机器人竞赛讲座及其对制造业教育的影响

第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012年多人Koji Makino*，Yoshiki Matsuo*，Yasuhiro Ohyama** 日本东京工业大学计算机科学系（电话：42-637-2111;电子邮件：makino@cs.teu.ac.jp）。翻译后摘要：本文介绍了一种方法，管理的机器人竞赛的讲座，为许多学生。机器人竞赛讲座有很多优点。例如，学生不仅学习工程知识，而且还发展解决问题的能力。然而，经常有一个问题，即需要大量的教职员工来处理许多学生。因此，我们把学生分成小组。在小组成员讨论问题后，我们教小组如何解决问题。在本文中，首先给出了时间表。其次，阐述了本次讲座的主旨和预期效果。最后通过机器人竞赛对结果进行了讨论。关键词：制造业教育，机器人竞赛，众多学生。1. 介绍制造业教育对工程教育有很高的影响[1，2，3，10]。在教育中，机器人竞赛对于属于工程师课程的学生来说非常有趣[6，7，11]。然后，各种机器人比赛在世界上举行[4，5，8，9，12]。机器人竞赛不仅使学生学习工程知识，而且还培养了解决问题的能力。特别是，学生往往被分成一些小组，这使得一个机器人合作。因此，学生获得沟通技巧，因为他们必须经常深入讨论机器人和小组中的策略。然而，在处理大量学生的情况下，有一个问题是需要许多教职员工。原因是我们不能对问题作出规定，必须个别处理。本文报道了一次面向广大学生的机器人竞赛讲座。讲座的特点是少数教职员工和小组工作。学生和教师人数分别为120人和10人（4名教师+ 6名助教（硕士课程学生））。在第2节中，显示了讲座的大纲（机器人竞赛的组成部分和时间表）。第三部分描述了本次讲座的特点，以及我们期望的竞赛效果。最后，竞赛结果见第4节。此外，还展示了部分学生的反馈和问卷调查，并对教育的有效性进行了讨论。2. 讲座大纲这个讲座是为三年级学生准备的。他们在一年级和二年级进行了实验。然而，这些实验并不是像机器人竞赛那样的基于项目的学习。通过机器人竞赛的演讲有两个目的。学生们学习如何控制机器。我们让学生学习使用微处理器控制机器人的方法，以及PC机和微处理器之间的通信方法。他们获得了沟通技巧、解决问题的技巧和系统思维的技巧。我们采用小组工作来培养技能，这在第3节中有详细描述。在本节中，我们将重点放在第一个目的上，并在讲座中描述组件和时间表。2.1 组件在 这 个 实 验 中 ， 学 生 使 用 PC ， Arduino 和 LEGOTMMindstormsTM NXT。PC与Arduino、Arduino与NXT之间的连接分别是串口通信和I2C通信（如图1所示），学生必须通过PC控制NXT。Fig. 1.讲座上的机器人组件首先，描述PC。所有的学生在机器人比赛中使用自己的电脑，因为他们在我们学校有自己的电脑。有两个优点。一个是我们不需要准备PC。我们能够节省购买大量PC的成本。即使准备好了高性能PC，几年后PC的性能也变得太差。由于学生PC的性能© 2012 IFAC 336 10.3182/20120619-3-RU-2024.000242012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会337另一个是学生能够随时随地使用PC学习讲座。操作系统往往成为一个问题，当学生的个人电脑使用。PC上的软件是“处理”。使用Arduino开发GUI和串行通信很容易。处理其次，我们采用Arduino作为微处理器。学生能够开发Arduino的软件，而不依赖于任何操作系统。这是很容易开发的程序，因为他们可以使用它只连接USB和安装USB驱动程序。不直接连接PC和NXT的原因是，我们希望让学生学习微处理器，并使用Arduino为机器人添加传感器或执行器。他们可以通过使用Arduino比NXT更容易地实现机器人的传感器和执行器。最后，我们为学生提供LEGOTM MindstormsTM NXT。他们能够轻松地拆除和建造它。NXT配备了一个超声波传感器，两个光传感器和一个触摸传感器，以及三个伺服电机。他们可以实现各种机器人。便于在短时间内开发机器人 。 NXT 的 操 作 系 统 被 替 换 为 NXTOSEK 。 使 用NXTOSEK的原因是为了学习实时操作系统。2.2 附表我们把一年分为第一学期和第二学期。每学期由14周组成。时间表见表1。表1.年度时间表第一学期二学期7周7周14周一群ArduinoNXT机器人大赛B组NXTArduino机器人大赛在第一学期，学生每7周学习一个Arduino和一个NXT。第二学期的详细情况见表2。我们介绍了连接PC，Arduino和NXT的方法。在那之后，学生们将制作机器人。在接下来的几周里，我们设定了三个子目标，分别是手动控制机器人比赛、自动机器人比赛和机器人预赛。