趙姝穎 孫浩 胡彬 田祥章

（東北大學(xué)人工智能與機(jī)器人研究所，沈陽，110819）

人工智能進(jìn)校園
——機(jī)器人DIY

趙姝穎 孫浩 胡彬 田祥章

（東北大學(xué)人工智能與機(jī)器人研究所，沈陽，110819）

本文重點(diǎn)介紹組拼式教育機(jī)器人資源及基于此類資源教育機(jī)器人開發(fā)的流程與案例。

機(jī)器人，人工智能，DIY，組拼式，教育

0 引言

機(jī)器人技術(shù)被譽(yù)為“當(dāng)代最高意義的自動化”,智能化程度不斷提高是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的顯著特征[1]。通過機(jī)器人DIY活動普及人工智能與機(jī)器人技術(shù)，是提高校園科普水平的一種創(chuàng)新嘗試。機(jī)器人DIY活動采用技術(shù)培訓(xùn)和競賽的方式，讓學(xué)生個(gè)人或者團(tuán)隊(duì)通過完成一些具有一定難度的任務(wù)，學(xué)習(xí)人工智能與機(jī)器人技術(shù)，達(dá)到普及機(jī)器人知識、啟發(fā)創(chuàng)新思維、激發(fā)創(chuàng)造能力、培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識等效果，是提升青少年科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑之一。

1 組拼式機(jī)器人

1.1概念

組拼式機(jī)器人是利用符合一定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的機(jī)械、電氣組件和與之相配合的軟件開發(fā)環(huán)境，通過模塊組拼實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體構(gòu)造，再利用軟件開發(fā)環(huán)境對所構(gòu)造的機(jī)器人進(jìn)行智能、感知和控制等功能設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)的特定功能的機(jī)器人。

1.2應(yīng)用

1）工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

工業(yè)中使用機(jī)械手模組組拼的懸臂式或龍門式工業(yè)機(jī)器人屬于組拼機(jī)器人的范疇。該類機(jī)器人以其靈活、精準(zhǔn)的運(yùn)動在焊接、組裝、搬運(yùn)等領(lǐng)域大展拳腳。

2）產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

組拼式機(jī)器人可用在實(shí)驗(yàn)階段，為產(chǎn)品的可操作性、創(chuàng)造性和可實(shí)施性等提供更多可能，幫助設(shè)計(jì)者更好地改良產(chǎn)品，提高產(chǎn)品性能。

3）教育領(lǐng)域的應(yīng)用。

隨著智能機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，組拼式機(jī)器人可以幫助學(xué)生打開通往科技的窗戶，在素質(zhì)教育和機(jī)器人基礎(chǔ)教育中起到啟蒙作用。

1.3資源自主開發(fā)

隨著3D建模仿真技術(shù)和3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用，機(jī)器人組件的及時(shí)補(bǔ)充成為可能，組拼式機(jī)器人可以不再局限于現(xiàn)有資源。這不僅提高了機(jī)器人開發(fā)的效率，更促進(jìn)了創(chuàng)造性思維的拓展。

2 組拼式教育機(jī)器人資源

2.1 國內(nèi)外教育機(jī)器人資源概況

教育機(jī)器人是指面向教育領(lǐng)域開發(fā)的機(jī)器人成品、套裝或散件，包括機(jī)器人本身、控制軟件、教學(xué)材料等。

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用逐步得到重視。在國外，機(jī)器人教育一直是熱點(diǎn)。早在1994年，麻省理工學(xué)院就設(shè)立了 “設(shè)計(jì)和建造LEGO機(jī)器人”課程，目的是提高工程設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的設(shè)計(jì)和創(chuàng)造能力，嘗試將機(jī)器人教育與理科實(shí)驗(yàn)整合。目前，國內(nèi)已有一些科研機(jī)構(gòu)和公司正在陸續(xù)進(jìn)入教育機(jī)器人領(lǐng)域，不同種類的教育機(jī)器人產(chǎn)品和相關(guān)教學(xué)平臺不斷得到開發(fā)和應(yīng)用[2]。

2.2教育機(jī)器人資源的特征

從外形上，教育機(jī)器人可以分為兩類：一類是有基本形狀的機(jī)器人，學(xué)生可以在此基礎(chǔ)上增加模塊，進(jìn)行改裝；另一類是沒有固定形狀，只有一堆零部件的積木式機(jī)器人，學(xué)生可以根據(jù)自己的想象來自主搭建各種形狀的機(jī)器人[3]。教育機(jī)器人資源有如下特征：

