黃捷 叢敏

摘 要：本文根據(jù)教育機(jī)器人適用的對象將其分為學(xué)習(xí)型教育機(jī)器人和比賽型教育機(jī)器人，針對機(jī)器人教育的特點，提出教育機(jī)器人設(shè)計的總原則，從機(jī)械平臺、電子器件和控制器、軟件平臺三個方面研究教育機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：教育機(jī)器人；關(guān)鍵技術(shù)；移動機(jī)器人；機(jī)器人教育

機(jī)器人技術(shù)水平是衡量國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的一個重要標(biāo)志，是多數(shù)發(fā)達(dá)國家和許多發(fā)展中國家重點研究發(fā)展的高新技術(shù)。西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)利用機(jī)器人技術(shù)為社會帶來廣泛的促進(jìn)作用和深遠(yuǎn)影響，如前沿的太空飛行器機(jī)器人控制技術(shù)、將來有應(yīng)用前景的地面無人車技術(shù)、以及面向家庭并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于千家萬戶的掃地機(jī)器人等。機(jī)器人的研究與應(yīng)用涉及到的技術(shù)學(xué)科十分全面，其需要控制技術(shù)、檢測技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)械技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等，是進(jìn)行技術(shù)教育的優(yōu)秀載體，也是全面培養(yǎng)學(xué)生信息素質(zhì)提高其創(chuàng)新精神和綜合實踐能力的良好平臺。因此，需要把機(jī)器人教育引入中小學(xué)，引入大中專院校，以教育機(jī)器人為教學(xué)平臺，促進(jìn)技術(shù)學(xué)科的教育發(fā)展。有利于探索教育改革和人才培養(yǎng)的新途徑、新方法，有利于高素質(zhì)人才的綜合培養(yǎng)，同時將推動我國機(jī)器人知識和技術(shù)的普及。

因此，2003年教育部頒布的普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)將“人工智能初步”及“簡易機(jī)器人制作”分別列入信息技術(shù)和通用技術(shù)課程的選修內(nèi)容；《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》也針對性地提出“收集資料，了解機(jī)器人在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用”的教學(xué)要求；從2003年起，全國中小學(xué)電腦制作活動中增加了教育機(jī)器人比賽的內(nèi)容。近幾年我國的機(jī)器人教育得到較快的發(fā)展，但是還存在許多問題：一方面，我國的功利性的教育目標(biāo)和機(jī)器人教育提倡的教育理念還不一致；另一方面，作為機(jī)器人教育的實施載體的機(jī)器人產(chǎn)品缺少規(guī)范，性價比高、適用教學(xué)的教育機(jī)器人產(chǎn)品比較匱乏。本文以教育機(jī)器人的教育目標(biāo)作為指導(dǎo)思想，分析和研究機(jī)器人教育的教育理念，提出教育機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)滿足的技術(shù)要求。

一、教育機(jī)器人的界定與分類

教育機(jī)器人其硬件和軟件架構(gòu)是為了教育展示和學(xué)生的使用，是一種輕工業(yè)應(yīng)用。有學(xué)者指出：教育機(jī)器人是結(jié)合教育學(xué)和機(jī)器人學(xué)原理，以教學(xué)為最終目標(biāo)而制造的機(jī)器人，它主要用于輔助講解機(jī)器人的工作原理及機(jī)器人學(xué)相關(guān)學(xué)科的基本原理。雖然工業(yè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人等高科技專業(yè)機(jī)器人也可做為教育機(jī)器人使用，但是其主要功用是機(jī)器人本身的技術(shù)價值和使用價值。而專門的教育機(jī)器人是以教育為第一目的，它是由生產(chǎn)商或者研究機(jī)構(gòu)開發(fā)設(shè)計，以教育理念為指導(dǎo)，用以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生表達(dá)、思考和創(chuàng)新等綜合能力為目標(biāo)的機(jī)器人。其教育目標(biāo)不在于深入學(xué)習(xí)機(jī)器人專業(yè)知識，而是在機(jī)器人教育活動中引導(dǎo)學(xué)生掌握各種機(jī)器人器件的結(jié)構(gòu)和功能、掌握簡單的控制技術(shù)、學(xué)會觀察分析和合作、培養(yǎng)學(xué)生的動手和創(chuàng)造能力。

