基于智能机器人项目开展的物联网专业实践教学研究

刘宝静 刘欣欣 邢丹

基金项目：河北省教育厅2021—2022年度河北省高等教育教学改革研究与实践项目“基于智能机器人的实践教学运行模式的改革研究与实践”（项目编号：2021GJJG651）。

作者简介：刘宝静（1973—），女，硕士，河北传媒学院副教授，研究方向为物联网综合创新设计；刘欣欣（1990—），女，硕士，河北传媒学院讲师，研究方向为单片机开发、硬件开发；邢丹（1982—），女，硕士，河北传媒学院讲师，研究方向为嵌入式软件开发。

摘  要：智能机器人核心技术主要包括智能感知、智能协作规划、智能精准控制三个方面，与物联网三大核心技术“全面感知、可靠传输、智能控制”紧密对应。文章基于智能机器人项目，开展物联网工程专业的实践教学体系的研究和实践，实现了多门实践课程之间的关联整合，立足国家发展战略层面，全面培养应用型创新人才。

关键词：智能机器人；物联网；专业实践教学

中图分类号：G640    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2023）32-0039-04

一、智能机器人国内外发展现状

当今世界各国都在大力发展机器人技术，如美国的机器人计划2.0，德国、欧盟的工业4.0计划［1］，日本的机器人战略等，都在推动机器人产业向着高端制造、智能制造进军，力图抢占全球制造业新一轮竞争制高点。

美国战略2.0强调多机器人之间相互交流和协作，打造机器人感知。德国工业4.0更多强调智能工厂，打造智能强国，在智能生产线、智能车间、智能工厂中发挥机器人作用。欧盟关注机器人之间的协作和面向医疗、人类生命健康的机器人及手术机器人。

中国机器人近十年来的发展已经进入高端期。工业和信息化部等十五部门正式印发《“十四五”机器人产业发展规划》中，指出面对新形势新要求，未来5年乃至更长一段时间，是我国机器人产业自立自强、换代跨越的战略机遇期［2］。因此，我国有必要开发机器人产业，占领更多的市场，发展机器人技术和产业已经成为我国的重大战略需求［3］。

《新一代人工智能发展规划纲要》强调，要积极推进智能机器人发展［4］。《“十四五”机器人产业发展规划》提出，到2025年，我国将成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地［2］。工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部等十五部门联合印发的《“十四五”机器人产业发展规划》中指出，智能机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”，研发、制造、应用能力是衡量一个国家科技创新能力和高端制造业水平的重要标志，应重点推进重点产品的研制及应用［2］。工信部等八部门联合印发的《“十四五”智能制造发展规划》强调，新一代信息技术产业发展重点是人机交互等关键技术［5］。智能机器人在当今社会的作用越来越重要，越来越多的领域和岗位都需要智能机器人参与。人类正在从计算机网络时代走向智能机器人时代，智能机器人的爆发将会引领全球性变革。

二、基于智能机器人开展物联网专业实践教学的研究实践

（一）智能机器人的概念、分类与技术分析

1. 智能机器人的概念

智能机器人是一种可以自动执行操作或者移动作业的机械装置，具有感知、规划、决策、控制等功能， 能够完成人类难以完成的任务和重复、枯燥、危险或在恶劣环境下的工作。智能机器人绝大多数不具有人类的形貌，但具有人或生物的某种功能。

2. 智能机器人的分类

智能机器人从用途上可以分为工业机器人、农业机器人、医疗机器人、巡检机器人等；从使用空间上可以分为陆、海、空等机器人。

3. 智能机器人的技术分析

智能机器人技术综合了人工智能、机械电气、图像处理、自动控制、通讯传感等多学科领域的前沿技术。它是一个自动化的系统，主要包括三个方面：感知系统、思考系统和运动系统。感知系统用来感知周围环境状态；思考系统根据从感知系统得到的信息分析出需要做什么进行反馈；运动系统经过思考后作出相应的反馈。

（1）感知系统

感知系统相当于人的眼、鼻、耳等五官。以“迎宾机器人”为例，当人走到机器人面前时，机器人就会“看”到有人来；当触摸屏幕或触摸它的“手”关节等，它就会“感知”到人的触碰；当和它交流时，它能“听懂”人在说什么。这些传感器技术主要包括视觉感知技术、触觉感知技术、听觉感知技术等。

（2）思考系統

思考系统主要包括对信息的分析、理解、判断等，相当于人的大脑，它在整个机器人系统中的作用至关重要。机器人把感知系统收集上来的各种环境信息进行保存，然后对数据进行相应的分析，与目标进行对比，得到目前的偏差值。这些思考的过程实质上是一个信息处理过程。对各种信息进行处理需要CPU完成，智能机器人的CPU一般采用嵌入式计算机系统。