1）開放性。

教育機(jī)器人的套裝中有各種結(jié)構(gòu)的積木，學(xué)生可以利用這些積木進(jìn)行設(shè)計(jì)和搭建，在搭建過程中可充分發(fā)揮其組織靈活性。一套組件可以運(yùn)用到多項(xiàng)機(jī)器人的組拼中，老舊機(jī)器人也可以拆除后重新組拼成新的機(jī)器人。

2）可選配性。

現(xiàn)在市場上有各種各樣的教育機(jī)器人資源，這為機(jī)器人制作提供了資源組合多樣性以及零配件可選擇性。組拼大型自動化模型，可以實(shí)現(xiàn)多套組件兼容組拼，并且可以使用多控制器實(shí)現(xiàn)并聯(lián)控制。

3）可擴(kuò)展性。

現(xiàn)有教育機(jī)器人資源都可以為用戶提供一個(gè)教學(xué)平臺，支持用戶自主開發(fā)新資源，其硬件也可以通過3D打印技術(shù)對組拼資源進(jìn)行快速補(bǔ)充。

2.3基于組拼式機(jī)器人資源的教育活動

1）基礎(chǔ)知識傳播。

機(jī)器人活動涉及多個(gè)學(xué)科，如數(shù)學(xué)、電子、光學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、超聲波學(xué)、自動控制等。通過組拼式機(jī)器人的組拼過程，這些知識的學(xué)習(xí)和掌握完全可以由學(xué)生自己主動探究來獲得，在普及機(jī)器人知識的同時(shí)，這極大地提升了學(xué)生對機(jī)器人科學(xué)的興趣。

2）基本技能訓(xùn)練。

在機(jī)器人活動中，一方面學(xué)生進(jìn)行搭建和拼裝，是一個(gè)需要動手實(shí)踐的過程；另一方面，學(xué)生通過不斷的實(shí)踐去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。學(xué)生通過對簡單結(jié)構(gòu)的組拼，可以深化其對組拼資源的認(rèn)識，并熟悉各種組拼形式，便于其以后靈活運(yùn)用到各個(gè)組拼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

3）科技活動組織。

比賽是一個(gè)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和提升技術(shù)水平的過程。比賽過程會使學(xué)生體會到成功的喜悅和失敗的煩惱，更重要的是經(jīng)歷挑戰(zhàn)的過程。組拼式機(jī)器人可以用于參加科技競賽、科學(xué)普及、科技展覽等多個(gè)領(lǐng)域，為各個(gè)年齡段的用戶提供全方位的組拼體驗(yàn)。

4）團(tuán)隊(duì)意識培養(yǎng)。

在機(jī)器人競賽活動中，團(tuán)隊(duì)里每一個(gè)人都至關(guān)重要，成員間需要相互依賴，為共同的目標(biāo)去努力，發(fā)揮各自的特長實(shí)現(xiàn)能力互補(bǔ)。在這一過程中，成員產(chǎn)生集體榮譽(yù)感，為自己的團(tuán)隊(duì)去努力和拼搏。

3 機(jī)器人DIY

DIY(Do It Youself)，與此前只能由專業(yè)技術(shù)人員完成設(shè)計(jì)過程的很多設(shè)備本體不同，它提供了一種大眾可參與的科技活動模式。機(jī)器人DIY是利用組拼式機(jī)器人資源，通過選配、拼接和系統(tǒng)調(diào)試等過程，開發(fā)參與者預(yù)想功能的機(jī)器人科研活動。

機(jī)器人DIY活動的參與者，首先要了解機(jī)器人的組成。一般的機(jī)器人DIY要先從機(jī)構(gòu)DIY做起。

3.1機(jī)器人組成

一般來說，機(jī)器人包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)（機(jī)器人本體機(jī)械機(jī)構(gòu)）、驅(qū)動裝置（馬達(dá)等動力裝置）、檢測裝置和控制系統(tǒng)等。