手动和自动机器人的含义在第4节中详细说明。这三场比赛分别在第7周、第10周和第12周举行。学生们通过三次赛前准备调整发展的时间表。在前三场比赛都不举行的情况下，我们估计大部分的团体要到最后一场比赛才能制作出机器人。例如，他们经常花很多时间去解决一个不重要的问题，因为他们认为离比赛还有很多时间。表2第二学期周内容1-4讲座如何连接到组件7手动机器人竞赛（子目标）10自动机器人竞赛（子目标）12机器人竞赛预赛（子目标）14机器人竞赛（完整机器人）3. 讲座简介在第一学期，学生学习基本要素。第二学期，举行机器人竞赛。因此，我们把重点放在第二学期，并描述了两个点的讲座。首先，学生在每节课的前30分钟制定一个时间表。我们检查它并指导计划时间表的方式。有两个优点。一是我们可以精确地管理学生的进步。另一个是当天的计划帮助学生顺利制作机器人。此外，计划的时间表是很好的训练学生，因为它是必要的，以未来的研究或工作。第二，我们把学生分成四个或五个小组。如果学生有问题，他们必须在小组中考虑和讨论，然后再向助教（TA是指助教）提出。当他们不能解决问题时，助教会给小组提出建议或给小组一个答案。而且，小组的学生必须听到建议或答案。如果助教不能给出合适的建议，教员会回答问题。案情如下： 把问题的答案教给其他成员的学生可以通过教学深刻地理解它。 这个问题很快就解决了，因为小组的所有学生都在讨论它。 学生通过多次讨论培养了沟通能力。此外，我们认为助教们通过教授这些知识和技能，学生和准备讲座。教育的这种效果是根据上述第一个优点来猜测的。我们希望通过提高助教的技能，使讲座适合更大的班级。4. 讲座的结果在本节中，我们报告讲座的结果。首先，简要说明了机器人竞赛的规则。其次，我们描述了比赛的结果，并在最后一堂课上展示了问卷调查，并在一些期末报告中给出了反馈。4.1 比赛规则每组各制作一个机器人。游戏的主题是两个机器人互相给对方一些纸杯。在自己的区域内拥有较少奖杯的小组获胜。2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会338尝试的团体等待尝试的团体机器人被允许在由两个区域组成的场地上移动（图2）。一个是手动区域，用黄色和红色表示。在手动区域，学生可以通过PC控制机器人。另一个是自动区域（白色和蓝色区域），放置两个障碍物。机器人必须自动避开两个障碍物。场地的大小为2700 mm x 2700 mm，周围是4 cm高的墙（绿色条）。比赛时间是三分钟。图2机器人比赛首先，机器人拿起放在手动区域的纸杯。其次，它把它们带到设置在自己的自动区域和其他手动区域之间的门，避开障碍物。在自动化领域，机器人需要通过编码器或内部定时器或光线传感器的线跟踪来测量自己的位置。最后，它把他们扔到另一个领域。这个过程一直重复到时间。因此，这两个机器人把杯子给对方的其他领域。在游戏中，学生必须开发手动和自动机器人的软件。因此，他们可以学习控制机器人的各种元素。他们练习PC-Arduino- Robot通信和传感。此外，他们必须设计的机制，拿起它和投掷它的一个电机，因为只有三个电机包括（两个电机用于两个轮胎）。因此，我们给每个小组3000日元（约30美元），以便让学生自由发展。他们很容易拿起和扔杯子，因为他们能够使用的部分，除了NXT。4.2 比赛结果刚开始的时候，很多小组的学生有时会讨论机器人，但不会一起开发。然而，他们合作，使机器人几个星期后。图3显示了典型的合作工作.图3几周在第7周的手工比赛中，学生通过PC手动控制将8个纸杯从手工区搬运或推到自动区。在10周，自主机器人比赛举行。学生们多次尝试完成或减少时间。图4示出了自动机器人竞赛。这个数字表明学生们与小组成员一起工作，排队等待尝试。我们觉得学生们的意愿增加了。然而，并不是所有的小组成员都开发机器人。个别成员不与其他成员沟通，不参与制作，学生的后续问题有待解决。图4自动机器人大赛最后，对决赛进行了描述。每一组都是独一无二的机器人。其中三个在图中示出五、的方式2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会339每个机器人捡起纸杯和扔出去的方式都是不同的。图5-a中所示的机器人抓住它们，然后双手合上扔出去。它（图5-b）从前铲铲起它们并把它们放进去。它（图5-c）铲起它们，在后坡上从它们身上滚过。a. 抓起杯子，b. 把杯子舀起来放在前面的铲子c. 舀起杯子，在后坡上滚过它们图5三种独特的机器机器人竞赛分为联赛和锦标赛两种形式。第一轮是联赛形式。所有小组都以三组或两组的联赛形式进行比赛。每个小组至少玩两个游戏。初赛前4名的球队分为不同的联赛。每个联赛的前几名和一些表现好的小组进入第二轮。每个联赛的顶级球队是在赛前根据结果划分到每个联赛的球队。第二轮是比赛形式。比赛的名次是根据赛前的结果确定的。