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一、智能机器人教学概述

　　近年来，以工业机器人为核心的智能制造加速推进，服务机器人市场规模快速增长，人工智能浪潮席卷全球。国家的机器人发展产业规划把“加强人才队伍建设”作为机器人产业发展的6大保障措施之一，提出要加强高校机器人相关专业学科建设。

1、机器人发展趋势及人才需求

　　机器人是多学科和多领域的综合，广泛涉及人工智能、计算机视觉、自动控制、精密仪器、传感器、通讯、能源、材料、系统工程和信息等一系列学科，因此机器人作为一个典型的系统对象，是新工科改革的理想载体，可以贯穿实验实训、工程训练和专业创新等各个环节，是世界各国进行工程训练、教学科研的最为理想的平台。

　　机器人是前沿应用型学科，易于激发学生兴趣。建设以教育机器人为主要平台的实验室，可以让各个专业的学生在专业课程学习的基础上，将理论知识结合到实践中，拓展综合专业知识，发展多元智能，提高其创新、实践和自主学习的能力，是新工科改革最直接有效的方法。

2、机器人教学科研工作现状

　　工科院校大多已有机器人细分领域的研究，但独木很难成林；

　　教学和科研人数少，远不如数据、信息、通信、自动化等专业；

　　集合各学科人才，组成机器人专业所需的综合团队很难；

　　缺乏顶层规划，缺少机器人教学科研平台；

　　生态没有形成，机器人操作系统使用率低，信息和资源获取困难；

　　科研方面很多前置性工作费时费力，但实际上拿过来用即可；

　　学习和研究工业机器人的人员比例大，但未来智能通用型、个性化特种机器人需求更大；

3、高校机器人方向发展建议

（1）科研中心的科研成果，有创新中心进行转化；

（2）创新中心的作品和成果准入认知中心进行展示；

（3）科研和创新中心的通用成果，可以在实验中心进行传承；

                1、建设机器人认知中心：面向全校、甚至                2、建立机器人实验中心：跨学科跨专业

全市开发展示、体验；                                      　　　　进行机器人实训；  

                3、建设机器人创新中心：鼓励创新、应用　           4、建立机器人科研中心：提供智能机器

　                      参赛、成果转化；                                               人科研平台，申请省级、国家级机器

　                                                                                                人工程中心、技术中心、鼓励高精尖

　                                                                                                研究；

　　高校机器人方向发展方向框架

二、机器人创新实训简介

1、机器人开发平台

　　机器人开发平台是一种基于Ros操作系统开发的应用于各种机器人技术及设备的标准化开发平台，给用户以可视化的集成开发环境、编译调试环境及相应硬件的接口，提供一整套面向部件生产者、机器人开发者以及机器人应用者的机器人中间件技术开发平台。

　　机器人开发平台特点：

　　（1）友好的图形化界面：采用“拖拉拽”及参数配置的方式完成机器人控制软件的开发；

　　（2）组态软件模块，可实时监控机器人运行状况，对机器人及集群进行实时（集中）监控；

　　（3）高度复用的组件库和完备的调试/仿真环境，对多种机器人硬件设备提供“驱动”程序支持；

　　（4）集成大量功能控制组件：计算机视觉技术、导航技术、机械手臂控制等；

　　（5）集成大量的人工智能算法库，方便机器人智能模块开发。

机器人开发平台采用面向产品设计，涵盖了从机器人架构设计、本体开发调试到后台人机交互界面开发的全套工具。包括Designer、Studio和Viewer三部分，分别进行机器人架构设计、代码开发和界面开发。

（1） Designer

Designer是机器人开发平台推出的ROS机器人硬件架构的图形化开发工具。在Designer中，基于ROS的硬件和这些硬件的软件以可视化的方式表示，并且允许你拖动它们、配置它们、编辑它们、连接它们,并提供相应的ROS资源。

（2） Studio

Studio是一个ROS集成开发环境.使ROS开发更加直观、简单，并且易于操作.可进行ROS工作空间及包的管理，代码编辑、构建及调试.它是一个IDE，但又不仅仅是一个IDE！