3.2從機(jī)構(gòu)DIY到機(jī)器人DIY

對于初學(xué)者，應(yīng)先從機(jī)器人的機(jī)構(gòu)做起，通過機(jī)器人組件，組拼一些可以實(shí)現(xiàn)的簡單機(jī)構(gòu)，如平行四邊形結(jié)構(gòu)、三角形結(jié)構(gòu)等，并且熟悉機(jī)器人組拼中各種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及作用。接下來，可以做一些傳動機(jī)構(gòu)的組拼，比如齒輪傳動、帶傳動、蝸輪蝸桿傳動、平面連桿傳動、差動機(jī)構(gòu)傳動等，達(dá)到熟悉采用某種傳動方式能夠讓機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)動的程度。完成上述任務(wù)后，學(xué)生就可以嘗試組拼自己的第一個(gè)機(jī)器人了，制作中要注意合理組合各種機(jī)構(gòu)，保證機(jī)器人在運(yùn)動過程中平穩(wěn)、靈活、精準(zhǔn)。

3.3機(jī)器人DIY流程

圖1 機(jī)器人DIY流程

1）創(chuàng)意及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

熟悉機(jī)器人的各個(gè)機(jī)構(gòu)后，學(xué)生就可以嘗試完成自己的設(shè)計(jì)創(chuàng)意。在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，先制定設(shè)計(jì)方案，考慮機(jī)器人的功能和所要完成的任務(wù)要求，最好使機(jī)器人結(jié)構(gòu)便于拆卸，即功能模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要的時(shí)候可將一些模塊用在其他項(xiàng)目上。在設(shè)計(jì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)時(shí)，也要考慮到某些重要組件的更換、電源充電以及控制的方便性等。

2）結(jié)構(gòu)構(gòu)思和組拼過程。

組拼機(jī)器人是一個(gè)創(chuàng)造的過程，需要有創(chuàng)新的理念。機(jī)器人組拼過程一般分為四個(gè)步驟：第一步，根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案制定出機(jī)器人的框架結(jié)構(gòu)；第二步，選擇合適的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，通過馬達(dá)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的配合，使機(jī)器人動起來；第三步，給機(jī)器人選擇適合的傳感器，使機(jī)器人感知工作環(huán)境；第四步，為其適當(dāng)添加輔助傳感器，進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能性。

3）軟件編制。

想編出好的程序一定要有好的程序設(shè)計(jì)理念。編程指令中，一般盡量避免出現(xiàn)復(fù)雜指令，編程語言簡短明了[4]。程序一般由開始、等待、循環(huán)、分支、終止五部分組成[5]，通過控制器和傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的開始及等待功能。在機(jī)器人編程中，要充分發(fā)揮控制器的循環(huán)優(yōu)勢，這樣程序更簡潔，也便于操作者修改。

機(jī)器人應(yīng)該具有識別錯(cuò)誤的能力以及狀態(tài)分析能力。因此，我們在程序編寫中應(yīng)提前考慮到程序運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的導(dǎo)致程序不能按照預(yù)期完成任務(wù)的因素，并對這些因素考慮好應(yīng)對方法，在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)及時(shí)調(diào)用備選程序。這樣做可以讓我們在完成任何任務(wù)時(shí)都游刃有余。

4）調(diào)試與改進(jìn)。

每個(gè)機(jī)器人的組拼都不可能一步到位，組拼后要經(jīng)過多次調(diào)試，記下試驗(yàn)記錄，對不足的地方進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。一款完美的機(jī)器人要經(jīng)得起考驗(yàn)，能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)精準(zhǔn)展示其柔美的運(yùn)動曲線。

圖2 單杠機(jī)器人

4 機(jī)器人DIY案例

4.1單杠機(jī)器人

1）創(chuàng)意及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

單杠機(jī)器人創(chuàng)意源于運(yùn)動場上矯健的運(yùn)動健兒，他們用身體與力量完美演示了生命的曲線。想讓機(jī)器人像人一樣自由運(yùn)動于單杠之上，就要設(shè)計(jì)一個(gè)有手有腳、可以在單杠上通過對慣性合理運(yùn)用達(dá)到表演效果的機(jī)器人。

圖3 單杠表演

2）結(jié)構(gòu)構(gòu)思。

機(jī)器人做單杠表演，就要有單杠和可以表演的機(jī)器人。將單杠與機(jī)器人組拼在一起即為單杠機(jī)器人。

單杠的搭建要考慮到機(jī)器人在運(yùn)動過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，故基座采用平行四邊形結(jié)構(gòu)，支撐采用三角形結(jié)構(gòu)。