教育機(jī)器人依據(jù)面向的用戶對象層次分類，可分為針對高等教育的學(xué)習(xí)型機(jī)器人，和針對基礎(chǔ)教育的比賽型機(jī)器人。學(xué)習(xí)型機(jī)器人主要目的在于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，這類機(jī)器人一般具有比較開放的硬件和編程平臺，它一般能夠提供多種編程語言，能夠允許用戶自由拆卸和組合機(jī)體結(jié)構(gòu)，并允許用戶自行設(shè)計某些部件，這類機(jī)器人的控制較為復(fù)雜，能夠進(jìn)行較高層次的科研，其難易程度比較接近專業(yè)機(jī)器人；比賽型機(jī)器人主要目的是用于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，一般只提供一些標(biāo)準(zhǔn)的器件和程序，編程簡單，一般提供圖形化的編程界面，只能夠進(jìn)行少量的改動，適用于水平不高的愛好者來使用，用于參加各種簡單的機(jī)器人競賽。

比賽型教育機(jī)器人是用來作為測試學(xué)生的載體，通過該機(jī)器人平臺的使用，以務(wù)實的方式向?qū)W生講授不同的概念，如運動控制，軌跡規(guī)劃，或遠(yuǎn)程操作等。進(jìn)修比賽型教育機(jī)器人課程的學(xué)生只是使用機(jī)器人平臺，他們并沒有開發(fā)平臺。學(xué)生做的工作是利用該平臺，測試不同的硬件模塊和軟件應(yīng)用程序。而學(xué)習(xí)型機(jī)器人一般作為科研工具提供給大學(xué)生使用，尤其適合研究生以上學(xué)歷的學(xué)生。

二、教育機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

幾年來，我國的教育機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也得到較快發(fā)展，市場上教育機(jī)器人的品牌較多，并各自形成特色。然而，由于我國沒有制定機(jī)器人產(chǎn)品的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)商和研究機(jī)構(gòu)各自從商業(yè)角度來開發(fā)和設(shè)計產(chǎn)品，與機(jī)器人教育理論融合程度不高。由于沒有遵循教育理念來設(shè)計和開發(fā)教育機(jī)器人，造成教育機(jī)器人各品牌的軟硬件自成體系，大多互不兼容，開放性差。此外，還未形成技術(shù)實力特別強(qiáng)和市場份額特別大的領(lǐng)導(dǎo)型公司形成事實的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來引導(dǎo)教育機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。

針對上述問題，教育機(jī)器人的技術(shù)要求可以從如下幾個方面考慮：首先，教育機(jī)器人產(chǎn)品應(yīng)具有低價實用、開放性好、兼容性強(qiáng)的特點，降低用戶購買和使用的門檻；其次，教育機(jī)器人產(chǎn)品應(yīng)系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。建立教育機(jī)器人技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一方面可供企業(yè)研發(fā)機(jī)器人產(chǎn)品提供行業(yè)指導(dǎo)，另一方面也作為學(xué)校選用合適的機(jī)器人的參考標(biāo)準(zhǔn)。為了方便用戶使用和維護(hù)機(jī)器人，教育機(jī)器人設(shè)計應(yīng)遵循模塊化的原則，建議總的設(shè)計原則如下：（1）硬件和軟件模塊平臺是開放的，硬件和軟件單元必須是易于增減；（2）模塊具有獨立性，即整體系統(tǒng)工作時或者不拆卸整個系統(tǒng)的情況下，也能對獨立模塊進(jìn)行設(shè)置和操作；（3）可操作性；（4）魯棒性；（5）人在工作環(huán)境中操作設(shè)備的安全性；（6）較為精確的運動能力；（7）高度自治的能量，擁有電池組，機(jī)器人運行時不需要外部供電；（8）能夠自主或是在遙控模式下執(zhí)行任務(wù)；（9）易于編程，機(jī)器人本體和編程平臺之間通信操作方便。教育機(jī)器人平臺根據(jù)其功能特性分為如下幾個模塊（圖1）：