（3） Viewer

Viewer是一个采用JavaScript开发ROSUI交互界面开发工具。Viewer通过拖拽式组件的形式，使ROSUI交互界面开发更加直观、简单，并且易于操作。

                                                          　       组件区域　　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　  参数设置

2、移动机器人开发平台

机器人移动底盘TR-10是国内较早的专门针对服务机器人开发的高性能，高可靠性，低成本的移动底盘，其通用性、可靠性、耐用性深受机器人企业及机器人爱好者的欢迎，自主研发的核心结构保证了高精度、载重大、动力足、续航长和扩展性能强的性能。

2.1　主要特点

　　高精度：厘米级别的精度误差，完全满足同步定位与建图SLAM；

　　高载重：载重上限最大可达10KG，可匹配不同类型的商用机器人外形；

　　动力足：速度上限可达0.7m/s，适合各种商业应用场景；

　　续航长：24V 12Ah电池组，续航时间可达6h；

　　扩展性强：提供丰富的接口，便于二次开发。

2.2  产品参数

Ø 整体尺寸： 1100px*975px

Ø 轮子数量：3

Ø 驱动方式：差分驱动

Ø 主动轮直径（mm）： 125

Ø 悬空高度（mm）： 27

Ø 负载（kg）：10

Ø 净重（kg）：6.0

Ø 最大速度（m/s）：0.7

Ø 续航时间（h）：6

Ø 电源输入：29.4V/3A DC

Ø 接口：RJ45、HDMI、DSI、CSI、USB

2.3　软件支持及资源

　　速度精准控制；

　　支持角速度和线速度并发；

        PID控制制动调节；

　　工业级编码器实时反馈底盘运动速度；

　　提供完善的文档和丰富的示例；

　　提供建图、定位、导航解决方案；

　　支持ROS系统互联，提供电机驱动ROS包、激光雷达驱动ROS包、深度相机驱动ROS包、导航模块ROS包、机械臂驱动ROS包、机械臂规划控制ROS包。

建图、定位、导航

深度相机画面

2.4　移动机器人可选配件

2.4.1  激光雷达

　　实现6米范围内360度二维平面扫描，25ms扫描时间，IP65防护等级，非接触式测量,产生空间的平面点云地图信息，用于高速运动机器人避障和位置识别。

产品特点：

l 360度二维平面测量、Class1激光安全标准

l 最大可承受的环境光强为 100000lx

l 寿命达50，000小时以上

　　实验项目：

l 扫地机器人自主导航与定位、服务机器人自主导航与定位

l 自动引导运输车（AGV）路径规划导航与避障

l 区域安防、公共场所人流量统计等

2.4.2　深度相机：3D体感摄像头

　　　可同时获得彩色图像、3D深度图像以及声音信号，结合核心算法能实时获取到环境3D影像，即时构建环境3D模型，实现智能机器人行径路线规划，人物识别等功能。

2.4.3　超声采集卡

　　　可采集8路HC-SR04超声模块数据，计算每路测量距离并通过ROS_Serial发布标准超声数据接口，数据采集范围0.1-2.0m，数据传输单位为米。

2.4.4　机械臂

　　　拥有四个自由度，整体采用Metal连杆式结构，增加了20%的活动范围；开源软硬件平台，提供最大限度的开发资源，支持Python、Arduino等常用开发环境。

2.4.5　平板电脑

　　　　平板电脑，实现人机交互、语音下达指令。可通过APP展示设备实时参数，对设备进行控制等。

2.4.6　其他环境感知类传感器

            支持超声、PM2.5、一氧化碳、火焰、温湿度、光照、甲醛等，可根据项目实用环境需要定制。

                     　  　         超声传感器                     　                PM2.5传感器　                          一氧化碳传感器

