基于NAO機器人在高職人工智能機器人專業(yè)教學中的應用

郭鉞

摘 要：將NAO機器人虛擬仿真軟件Choregraphe圖形編輯程序應用到高職人工智能機器人專業(yè)教學中，可以完成學生對人工智能機器人認識、編程實踐操作、指令盒數據庫及3D仿真演示等，實現了教學內容與工作能力的有效對接，提高了教學的安全性和趣味性，為后續(xù)人工智能機器人實操實訓打下良好基礎。

關鍵詞：Choregraphe; 圖形編輯; 人工智能機器人; 專業(yè)教學

中圖分類號：TP249 ? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-3315（2019）04-126-001

Aldebaran Robotics公司出來的NAO是目前世界上最為人熟知且是最廣泛地應用于教育和研究上的人形機器人。作為機器人足球世界杯指定的官方平臺，人形機器人NAO由25個關節(jié)構成，每個關節(jié)由電機和電動制動器控制，裝配有攝像頭、紅外傳感器、超聲波傳感器、慣性器件等，而NAO機器人通過使用紅外線傳感器、無線網絡、相機、麥克風和揚聲器與人進行互動。用戶可以通過上述設備來完成輸入。而狀態(tài)輸出可以通過多個LED和揚聲器來傳遞。NAO機器人具有豐富、強大的函數庫，在Linux，Windows，Mac OS等操作系統(tǒng)下，均可利用C++，MATLAB，Python語言、以及基于圖形接口編程的Choregraphe對其編程操作。目前，全球多個高等學校和研究機構已將NAO機器人用于教育和科研工作。2017年咸陽職業(yè)技術學院電子信息學院引進NAO機器人平臺，并將其用于第二課堂及技能大賽，意在鍛煉學生的創(chuàng)新能力和科研能力。

將Choregraphe應用于NAO人工智能機器人專業(yè)教學中，可以滿足在沒有人工智能機器人實訓設備的情況下進行人工智能機器人課程教學的要求，通過虛擬仿真技術建立機器人工作場景，實現機器人工作路徑規(guī)劃等工作，讓學生掌握人工智能機器人技術。

1.Choregraphe在NAO人工智能機器人專業(yè)教學中應用的價值與意義

1.1實現與崗位工作能力對接

離線編程、虛擬仿真技術在人工智能機器人運行、調試、維護等工作崗位中得到廣泛應用，在高職教育中主要是培養(yǎng)學生提前適應崗位工作的能力，將離線編程仿真技術作為課程融入到人工智能機器人專業(yè)教學中，在學校對學生進行離線編程、虛擬仿真技術培訓，以便能有效的實現教學內容與崗位工作能力無縫對接。

1.2提高教學安全性

人工智能機器人實訓設備的控制操作需要嚴格遵守機器人安全操作規(guī)程，一旦違規(guī)操作就可能發(fā)生危險，對學生或設備造成傷害，采用Choregraphe虛擬仿真軟件在電腦上模擬實際動作，機器人速度過快、路徑運算錯誤以及運行關節(jié)點錯誤等都可以在發(fā)現問題后及時進行改正，直到調整到最佳狀態(tài)而不會發(fā)生任何危險，保證了教學的安全性。

1.3提高教學趣味性

通過豐富的教學項目，以Choregraphe圖形編程系統(tǒng)創(chuàng)建虛擬工作站，通過Python匯編語言讓整個機器人控制系統(tǒng)自主運行，通過虛擬仿真3D來實現機器人運動的動畫，讓學生可以看到機器人模擬演練的效果，以提高學生的成就感與積極性。

2.Choregraphe在人工智能機器人專業(yè)課程教學中的應用

2.1課程體系連接人工智能機器人虛擬仿真課程是基于機器人控制系統(tǒng)調試與維護崗位能力分析，采用虛擬仿真軟件搭建智能系統(tǒng)控制平臺，對機器人系統(tǒng)進行離線編程、仿真、調試，最后將仿真調試好的程序應用于機器人運行中，主要培養(yǎng)學生智能電機控制系統(tǒng)的編程、仿真調試能力以及學生分析問題、解決問題的能力。相關課程可與人工智能機器人基礎、Pathon語言匯編進行互通。

2.2人工智能機器人認識實踐

NAO人工智能機器人所應用的圖形編程軟件Choregraphe的指令數據庫涵蓋了一共70個大約11種不同類型的指令。指令資料庫的配置如下：LED：可以控制NAO的LED。傳感器：可以取得NAO的傳感器。邏輯：用于邏輯運算。數學：有關數學的指令盒以及可以產生隨機數。動作：許多不同動作。行走：可以走路。聲音：可以輸入/輸出的聲音。影片：可以使用相機來辨識物體。追蹤：可以追蹤特定物體。工具：可以調整其他盒子的輸入。通信：可以使用信箱、藍牙和紅外線通信裝置。

這些指令來控制機器人完成一系列復雜的動作。NAO機器人總共有25個關節(jié)：頭部關節(jié)2個，每個手臂各有五個（總共10個），每條腿各有五個（總共10個），一個在骨盆，2個用在執(zhí)行手的開合運動。每個關節(jié)可以獨立控制，但在骨盆的兩個關節(jié)需同時控制。每個關節(jié)都有一個角度的限制。將機器人模型導入到Choregraphe后，打開3DNAO界面，用戶可以輸入關節(jié)值來使機器人移動。關節(jié)坐標運行中可以看到機器人的關節(jié)軸所在的位置，每個關節(jié)軸的當前運動角度。通過調整線性控制按鈕來改變關節(jié)軸承旋轉的角度及距離;可以觀察機器人運動的三維動畫來查看機器人應用能力，并且可以多視角觀察機器人運行狀態(tài)，仿佛機器人就擺在學生面前，讓學生對NAO機器人產生感官上的認識。

2.3編程實踐

人形機器人NAO所提供的大部分功能可以通過 Choregraphe圖形編程來實現。很多不同的任務像是打開LED，重復幾組動作，發(fā)出聲音等等都可以被Choregraphe指令支持，而且可以被用來執(zhí)行很多不同的機器人任務種類。然而執(zhí)行不被現有指令支持的任務卻很困難，這種情況下我們可以使用 c/c++和python語言來建立新的指令。

3.結束語

將人工智能機器人NAO的Choregraphe圖形編程軟件引入到人工智能機器人專業(yè)教學中，將學生輕易接觸不到的人工智能機器人呈現在學生面前，學生可以通過指令庫中已有的指令、手動語言編程等方式讓機器人完成指定動作，還可以通過軟件進行虛擬動畫仿真，在電腦上完成整個機器人系統(tǒng)的編程調試工作，提升了教學的安全性，并且能夠進一步提高學生的學習興趣和動力，取得了良好的教學效果。