（3）运动系统

智能机器人在经过思考系统的分析后需要执行某些动作，这就需要有一个能够移动的装置，可以是轮子、履带、支脚、吸盘、气垫等不同形式，相当于人的手和脚。机器人的“手”就是通常所说的机械手，大多是为了完成一项特定的任务而设计安装，并仿效人手拿工具的状态。机器人的“脚”就是使用各种电机让机器人行动起来，主要有轮式机器人和足式机器人等，并仿效人完成前进、后退、左转、右转、停止、抬腿等相关动作。

（二）物联网工程专业发展现状、问题及解决方向

物联网技术是新一代信息技术的核心技术，是大数据、人工智能等技术的核心基础，也是工业4.0战略计划的核心。

物联网工程专业技术复杂，涉及层面较多，实践项目丰富但零散。目前很多高校的物联网专业都以课程为单元，课程之间没有形成的整体协调联动。学生学习时没有完善的整体架构，知识散点太多，无论在学习兴趣上，还是在未来发展上都无法形成巨大的合力。

物联网工程专业的实践教学，需要一种高效、科学、有发展前景的综合实践平台整合各个课程之间的关系，从而高效地培养学生全方位的能力，以适应市场的快速发展变化。智能机器人项目在物联网专业实践教学中的应用，将快速推进物联网技术在智能机器人领域的发展，这必将是未来几年的一项重要工作。

（三）物联网专业能力主线与智能机器人三要素的关系

我校物联网工程专业培养学生的能力主线主要包括在思想层面培养学生具有分析国家发展动态的能力，在知识层面培养学生掌握嵌入式硬件设计等实践能力，在素质层面培养学生具有创新思维、团队协作、沟通交流的能力。物联网技术主要包括“全面感知、可靠传输、智能控制”三大层次。

1. 全面感知层

（1）全面感知层在物联网技术层面的分析

全面感知层是利用各种传感器感知世界万物的各种状态，主要包括感知“你是谁——Who”“你在哪——Where”“你怎么样——How”等内容，例如通过RFID、一维码、二维码等身份识别技术来识别万物的身份，通过GPS、北斗等实现万物的定位和导航，通过红外、压力、方向、电流等多种传感器感知万物的状态。

（2）全面感知层与智能机器人的关系

在物联网专业的实践教学中，物联网技术的“全面感知层”对应于智能机器人的“感知系统”。全面感知层的技术种类繁多，传感器千变万化，在物联网专业开展教学时由于学时限制因而不能面面俱到，应选择重点传感器开展实践教学。

2. 可靠传输层

（1）可靠传输层在物联网技术层面的分析

可靠传输层是利用各种通信技术，将感知层获取到的万物的状态信息，通过可靠、安全、快速的传输通道，传输给控制层以便开展后续的分析、控制等功能。根据传输距离可以分为近距离传输技术和远距离传输技术。其中，近距离传输方式主要有红外、蓝牙、Wi-Fi等，信号覆盖范围一般在几十厘米到几百米之间；远距离传输方式主要有NB-IoT、MQTT、5G等，信号覆盖范围一般在几公里到几十公里。

（2）可靠传输层与智能机器人的关系

随着物联网、人工智能、大数据等新一代信息技术的发展，机器人从“单一个体”逐渐向“群体智能”转变，逐渐从“单一感知”向“多点感知”提升。因此，多个机器人互相协作的模式、集群机器人群体协作的模式，是智能机器人的主流发展趋势。多个机器人互相之间的协作，需要信息的可靠传输。因此，在物联网专业的实践教学中，物联网技术的可靠传输层对应智能机器人的协作关系、集群关系之间的连接，完成感知系统、运动系统、思考系统之间的信息传输。物联网技术的“可靠传输层”是智能机器人向着“集群模式”“协作模式”发展的关键技术。

3. 智能控制层

（1）智能控制层在物联网技术层面的分析

智能控制层是将传感层感知到的万物状态，通过传输层收集上来后，进行数据存储、数据分析、数据处理后，实现对设备进行控制的技术。智能控制层涉及技术层面较多，包括边缘计算控制、云端控制、数据库存储、数据分析等技术。

（2）智能控制层与智能机器人的关系

物联网技术的“智能控制层”对应于智能机器人的“思考系统”和“运动系统”。智能控制层中“边缘计算控制”部分的主要功能是在传感器末端开展数据的收集和末端器件的控制。相对机器人来说，智能机器人的运动要素，相当人的手和脚。因此，物联网技术的智能控制层中的边缘计算控制端，主要负责实现机器人的抓取、行走等动作。物联网技术中的云端控制、数据库存储、数据分析等技术，主要负责对机器人的多种数据进行融合存储、分析、管理，甚至经过AI进行更高级的分析。

（四）基于智能机器人项目的物联网工程专业课程规划

智能机器人技术涉及多学科知识，三个核心技术主要包括“智能感知、智能协作规划、智能精准控制”，其与物联网技术三个核心层面“全面感知、可靠传输、智能控制”紧密对应。“基于智能机器人的实践教学体系”的建设，将改变现有实践项目的零散现象，在技术上、思想上、素质上完全符合物联网专业能力主线的发展。

