准中的各项毕业要求,课程的内容及其考核方式可以有效支撑各项毕业要求的达成。通过选课和最低学分要求,可使全体学生选修的课程能够满足各类课程学分分布要求。

课程体系的学分结构达到教育部自动化专业教学指导委员会和工程教育专业认证的普通标准和补充标准,具体如表1所示。

表1 课程体系中各类课程的学分统计

2 类人机器人实验室建设

为了培养学生解决复杂工程问题的能力和工程设计能力,自行研制了类人机器人,建立了类人机器人创新实验室。学生可以在实验室综合运用数学建模、电路原理、模拟电子技术、自动控制理论、电机拖动原理、传感器与检测技术、计算机控制技术、电力电子技术、单片机原理等课程的知识,以ATmega128作为控制器设计类人机器人,并对其进行步态规划,使该类人机器人能完成前后步行和翻跟头等动作。

不同于大多数高校目前现有的实训装置,该类人机器人创新实验平台具有很好的开放性,学生可以在该实验平台上进行硬件扩展、自行编写底层软件算法[11-12]。学院定期举办校级机器人大赛,要求自动化专业的学生综合运用所学专业知识,结合比赛要求,设计特定功能的机器人。学生会不断对机器人进行完善,以取得更好的参赛成绩。正是在一次次的系统改良和创新中,很好地培养了学生解决复杂工程问题的能力和工程设计能力[13]。

2.1 类人机器人硬件设计

以某个学生设计的一款类人机器人为例,介绍其硬件设计方案。这款类人机器人的硬件系统由主控模块、电源模块、舵机控制模块以及无线通信模块组成,系统硬件模块框图如图2所示。

图2 硬件模块框图

(1) 主控模块。使用ATmega128单片机作为主控制器。这是一款基于增强型的AVR RISC结构的低功耗8位微控制器,数据吞吐量可达到1 MPS/MHz,从而可以很好地缓解系统功耗和处理速度之间的矛盾。单片机最小系统的硬件电路主要由时钟电路、电源电路、复位电路、JTAG接口和通信接口等组成。

(2) 电源模块。可靠的电源方案是硬件电路稳定运行的基础,除了考虑电压范围和电流容量等参数外,还要在电源转换效率、降低噪声、抗干扰等方面进行优化设计。由12.6 V、2 000 mA/h的锂电池供电,通过稳压模块分别转换为9.6 V和5 V电压,分别给舵机和单片机、显示屏、按键检测电路和无线通信模块等供电,电源模块如图3所示。

图3 电源模块

(3) 舵机控制模块。采用AX-12型智能数字舵机作为类人机器人的关节驱动,该舵机具有位置、速度、力矩和温度反馈,拥有高扭矩输出和易于固定的特性,具体参数如表2所示。

表2 AX-12数字舵机主要参数

主控制器与AX-12型舵机之间有“命令数据包”和“状态数据包”2种类型的数据包,舵机通信示意图如图4所示。

图4 舵机通信示意图

(4) 无线通信模块。采用XL02-232AP1系列无线通信模块与上位机进行数据传输,以实时获取类人机器人的关节角度和扭矩等姿态信息,便于系统调试,如图5所示。

图5 无线通信示意图

(5) 类人机器人本体。设计完成的机器人本体实物如图6所示。

图6 类人机器人本体实物图

2.2 类人机器人软件结构

类人机器人软件结构主要包括初始化模块、中断仲裁模块、显示模块、按键处理模块、舵机控制模块、无线通信模块。软件总体结构框图如图7所示。

图7 软件总体结构框图

3 解决复杂工程问题能力的培养

3.1 总体方案

本专业着眼解决“复杂工程问题”,依据“现代大工程观”理念,按认识论观点与理论课程融合、分层次循序渐进,最终达成毕业要求中与解决复杂工程问题有关的要求。将培养学生解决复杂工程问题能力培养贯穿于4年本科教学中,从大一开始,根据基于成果导向教育的反向设计原则,按认识论观点,将解决复杂工程问题能力培养融合于人文社科类课程和实践、数学与自然科学类课程和实践、工程基础类课程和实践、专业基础类和专业类课程和实践中,分层次循序渐进。

通过人文社科课程和实践,培养学生人文素养和人文精神,使学生发现自然科学、社会科学以及人文科学之间的关系,培养学生健全的人格、社会责任感和职业道德,实现学生核心素养养成,为学生解决复杂工程问题提供能力基础。

通过数学与自然科学课程与实践,培养学生将所学过的数学、物理理论和实践用于解决实际问题的能力,培养学生严谨的实验科学思维与创新源于实践的方法论,为学生解决复杂工程问题能力的培养提供学科基础。

在工程基础、专业基础类课程和实践中,训练学生基于技术与非技术要求的工程实践综合能力,使学生具备解决复杂工程问题能力所需的专业技术基础,并使学生在初步的工程应用中实现专业技术应用能力的养成。