用樂高馬達(dá)作為機(jī)器人的腿為機(jī)器人提供動力；以樂高NXT控制器作為機(jī)器人的身體，實(shí)現(xiàn)圖形化編程，使機(jī)器人便于控制；以樂高標(biāo)準(zhǔn)件作為身體與單杠的連接（機(jī)器人的手），該連接采用樂高組件中與標(biāo)準(zhǔn)件間隙配合的銷，以減少機(jī)器人表演過程中產(chǎn)生的摩擦阻力。

3）軟件編制。

單杠機(jī)器人主要依靠驅(qū)動馬達(dá)的快速轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動狀態(tài)的控制。給驅(qū)動馬達(dá)一個(gè)轉(zhuǎn)動的角度及運(yùn)動速度，使其在初始狀態(tài)下能夠具有順時(shí)針的轉(zhuǎn)動慣量，到達(dá)最高點(diǎn)后使馬達(dá)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，給機(jī)器人施加一個(gè)反向的沖量。按照上述過程控制馬達(dá)循環(huán)運(yùn)動，根據(jù)系統(tǒng)的固有頻率設(shè)置恰當(dāng)?shù)难h(huán)周期，使其能夠連續(xù)翻轉(zhuǎn)。

4）調(diào)試與改進(jìn)。

通過多次調(diào)試，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整機(jī)器人雙腿的擺動間隔、角度、速度等，使機(jī)器人充分利用慣性，并控制慣性在單杠上自由發(fā)揮表演。

4.2蝎子機(jī)器人

1）創(chuàng)意及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以樂高NXT控制器作為蝎子機(jī)器人的身體；以樂高超聲波傳感器作為機(jī)器人的眼睛，超聲波傳感器在其前方30cm處檢測到物體時(shí)，機(jī)器人尾部會以一定速度來擊打；以樂高觸碰傳感器作為蝎子尾部末端，當(dāng)觸碰到物體時(shí)，尾巴立即收回。

2）結(jié)構(gòu)構(gòu)思。

蝎子機(jī)器人由控制器構(gòu)成的身體部分、樂高標(biāo)準(zhǔn)件構(gòu)成的手抓部分和尾部攻擊部分組成。

根據(jù)蝎子的體貌特征，用樂高控制器和樂高超聲波傳感器組拼成蝎子機(jī)器人的身體部分，其6條腿由2個(gè)馬達(dá)配合雙搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動，尾部采用平行四邊形交叉升降原理，實(shí)現(xiàn)對物體的攻擊，尾巴末端加裝觸碰傳感器。

圖4 蝎子機(jī)器人

3）軟件編制。

要讓機(jī)器人的尾巴能夠靈敏地感應(yīng)到物體，首先需要給超聲波傳感器一個(gè)合適的距離值，使其反應(yīng)足夠靈敏。當(dāng)光電傳感器檢測到物體時(shí)，尾部需做出攻擊動作，尾部的控制需要調(diào)整馬達(dá)的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)剪叉機(jī)構(gòu)的伸縮，使尾部能夠達(dá)到物體目標(biāo)位置并觸發(fā)末端傳感器使尾巴及時(shí)收回。

圖5 3D打印仿人機(jī)器人

4）調(diào)試與改進(jìn)

組拼完成后需根據(jù)機(jī)器人的尾部運(yùn)動軌跡對組件的長短、連接件的松緊程度進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到平穩(wěn)，靈活、精準(zhǔn)。另外，還需不斷測試各個(gè)傳感器的反應(yīng)時(shí)間。

圖6 3D建模

4.3仿人機(jī)器人

1）創(chuàng)意及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

如今市場上的仿人機(jī)器人多為國外進(jìn)口，在組拼與擴(kuò)展方面相對保守，用戶可用的資源受到生產(chǎn)廠家的約束。3D打印技術(shù)的發(fā)展使得機(jī)器人組件的獨(dú)立設(shè)計(jì)成為可能，資深機(jī)器人玩家可以嘗試為機(jī)器人更換控制器來達(dá)到擴(kuò)展控制的目的。

圖7 十字交叉連接件

仿人機(jī)器人一般采用舵機(jī)傳動，用17個(gè)舵機(jī)做成一個(gè)具有17個(gè)自由度的仿人機(jī)器人，對應(yīng)人體的17個(gè)關(guān)節(jié)。通過連接件將舵機(jī)組拼成人的形狀，并且能夠像人一樣自由運(yùn)動。

