教育機器人的界定及其關鍵技術研究

黃捷 叢敏

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

關鍵詞：教育機器人；關鍵技術；移動機器人；機器人教育

機器人技術水平是衡量國家科學技術發(fā)展水平的一個重要標志，是多數(shù)發(fā)達國家和許多發(fā)展中國家重點研究發(fā)展的高新技術。西方發(fā)達國家已經(jīng)利用機器人技術為社會帶來廣泛的促進作用和深遠影響，如前沿的太空飛行器機器人控制技術、將來有應用前景的地面無人車技術、以及面向家庭并且已經(jīng)廣泛應用于千家萬戶的掃地機器人等。機器人的研究與應用涉及到的技術學科十分全面，其需要控制技術、檢測技術、電子技術、通信技術、機械技術和計算機技術等，是進行技術教育的優(yōu)秀載體，也是全面培養(yǎng)學生信息素質(zhì)提高其創(chuàng)新精神和綜合實踐能力的良好平臺。因此，需要把機器人教育引入中小學，引入大中專院校，以教育機器人為教學平臺，促進技術學科的教育發(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)，同時將推動我國機器人知識和技術的普及。

因此，2003年教育部頒布的普通高中新課程標準將“人工智能初步”及“簡易機器人制作”分別列入信息技術和通用技術課程的選修內(nèi)容；《普通高中物理課程標準（實驗）》也針對性地提出“收集資料，了解機器人在生產(chǎn)、生活中的應用”的教學要求；從2003年起，全國中小學電腦制作活動中增加了教育機器人比賽的內(nèi)容。近幾年我國的機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和機器人教育提倡的教育理念還不一致；另一方面，作為機器人教育的實施載體的機器人產(chǎn)品缺少規(guī)范，性價比高、適用教學的教育機器人產(chǎn)品比較匱乏。本文以教育機器人的教育目標作為指導思想，分析和研究機器人教育的教育理念，提出教育機器人關鍵技術應滿足的技術要求。

一、教育機器人的界定與分類

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

教育機器人依據(jù)面向的用戶對象層次分類，可分為針對高等教育的學習型機器人，和針對基礎教育的比賽型機器人。學習型機器人主要目的在于培養(yǎng)學生的綜合能力，這類機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體結(jié)構(gòu)，并允許用戶自行設計某些部件，這類機器人的控制較為復雜，能夠進行較高層次的科研，其難易程度比較接近專業(yè)機器人；比賽型機器人主要目的是用于激發(fā)學生的學習興趣，一般只提供一些標準的器件和程序，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器人競賽。

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

二、教育機器人的關鍵技術

幾年來，我國的教育機器人產(chǎn)業(yè)也得到較快發(fā)展，市場上教育機器人的品牌較多，并各自形成特色。然而，由于我國沒有制定機器人產(chǎn)品的統(tǒng)一標準，生產(chǎn)商和研究機構(gòu)各自從商業(yè)角度來開發(fā)和設計產(chǎn)品，與機器人教育理論融合程度不高。由于沒有遵循教育理念來設計和開發(fā)教育機器人，造成教育機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，還未形成技術實力特別強和市場份額特別大的領導型公司形成事實的行業(yè)標準來引導教育機器人行業(yè)的發(fā)展。

針對上述問題，教育機器人的技術要求可以從如下幾個方面考慮：首先，教育機器人產(chǎn)品應具有低價實用、開放性好、兼容性強的特點，降低用戶購買和使用的門檻；其次，教育機器人產(chǎn)品應系列化和標準化。建立教育機器人技術標準一方面可供企業(yè)研發(fā)機器人產(chǎn)品提供行業(yè)指導，另一方面也作為學校選用合適的機器人的參考標準。為了方便用戶使用和維護機器人，教育機器人設計應遵循模塊化的原則，建議總的設計原則如下：（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，也能對獨立模塊進行設置和操作；（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；（9）易于編程，機器人本體和編程平臺之間通信操作方便。教育機器人平臺根據(jù)其功能特性分為如下幾個模塊（圖1）：

（1）機械平臺

機械平臺是教育機器人的結(jié)構(gòu)框架，機器人本體的各機構(gòu)模塊需要設計成可以接插的各種標準連接件。競賽型和學習型教育機器人其機械平臺設計的原則不同：競賽型教育機器人，其應該具有較強的“搭積木”的特性，用戶可以根據(jù)比賽要求將機器人搭建成不同的形狀；學習型教育機器人其機械平臺結(jié)構(gòu)形狀比較固定，一般不能做較大的改動，但是要求功能擴展性比較強，能夠連接多種外設、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，能夠提供較大的驅(qū)動力、負重能力，有較強的能源續(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，作出判斷后對機器人的各個部件發(fā)出指揮命令，從而控制機器人的所有行動。

控制器是控制機器人感知與決策的核心器件，用于運行機器人控制程序，提供用戶界面接口，完成坐標變換、運動規(guī)劃和任務作業(yè)等。通用PC運算能力強，技術成熟、可靠性高、數(shù)據(jù)接口具有開放性，因此學習型教育機器人的控制器可選用PC為主控制器，設計機器人時可以將PC主板固化在機器人的機體上，但是這種設計使得機器人后續(xù)升級較為麻煩，另外一種形式是設計接口，將筆記本電腦作為控制器安放在機器人平臺上。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性能的系統(tǒng)，而且還方便進行二次開發(fā)。比賽型教育機器人由于其工作任務較為簡單，對控制器的運算能力要求不高，且機體較小，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，用于提供給用戶編寫機器人控制程序。通過編譯器編譯，將寫好的控制程序最終下載到機器人的控制器中。教育機器人其編程界面可以設計成兩種：一種是適合高級用戶使用的代碼語言界面，這種一般是學習型機器人的編程方式；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。

圖形化設計界面應包括 “模塊庫”（表1）和“流程設計”，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設計一個面板，用于存放從模塊庫中選中的控件對象，用戶設計機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?shù)目刂茀?shù)，然后轉(zhuǎn)化為代碼語言程序，最后編譯下載到機器人的控制器中。此外，圖形化的編程界面還應該具備模擬環(huán)境的功能，即可在計算機屏幕上創(chuàng)建虛擬機器人及場地環(huán)境，能模擬顯示機器人運動的軌跡和參數(shù)的動態(tài)變化，以適應機器人教學需求和相關各種比賽項目。