（1）機(jī)械平臺

機(jī)械平臺是教育機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框架，機(jī)器人本體的各機(jī)構(gòu)模塊需要設(shè)計成可以接插的各種標(biāo)準(zhǔn)連接件。競賽型和學(xué)習(xí)型教育機(jī)器人其機(jī)械平臺設(shè)計的原則不同：競賽型教育機(jī)器人，其應(yīng)該具有較強(qiáng)的“搭積木”的特性，用戶可以根據(jù)比賽要求將機(jī)器人搭建成不同的形狀；學(xué)習(xí)型教育機(jī)器人其機(jī)械平臺結(jié)構(gòu)形狀比較固定，一般不能做較大的改動，但是要求功能擴(kuò)展性比較強(qiáng)，能夠連接多種外設(shè)、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠提供較大的驅(qū)動力、負(fù)重能力，有較強(qiáng)的能源續(xù)航能力，一般能把PC作為控制器。

（2）電子器件和控制器

電子器件一般是設(shè)計成一塊包含了各種傳感器、控制芯片和驅(qū)動電路的電路板，同時通過結(jié)構(gòu)牢靠，方便連接各種數(shù)據(jù)接口的外殼封裝成一個“盒子”。這些芯片包括主控芯片，電機(jī)控制芯片，通信芯片，傳感器信號處理芯片，電源轉(zhuǎn)換芯片等。硬件平臺通過外連的傳感器了解外部的各種情況，作出判斷后對機(jī)器人的各個部件發(fā)出指揮命令，從而控制機(jī)器人的所有行動。

控制器是控制機(jī)器人感知與決策的核心器件，用于運行機(jī)器人控制程序，提供用戶界面接口，完成坐標(biāo)變換、運動規(guī)劃和任務(wù)作業(yè)等。通用PC運算能力強(qiáng)，技術(shù)成熟、可靠性高、數(shù)據(jù)接口具有開放性，因此學(xué)習(xí)型教育機(jī)器人的控制器可選用PC為主控制器，設(shè)計機(jī)器人時可以將PC主板固化在機(jī)器人的機(jī)體上，但是這種設(shè)計使得機(jī)器人后續(xù)升級較為麻煩，另外一種形式是設(shè)計接口，將筆記本電腦作為控制器安放在機(jī)器人平臺上。開發(fā)人員可以選擇合適的軟件、硬件，以較低的成本組成較強(qiáng)性能的系統(tǒng)，而且還方便進(jìn)行二次開發(fā)。比賽型教育機(jī)器人由于其工作任務(wù)較為簡單，對控制器的運算能力要求不高，且機(jī)體較小，電池組的容量有限，可采用DPS，ARM芯片作為控制器。

（3）軟件平臺

軟件平臺作為PC上位機(jī)，用于提供給用戶編寫機(jī)器人控制程序。通過編譯器編譯，將寫好的控制程序最終下載到機(jī)器人的控制器中。教育機(jī)器人其編程界面可以設(shè)計成兩種：一種是適合高級用戶使用的代碼語言界面，這種一般是學(xué)習(xí)型機(jī)器人的編程方式；另外一種是適合于初級用戶使用的圖形化界面，這種一般是比賽型機(jī)器人的編程方法。兩種語言都通過編譯器編譯后將代碼下載到控制器中。

圖形化設(shè)計界面應(yīng)包括 “模塊庫”（表1）和“流程設(shè)計”，前者用于方便用戶確定操作對象，后者用于聯(lián)系和控制這些模塊。在圖形化界面中還應(yīng)設(shè)計一個面板，用于存放從模塊庫中選中的控件對象，用戶設(shè)計機(jī)器人程序時將這些控件對象組合成完整的流程圖，在各控制節(jié)點中加入適當(dāng)?shù)目刂茀?shù)，然后轉(zhuǎn)化為代碼語言程序，最后編譯下載到機(jī)器人的控制器中。此外，圖形化的編程界面還應(yīng)該具備模擬環(huán)境的功能，即可在計算機(jī)屏幕上創(chuàng)建虛擬機(jī)器人及場地環(huán)境，能模擬顯示機(jī)器人運動的軌跡和參數(shù)的動態(tài)變化，以適應(yīng)機(jī)器人教學(xué)需求和相關(guān)各種比賽項目。