在专业课程和课程设计中,使学生通过综合考虑与“自动化”领域工程问题相关的各关联子问题之间、系统与外部环境之间等多种因素,培养系统分析、数学建模、系统设计等方面的能力,完成学生工程设计和系统实现能力的养成,使学生基本具备解决复杂工程问题的能力。

在专业综合实验、工程应用综合设计、生产实习、课外科技创新和毕业设计中,进一步培养学生认识和理解工程实际、综合运用理论及提高解决工程实际问题的能力与创新意识,使学生具备解决复杂工程问题的能力。

3.2 类人机器人所发挥的作用

上述类人机器人创新实验平台是一个完整的自动化控制系统,学生可以综合运用电路理论、模拟电子技术、自动控制原理、数学建模、计算机控制、单片机原理、电力电子技术、传感器与检测技术等专业课知识,在创新实验室完成方案论证、系统建模、硬件设计、程序编写、系统联调等研究工作。对类人机器人进行复杂工程问题特征的分析如下。

复杂工程问题特征1：必须运用深入的工程原理,经过分析才可能得到解决。

在实际的控制中,为保证类人机器人的安全运行需要一些约束条件。根据下达的任务,需要学生给出初步的设计方案,包括类人机器人本体机械结构,控制器、舵机、电源等硬件选型,系统联调方法,性能指标测试方法等。这就要求学生能够灵活运用相关基本知识原理,也需要学会查阅学术文献,阅读中、英文器件手册等。

复杂工程问题特征2：涉及多方面的技术、工程和其他因素,并可能存在相互冲突。

类人机器人涉及电气、电子、建模、控制、测量、机械、计算机应用等多方面的技术,在工程方面需要考虑机器人步行快速性和稳定性之间的矛盾、舵机速度控制系统设计与参数整定等,这些方面的技术指标、工程难易度、可靠性和造价等不可避免地会有一定冲突。

复杂工程问题特征3：需要通过建立合适的抽象模型才能解决,在建模过程中需要体现出创造性。

类人机器人是一个典型的非线性系统,机器人的各个关节需要协调配合,才能仿照人类的姿态实现步行、翻跟头等功能。为此,首先需要通过理论分析,建立类人机器人的运动学及动力学模型,得到每个舵机的最大角度范围。针对该非线性控制问题,如何建立抽象模型,并得到合理的控制参数,需要一定的创造性工作。

复杂工程问题特征4：不是仅靠常用方法就可以完全解决。

类人机器人具有多关节、多自由度、多变量、强耦合和非线性的特点,很难直接对其进行运动学和动力学求解,必须综合考虑科学原理和工程应用实际,平衡利弊,通过理论分析获得类人机器人的运动学及动力学特性。在此基础上进行步态规划,再结合电气、电子、控制等综合分析方法,才能设计出理想的类人机器人。

复杂工程问题特征5：问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中。

本科教学中,“自动控制原理”“现代控制理论”等课程讲授内容以线性系统问题分析和求解为主,而且往往直接给出系统的数学模型。相对授课知识内容范围,类人机器人所涉及的系统建模、控制算法的深度要更深、难度要更大。另外在设计过程中涉及的类人机器人的动力学特性,不在本专业本科教学范围内,学生需要自学相关原理基础知识,并在系统设计中加以运用。

复杂工程问题特征6：问题相关各方利益不完全一致。

对于需要商业化的实际工程项目,需要考虑利益问题。如机器人运行的稳定性和快速性的矛盾,控制精度和工程造价的矛盾。此外,算法复杂度与工程可实现性的矛盾,另外各控制性能指标间是相互制约的,需要学生对各方利益进行平衡，找到解决问题的折中点。

复杂工程问题特征7：具有较高的综合性,包含多个相互关联的子问题。

类人机器人具有较高的综合性,涉及电气、电子、建模、控制、测量、机械、计算机应用等学科知识。整个设计过程包含了本体机械设计、运动学及动力学建模、系统控制元件设计计算、步态规划、系统单元调试及性能测试记录等子问题,而且这些子问题是相互关联的。

4 结语

我校自动化专业在“新工科”背景下,根据专业改革和专业建设过程中存在的问题,以工程教育专业认证为契机,以提高学生解决复杂工程问题的能力为核心目标,建立了类人机器人创新实验室。学生可在该创新实验室综合运用所学的专业课知识,开展方案论证、系统建模、硬件设计、程序编写、系统联调等研究工作,使学生初步获得自动控制系统集成的概念和工程动手能力,学会分析和解决实际工作中出现的问题,能够运用现代工程工具和信息技术工具对复杂的自动化问题进行预测和模拟,并理解其局限性,从而满足工程教育专业认证的要求。

本论文得到江苏高校“青蓝工程”资助，特此致谢。