       　　          温湿度传感器　 　 光照传感器   　 　 　 　火焰传感器　 　 　 　 　 甲醛传感器

2.5　实验资源

       （一） 基础版

  1.熟悉Ros开发工具；

  2.ROS Nodelets、Plugin插件机制、actionlib；

  3.TF变换原理及使用方法；

  4.移动机器人导航包Navigation；

  5.RViz自定义插件开发方法，数据可视化，ROS内嵌工具；

  6.Case study（建图和导航）。

　　（二）进阶版

  1.机器人3D建模方法及仿真工具Gazebo；

  2.ROS多线程开发；

  3.机械臂控制工具MoveIt；

  4.ROS java/matlab/javascript版配置及使用方法（外部程序接口）；

  5.Case study。

　　（三）提高版

  1.ROS与OpenCV、TensorFlow等第三方库的融合；

  2.语音库的开发；3.Case study。

　　（四）竞赛课题

  1、机器人任务——控制准确度；

  2、机器人任务——控制精度；

  3、机器人任务——时间、竞速；

  4、关键点动作执行情况（如直角拐弯）；

  5、抓取动作（提高版）；

  6、3D打印部件

3、无人机

       TR22是国内第一款专门针对教育领域开发的高性能、高可靠性、高扩展性、低成本的无人机平台，其自主开发的飞控装置支持ROS开发，提供了丰富的ROS开发包，便于开发者根据各自需求快速完成项目开发。

3.1　产品参数

3.2　主要功能

　　功能1：导航

　　未知环境下的建图及地图保存，完成全局路径规划和运动控制，自动将用户引导至指定区域和高度。

　　功能2：实时避障

　　遇到移动的行人或障碍物时，进行悬浮（停止移动直至障碍物离开）或绕障（绕开障碍物继续行走）动作。

　　功能3：遥控

　　实体遥控器对无人机进行前进、后退、左飞、右飞、左转、右转控制。

　　功能4：提供ROS开发包

　　提供电机驱动ROS包、激光雷达驱动ROS包、深度相机驱动ROS包、导航模块ROS包，可方便地与ROS系统对接。

4、智能语音交互机器人

4.1　语音识别

         （一）完全永久免费

业界首创完全永久免费新形式，为开发者提供基于深度学习技术的业界顶级声学模型和语音模型，完全免费，永久使用，彻底摆脱有效期限制。

（二）全平台REST API

行业率先推出语音识别全平台REST API，不用担心SDK，采用http方式请求，适用于任何平台的语音识别，提供最大自由度。

（三）离线在线融合模式

SDK可以根据当前网络状况及指令的类型，自动判断使用本地引擎还是云端引擎进行语音识别，极速识别、流量节省两不误。

（四）深度语义解析

支持多达35个垂类领域的语义理解定制，以及自定义指令集和问答对设置。让你的应用理解

开发者可根据使用场景，自定义设置识别垂类模型。有音乐、视频、地图、游戏、电商共17个垂类可供选择。一步设置，精准到位。

（五）自定义上传语料、训练模型

开发者可以自行上传词库，训练专属识别模型。提交的语料越多、越全，语音识别的效果提升也会越明显。

（六）兼容性

4.2　语音合成

　　（一）完全永久免费

　　业界首创完全免费永久新形式，为开发者提供基于深度学习技术的业界顶级声学模型和语音模型，完全免费，永久使用，彻底摆脱限制。

　　（二）离线在线融合模式

       SDK可以根据当前网络状况，自动判断使用本地引擎还是云端引擎进行语音合成，再也不用担心流量消耗!

　　（三）多语言多音色可选

　　中文普通话、中英文混读、男声、女声任你选，更支持语速、音调、音量、音频码率设置，让你的应用拥有最甜美和最磁性的声音。

　　（四）基于弹性单元挑选策略的选音技术

5.飞控

　　第三代飞行控制系统，集成了多线程和Lua任务脚本与飞行行为的编程环境提供了强大的开发潜力，对各种自主模型实现高性能、高灵活性、高可靠性的控制。

三、智能机器人实训室建设总体目的

为机电工程、自动化工程、信息工程、电气工程和系统工程等主要工程专业的学生提供一个以机器人为实验对象的创新基地，课程教学内容、方法和手段全面引进先进教学实验模式，使学生能在"做中学、学中做 "，提高学生的创新能力和动手能力，提升整个教学实验水平，并不断的扩展和延伸，使之能够广泛适用于各个专业教学实践和创新要求。