1. 机器人智能感知方面课程规划

在机器人智能感知方面（或称为感知系统），主要涉及传感器相关知识和技术，包括超声波、雷达、光感、温感、定位等技术，对应课程主要包括“传感器原理及应用”“RFID原理及应用”等。

2. 机器人智能协作规划方面课程规划

在机器人智能协作规划方面（或称为多机协作系统），主要涉及物联网通信技术、边云协同等技术，对应课程主要包括“数据通信基础”“物联网通信技术”“物联网通信技术实训”等。

3. 机器人智能精准控制方面课程规划

在机器人智能精准控制方面（或称为思考系统和运动系统），主要涉及边缘计算嵌入式系统的开发、数据库技术、云端技术，甚至AI技术等，对应课程主要包括“单片机原理及应用”“微型计算机原理及应用”“嵌入式操作系统”“数据库原理及应用”等。

（五）基于智能机器人开展实践教学的意义

1. 加强一流本科建设

我校物联网工程专业通过近几年的教学实践、学科竞赛，对多种传感器、嵌入式开发、边云协同等技术已经具备技术储备，积累了大量基于智能机器人开展的设计案例、获奖作品等，如“网球场智能撿球机器人”“实验室引导机器人”等。“基于智能机器人的实践教学体系”的建设，实现了多门实践课程之间的关联整合。全面培养应用型创新人才，将实践、实训、实习、学科竞赛、就业等贯通，有利于快速推进物联网工程专业的一流本科建设发展之路。

秉承着“科技至简，智慧为学”的理念，基于机器人教学平台，将物联网工程专业的实践体系打造成一个“有智慧”的教学空间，为建设一流本科专业作出积极努力。

2. 提升学科竞赛质量

在中国高校智能机器人创意大赛五年总结大会上，中国高等教育学会工程教育专业委员会联合浙江大学机器人研究院发布第四轮“全国普通高校大学生机器人竞赛指数”，覆盖25项机器人竞赛。国家教委、河北省教育厅、各大企业等，近两年纷纷组织各种涉及机器人的相关比赛，如“河北省大学生机器人大赛”“机甲大师赛”“全国大学生智能汽车竞赛”等。国家各部门希望通过这些比赛，增加机器人研发产业人才的储备。

3. 激发教师和学生的积极性

基于智能机器人项目开展物联网专业实践课程的教学，是教师面临的新挑战，对学生来说是激情的释放，对教研活动是互动的平台。通过机器人教学的创新实践，学生将理论和实践结合，锻炼自主学习的能力、团队合作的能力，有利于激发学习的积极性。

4. 提升跨专业项目合作能力

智能机器人技术涉及技术广泛，融合多学科技术平台为一体。利用智能机器人项目开展实践教学，将积极推动物联网专业和数字媒体技术、大数据等其他学科的融合［6］，创新新时代人才培养路径，未来必将和影视、新闻等跨专业交流，创造大工科、大文科全面融合的人才培养路径。

三、结语

基于智能机器人项目，大力推进物联网专业的实践教学改革，是立足国家发展战略、我校物联网工程专业目前已有的技术储备、河北传媒学院物联网工程专业“网格化课程体系架构”的联动机制等作出的必然选择，有利于推动物联网专业各课程之间的快速协调发展，推进物联网专业学生的就业，积极推进河北省物联网相关产业的发展。

参考文献：

［1］ 姚振玖. 国内外智能制造发展现状研究与思考［J］. 中国国情国力，2022（06）：49-52

［2］ 十五部门关于印发《“十四五”机器人产业发展规划》的通知［EB/OL］. （2021-12-21）. https：//www.gov.cn/zhengce/zhengcek u/2021-12/28/content_5664988.htm.

［3］ 刘红英. 工业机器人应用对促进我国制造业价值链攀升的影响研究［J］. 价格理论与实践，2022（04）：28-32.

［4］ 国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知［EB/OL］. （2017-07-08）. https：//www.baidu.com/link？url=5kwr5zbPh5gF mItZj_CH7NBPHcxvryjdGSu535OqGDmFaTnFUxUkOGQ5f60plFJPCoWhZajw3EiS6AEDo5AzHQVIi9VfZF6AhnDcQ8L_Y 83&wd=&eqid=b899cc000000d1cb00000006653e4957.

［5］ 八部门关于印发《“十四五”智能制造发展规划》的通知［EB/OL］. （2021-12-28）. https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/20 21-12/28/content_5664996.htm.

［6］ 科技部 中央宣传部 中国科协关于印发《“十四五”国家科学技术普及發展规划》的通知［EB/OL］. （2022-08-04）. https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-08/16/content_5705580.htm.

（责任编辑：淳洁）