2）結(jié)構(gòu)構(gòu)思。

由于采用PLA材質(zhì)打印機(jī)器人的連接件，故須對零件結(jié)構(gòu)采取加厚和加固設(shè)計(jì)，保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。腿部的相鄰舵機(jī)連接采用的連接板結(jié)構(gòu)簡單、受力均勻、不易損壞，故只需加厚即可。相鄰舵機(jī)有方向轉(zhuǎn)換的部位采用交叉連接件（見圖7），由于安有支臂結(jié)構(gòu)，且受力都集中于支臂處，容易發(fā)生彎曲、斷裂現(xiàn)象，故除加厚設(shè)計(jì)外，還須進(jìn)行局部加強(qiáng)處理，使機(jī)器人在運(yùn)動過程中其支臂結(jié)構(gòu)在各個(gè)角度都能承受機(jī)器本身帶給連接件的壓力。

對于仿人機(jī)器人，其平衡性是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，控制器及電源的安裝位置決定機(jī)器人的重心位置。重心的位置對仿人機(jī)器人的平衡性起到至關(guān)重要的作用。將控制器及電源安裝在身體的正中部位，便于機(jī)器人平穩(wěn)站立，同時(shí)為機(jī)器人安裝合適的陀螺儀傳感器，使機(jī)器人能夠隨時(shí)監(jiān)測自己的姿態(tài)。仿人機(jī)器人一般采用無線控制，安裝紅外傳感器使其能夠接收到使用者的控制信號。

3）軟件編制。

仿人機(jī)器人的編程，首先需為其量身定制好開機(jī)等待程序，使機(jī)器人在開機(jī)后能夠保持平穩(wěn)的站立姿態(tài)等待接收命令，并且通過陀螺儀傳感器時(shí)刻檢測自己的狀態(tài)。另外，還可設(shè)立多個(gè)程序入口，根據(jù)接收信號的不同做出相應(yīng)動作。

仿人機(jī)器人具有與人類相似的形態(tài)及關(guān)節(jié)，可以模仿人類的動作，在編制程序時(shí)可以參照人類的運(yùn)動方式為機(jī)器人制定動作，還可以以示教再現(xiàn)的形式給機(jī)器人輸入每個(gè)pose（機(jī)器人姿態(tài)）參數(shù)，在各個(gè)pose間添加循環(huán)、等待、延時(shí)等命令，使機(jī)器人具有表演舞蹈的能力。

4）調(diào)試與改進(jìn)。

機(jī)器人設(shè)計(jì)中一些考慮不周的地方會導(dǎo)致機(jī)器人局部關(guān)節(jié)發(fā)生干涉，針對這些干涉狀況應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理。另外，還可以通過一次次的調(diào)試給機(jī)器人編制合理的程序，如編制機(jī)器人舞蹈、機(jī)器人上樓梯等。

5 結(jié)束語

機(jī)器人DIY實(shí)現(xiàn)了一種立體感知的學(xué)習(xí)模式，把之前的知識系統(tǒng)組合、靈活形象地運(yùn)用到機(jī)器人的組拼過程中，從而使參與者學(xué)到更多的知識，由此產(chǎn)生對機(jī)器人設(shè)計(jì)的樂趣，促進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)程的不斷提升。

目前，機(jī)器人教育資源仍顯匱乏，人工智能進(jìn)校園還停留在利用現(xiàn)有資源進(jìn)行DIY組拼式機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的階段。隨著仿真技術(shù)和3D打印技術(shù)的拓展應(yīng)用，相信人工智能與機(jī)器人技術(shù)在提升校園科普水平、推動校園科普事業(yè)發(fā)展方面，必將發(fā)揮越來越重要的作用。

[1]趙姝穎. 加快機(jī)器人科普教育迎接機(jī)器人走進(jìn)我們生活[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2012（2）：18-19.

[2] 張劍平，王益．機(jī)器人教育：現(xiàn)狀、問題與推進(jìn)策略[J].中國電化教育，2006（12）：65-68．

[3]吳潔，何花，周波．淺談教育機(jī)器人[J]．中國教育技術(shù)裝備，2006（7）：14-16.

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[5]鄭劍春，趙亮.樂高——實(shí)戰(zhàn)EV3[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

本項(xiàng)目獲得沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號：F14-214-5-00；獲得中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號：N110804005。