李建科 鄧漢盤(pán)

智能機(jī)器人是中小學(xué)課堂新興的一門(mén)旨在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的信息技術(shù)課程，但是實(shí)際上在實(shí)施這門(mén)課程的時(shí)候存在很多的誤區(qū)，往往達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手創(chuàng)新能力的目的。我們嘗試開(kāi)設(shè)的智能機(jī)器人DIY課程，經(jīng)過(guò)理論上的探討和實(shí)際上的操作實(shí)踐，以及在東莞市青少年活動(dòng)中心的實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生在課堂上真正地參與到了機(jī)器人的設(shè)計(jì)、焊接、編程中去，達(dá)到了鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的目的。實(shí)踐證明這門(mén)課程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手創(chuàng)新能力是行之有效的。

一、中小學(xué)智能機(jī)器人的教育背景

近年來(lái)，在中小學(xué)課堂上興起一門(mén)全新的信息技術(shù)課程一一智能機(jī)器人，它包含了計(jì)算機(jī)硬件、軟件、電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科的綜合應(yīng)用，對(duì)鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力、編程能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神有很大幫助。

雖然現(xiàn)在中小學(xué)智能機(jī)器人教育得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是一些弊端已經(jīng)逐漸地顯露出來(lái)。一些學(xué)校名義上開(kāi)展著智能機(jī)器人課程，但實(shí)際上是為了應(yīng)付比賽和檢查而臨時(shí)培訓(xùn)幾個(gè)學(xué)生，而大部分的設(shè)計(jì)都由機(jī)器人生產(chǎn)商或老師事先完成，學(xué)生只是一個(gè)看客，只能對(duì)機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)行操作。這與我們開(kāi)展這門(mén)課的初衷是背道而馳的，偏離丁培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手創(chuàng)新能力的目的。

現(xiàn)在市場(chǎng)上機(jī)器人價(jià)格昂貴，都是四五千元左右一臺(tái)，學(xué)校投入相當(dāng)大，價(jià)格問(wèn)題已成為制約學(xué)校參加這項(xiàng)活動(dòng)的主要因素，資金的缺乏使一些學(xué)校只能購(gòu)買(mǎi)少量機(jī)器人來(lái)參加一些特定的比賽，而無(wú)法在校園內(nèi)作為一項(xiàng)科技活動(dòng)來(lái)開(kāi)展和普及，在這一社會(huì)背景下，提倡學(xué)生自己動(dòng)手來(lái)制作機(jī)器人，而老師只作為一位真正意義上的指導(dǎo)者，讓比賽回歸到教育的目的，這樣無(wú)疑對(duì)這項(xiàng)活動(dòng)的推廣和普及具有更重要的意義。正是在這種情況下，我們嘗試開(kāi)設(shè)了智能機(jī)器人DIY這門(mén)課程。

二、優(yōu)勢(shì)獨(dú)特的機(jī)器人DIY課程

DIY，是Do It YouSelf的縮寫(xiě)，即自己動(dòng)手的意思，提倡學(xué)生自己動(dòng)手制做機(jī)器人，主要意義在于降低機(jī)器人的成本，讓更多的學(xué)生有經(jīng)濟(jì)能力參與進(jìn)來(lái)。通過(guò)學(xué)生自己動(dòng)手焊接電路板，自己制作底盤(pán)、挑選馬達(dá)來(lái)完成一臺(tái)機(jī)器人的制作，不但鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，達(dá)到提高學(xué)生個(gè)人綜合素質(zhì)的目的，還使學(xué)生從中體會(huì)到成功的喜悅。

現(xiàn)在市場(chǎng)上各種電子零配件相當(dāng)豐富，自己動(dòng)手組裝一臺(tái)機(jī)器人的方案已經(jīng)具備可行性，對(duì)于成本、一臺(tái)足球機(jī)器人大約是四、五百元左右，相對(duì)于現(xiàn)在市場(chǎng)上機(jī)器人價(jià)格而言，已經(jīng)相當(dāng)?shù)?，這也能使廠家進(jìn)一步降低自己機(jī)器人銷(xiāo)售的價(jià)格。

三、DIY機(jī)器人的設(shè)備選購(gòu)

（一）底盤(pán)

機(jī)器人的底盤(pán)可選用一般的PVC板來(lái)做，PVC板為高密度塑料板，在市場(chǎng)上可方便的買(mǎi)到，能自由打孔，方便固定機(jī)器入主板和各種零配件，也可選用玻璃板，中鳴數(shù)碼公司提供的足球套件采用玻璃板底盤(pán)，但玻璃板底盤(pán)價(jià)格昂貴，也比較厚，不利于人工打孔，如果采用小型數(shù)控機(jī)器或到工廠去進(jìn)行打孔或切邊，則不存在這問(wèn)題。除此之外，也可采用玩具車(chē)模型底盤(pán)或坦克底盤(pán)，在開(kāi)展DIY課程中，使用這些底盤(pán)更有利于提高學(xué)生的興趣。