可以预见的是，前两名的球队在最后一场比赛中发挥。在赛前表现最好的队成为冠军.在决赛中，以下动作在三分钟内完成的次数显示： 机器人可以随时将杯子交给其他区域，并返回手动区域：4组 在掷出一次杯子后，它可以返回手动区域：10 它给出了一个杯子，但它不能返回到手动区域：12 它拿起一些杯子，但杯子没有通过：2只有四个小组完全完成了任务。相比之下，不能把杯子给其他地区的小组是两个。因此，难度水平适合学生。此外，我们还设立了设计奖。原因是不能开发机器人的团队被阻止放弃。一些球队打算赢得这个奖项。图6机器人竞赛我们给冠军组一个纪念。他们很高兴成为冠军（图6）。我们认为他们做得最好，他们对比赛很感兴趣。图6比赛比赛结束后，学生们交了期末报告。一些学生在报告中写了反馈。我们简单地介绍反馈如下： 满意使机器人小组讨论 不满意讲座时间太短复杂规则2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会340许多反馈是积极的。我们相信他们对讲座感到满意，并猜测沟通技巧得到了提高。相比之下，也有一些不满的评论。一是机器人研发时间太短。我们很高兴听到他们想长期制造一个机器人。我们相信他们对制造机器人很感兴趣。二是对规则的不满。当每个场地上的奖杯数量相同时，很难决定这个小组是否获胜。我们认为学生不满意，因为他/她对比赛很认真。我们必须改进决定比赛胜负的规则。最后，我们进行了两次问卷调查，结果如图7和图8所示。问卷的项目是机械、电气、编程和讨论方面的“最喜欢”和“有信心”。图7和图8分别在第一次讲座之前和最后一次讲座之后是不同的。对调查问卷的结果进行了审议。最不同的是编程。最喜欢和非常喜欢的项目从10%提高到20%。而且，自信项目也有所提高。我们没有期望编程技能的发展。学生通过该程序对真实机器人进行控制的体验是非常有趣的。讨论的项目也有所改进。改进的效果是预期的。许多学生没有在其他讲座中长时间讨论的经验。然而，我们期望进一步提高讨论的有效性。然后，我们会想一个他们更积极讨论的方法。我们预测了力学性能的改善，但结果几乎没有改变。这两点因素是猜测出来的。一是他们几乎不拆不造，第一次造机器人，用它做了一点改造。他们没有经验。另一个是，他们几乎没有花给的钱买零件。平均下来他们的花费大约是10美元。在未来的改进中，我们让他们购买各种零件，并开发出仅用NXT零件无法制造的有趣机器人a：最喜欢的b：自信图7第一堂课前的问卷调查。a：最喜欢的b：自信图8第一堂课前的问卷调查。最后，问卷调查的结果是否满意的讲座，以及是否推荐给下一年级的学生显示在图9。只有一半的学生回答“满意”或“非常满意”，但我们觉得更多的学生喜欢讲座中的机器人比赛。相比之下，回答“不满意”或“非常不满意”的学生比例为15%。对讲座的评价还不错，因为很少有否定的回答。有8%的学生将“不”或“永远”推荐给低年级的讲座。有趣的是，2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会341“不推荐“少于“不满意”。我们将分析原因。问卷的其中一个项目是自由评论。我们介绍一个最令人印象深刻的评论。他对比赛很努力。因此，我留下了最深刻的印象。“这次讲座是最有趣的讲座。我觉得我获得了各种知识和技能。感谢你的说教。此外，我遇到了很棒的朋友。我们赢得了设计奖，尽管我们的机器人在比赛中没有获胜。那次演讲成了我最难忘的回忆！当我在找工作时向面试官讲述机器人竞赛的演讲时，他/她对我的故事很感兴趣。而且，我受到他/她的高度赞扬。我强烈推荐低年级学生。我们确认，他们获得各种效果（知识，技能和朋友），如果他们努力工作。a：满意度b：推荐图9讲座评价在上述结果中，许多学生感到满意，并给予教育效果，虽然我们猜测，这是很难管理的机器人比赛的演讲，为许多学生由少数教职员工。5. 结论本文介绍了在学生众多的情况下，由少数教师组织机器人竞赛讲座的结果。在这堂课中，我们分成四到五个学生组成的小组。在小组讨论和考虑之后，小组允许向助教提出问题。当助教难以回答或提出建议时，教职员工会提出建议。这有两个好处。一个是，教师人数减少。二是学生（包括助教）能够通过大量的讨论来提高交际能力。为了顺利管理比赛，举行了三个子目标（手动，自动和初赛）。在决赛中，许多组可以把奖杯送给其他地区。一些反馈意见被写入最终报告。有许多积极的反馈和一些负面的。此外，我们在第一堂课前和期末竞赛后分别进行了问卷调查。问卷调查依据对机电工作、软件开发和讨论技能的喜爱程度和自信程度。尤其是提高了软件开发和讨论技巧。我们认为机器人竞赛是成功的。我们将根据反馈意见改进机器人竞赛。引用Alan Melchior，et，.（2004）。不仅仅是机器人：FIRST机器人竞赛参与者和机构影响的评估David J. 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