（二）電機(jī)

對(duì)于機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)，一般都是采用高速馬達(dá)和減速箱來(lái)組成，減速箱的作用是降低電機(jī)輸出軸速度，增大扭力?，F(xiàn)在市場(chǎng)上帶減速箱的電機(jī)貨源比較充足，有6V、12V或24V選擇，當(dāng)然，也可在電機(jī)二手市場(chǎng)買(mǎi)到一些性價(jià)比高的電機(jī)。對(duì)于機(jī)器人滅火或足球項(xiàng)目，電機(jī)的電壓選擇在12V，400rpm就可，對(duì)于不同的項(xiàng)目，也可根據(jù)需要來(lái)選擇不同參數(shù)的電機(jī)。

（三）輪胎

輪胎在市場(chǎng)中比較難找，主要是現(xiàn)在電機(jī)輸出軸半徑大小不一，沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，廠家都是針對(duì)自己的產(chǎn)品對(duì)輪胎進(jìn)行定做，所以市場(chǎng)上比較難賣(mài)到通用的輪胎。如果采用玩具車(chē)底盤(pán)或坦克底盤(pán)，它們都自帶了輪胎和馬達(dá)，可以節(jié)省到找輪胎的時(shí)間，如果采用PVC板或玻璃板做底盤(pán)，則可根據(jù)自己選擇的電機(jī)的軸徑在市場(chǎng)中尋找輪胎，也可到淘寶網(wǎng)一些個(gè)人商店進(jìn)行定做，價(jià)格大約在二、三十元左右。

（四）機(jī)器人主板

主板功能設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮機(jī)器人的通用性，盡量把各種功能模塊都設(shè)計(jì)在主板中。例如應(yīng)具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，即A/D轉(zhuǎn)換，可用來(lái)檢測(cè)周?chē)沫h(huán)境光;數(shù)字輸入功能，可用來(lái)檢測(cè)開(kāi)關(guān)閉合情況、數(shù)字輸出功能、可用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光LED;電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，讓機(jī)器人做出不同的動(dòng)作，聲音檢測(cè)功能，檢測(cè)周?chē)穆曇?發(fā)音功能，能播放音樂(lè)，提供學(xué)生的興趣;液晶顯示功能，可用來(lái)和學(xué)生進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的交互也方便用戶程序的調(diào)試;如果有可能，盡量把擴(kuò)展卡模塊設(shè)計(jì)進(jìn)主板，方便以后增加功能模塊以滿足不同項(xiàng)目比賽的需要。

設(shè)計(jì)好主板原理圖后，可讓學(xué)生按照原理圖把元件焊接在萬(wàn)用板上或讓工廠把原理圖制作成空PCB板，再給學(xué)生使用。如果是焊接在萬(wàn)用板上，則需要花費(fèi)時(shí)間比較長(zhǎng)，也容易出錯(cuò)，對(duì)中小學(xué)生不太適用，如果是讓工廠加工成PCB板，則成本比較貴，老師可根據(jù)實(shí)際情況選擇焊板。

（五）主控制芯片的選擇

機(jī)器人主控芯片的選擇必須具有自我編程的能力，即具有程序下載的功能，才能使學(xué)生重復(fù)的進(jìn)行多次練習(xí)。AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司挪威設(shè)計(jì)中心的第一個(gè)姓名字母為A和v的研發(fā)者利用ATMEL公司的Flash新技術(shù)，共同研發(fā)出RISC精簡(jiǎn)指令集的高速8位單片機(jī)，簡(jiǎn)稱AVR，其中的R表示芯片為RISC結(jié)構(gòu)。作為增強(qiáng)型RISC內(nèi)載Flash的單片機(jī)，它具有下面的特點(diǎn)：

1.速度快、時(shí)鐘頻率高。

2.1/0口驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、電流大.

3.豐富的片上資源

4容易上手、開(kāi)發(fā)費(fèi)用低，網(wǎng)上資源豐富

進(jìn)行AVR單片機(jī)開(kāi)發(fā)費(fèi)用低廉，可使用ISP在線下載編程方式把編譯好的程序?qū)懙絾纹瑱C(jī)的程序存儲(chǔ)器里，也可采用BootLoader程序通過(guò)電腦的串口來(lái)進(jìn)行程序的更新，不需購(gòu)買(mǎi)仿真器、編程器、擦抹器和芯片適配器等，節(jié)省很多開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

四、機(jī)器人DIY的教學(xué)過(guò)程