基于開源硬件的中小學(xué)智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索

1、基于開源硬件的中學(xué)小學(xué)智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索 摘要 智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是機(jī)器人教育進(jìn)入中學(xué)小學(xué)的重要環(huán)節(jié)。 如何使智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用獲得可持續(xù)發(fā)展，機(jī)器人設(shè)備選型是關(guān)鍵。機(jī)器人 廠商為了保護(hù)生產(chǎn)利益，產(chǎn)品兼容上存有技術(shù)屏障，使得不同類型機(jī)器人軟件硬件 不能互換使用。為了制止設(shè)備生產(chǎn)廠商過多地影響機(jī)器人教育的發(fā)展，作者提出采 用開源硬件的智能機(jī)器人設(shè)備建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，希望藉此打破技術(shù)壁壘，推動(dòng)中學(xué)小學(xué) 機(jī)器人教育的普及。 關(guān)鍵詞 開源硬件 智能機(jī)器人 ArduinoArduino一、智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)現(xiàn)狀智能機(jī)器人的應(yīng)用十分廣泛，無論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事乃至家庭、教育領(lǐng)域都 可見其身影。在

2、中學(xué)小學(xué)機(jī)器人教育領(lǐng)域，對(duì)應(yīng)用于教學(xué)的機(jī)器人性能要求不高， 但要有較高的開放性和可擴(kuò)展性， 使用者可根據(jù)需要通過增減模塊改變機(jī)器人功能， 便于自主創(chuàng)新。另外在學(xué)校里使用的設(shè)備，注定要具有較高的性價(jià)比。當(dāng)前，生產(chǎn)教育用機(jī)器人的廠商比大量，國內(nèi)的或者國外的都有，中學(xué)小學(xué)已 建好的智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室絕大部分采用了其中一家或多家廠商的產(chǎn)品。但是，作者 通過文獻(xiàn)調(diào)查、機(jī)器人競賽、及對(duì)周邊學(xué)校實(shí)驗(yàn)室管理員了解使用情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，學(xué) 校在實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和使用中，因?yàn)楦鳈C(jī)器人生產(chǎn)廠商從保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和經(jīng)濟(jì)利益角 度出發(fā)，其機(jī)器人產(chǎn)品普遍存有以下一些問題：1 1、各廠家產(chǎn)品繁雜，各品牌機(jī)器人自成體系互不兼容。 為了保護(hù)生

3、產(chǎn)利益， 加 上沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)室在后期建設(shè)或者器材更新時(shí)大多只能選擇同一廠商 的產(chǎn)品，學(xué)校在器材的選擇上受到約束。2 2、機(jī)器人產(chǎn)品更新?lián)Q代迅速， 舊型號(hào)零配件供應(yīng)不足。 不同型號(hào)的機(jī)器人配件 往往不能互換，舊型號(hào)機(jī)器人在性能上雖然能滿足教學(xué)需要，但停產(chǎn)后配件難尋， 被迫升級(jí)全套器材，造成浪費(fèi)。3 3、機(jī)器人功能模塊類型少， 其擴(kuò)展性受限。 各種型號(hào)的機(jī)器人多數(shù)針對(duì)競賽而 設(shè)計(jì)，配備的功能模塊較少，其它類型的模塊因?yàn)榧嫒菪詥栴}無法使用，機(jī)器人能 實(shí)現(xiàn)的功能十分有限。4 4、機(jī)器人核心技術(shù)資料不公開，學(xué)生不能充分掌握機(jī)器人的各種知識(shí)。 缺少電 路原理圖，無法分析零配件功能用途；機(jī)器人底

4、層語言函數(shù)源代碼不公布，不能了 解機(jī)器人運(yùn)作原理。5 5、缺少技術(shù)支援，機(jī)器人后期維護(hù)難。保修期一過，廠商的技術(shù)支持將停止， 出現(xiàn)技術(shù)問題得不到解決。因?yàn)楦傎惵?lián)系緊密，老師們對(duì)于技術(shù)上的研討十分保 守，教學(xué)交流也是難以展開。6 6 機(jī)器人價(jià)格較高，建設(shè)經(jīng)費(fèi)投入大。較高的建設(shè)經(jīng)費(fèi)使機(jī)器人教育進(jìn)學(xué)校發(fā) 展緩慢，同時(shí)，設(shè)備單價(jià)昂貴，老師擔(dān)心設(shè)備損壞不敢“放手”讓學(xué)生動(dòng)手操作機(jī) 器人，制約了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。二、關(guān)于開源硬件開源硬件是指與開源軟件相同方式設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)和電子硬件。開源硬件通常發(fā) 布有詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)資料，如電路圖、材料清單和電路板布局?jǐn)?shù)據(jù)等。使用者能夠 通過購買、委托制造或自制等方式獲得

5、開源硬件。另外，得益于開源硬件獨(dú)特的開 發(fā)和發(fā)布方式，制作、使用開源硬件無需擔(dān)心版權(quán)問題。在智能機(jī)器人領(lǐng)域，最常見的開源硬件是 ArduionArduion，見圖 1 1。圖 1Arduino UNO 主控板ArduinoArduino 是意大利的一個(gè)教學(xué)用開源硬件項(xiàng)目。ArduinoArduino 包含一個(gè)單片機(jī)開發(fā)板、 一個(gè)簡單易用的軟件開發(fā)系統(tǒng)（見圖 2 2）、一系列豐富的傳感器和驅(qū)動(dòng)電路。ArduinoArduino 的電路板能夠自行制作焊接，也能夠購買已經(jīng)組裝好的，軟體開發(fā)系統(tǒng)能夠從官方 站點(diǎn)www.arduino.ccwww.arduino.cc 上免費(fèi)下載使用。: IArduin

6、oArduino 系統(tǒng)使用 C C 語言實(shí)行編程。ArduinoArduino 的 C C 語言已經(jīng)實(shí)行了簡化，降低了 復(fù)雜性，初學(xué)者能夠很容易上手，大大降低了入門門檻。作者在初次接觸ArduinoArduino，只花了幾十分鐘就能夠編寫簡單的 ArduinoArduino 程序。如果不想使用字符編程，還能夠 選擇圖形化的編程工具，通過添加拖動(dòng)圖標(biāo)的方式輕松編程。三、商品機(jī)器人與開源機(jī)器人常見的由機(jī)器人廠商生產(chǎn)的機(jī)器人稱為商品機(jī)器人，由開源硬件組裝而成的機(jī)器人稱為開源機(jī)器人。開源機(jī)器人能否滿足中學(xué)小學(xué)機(jī)器人教學(xué)需求？現(xiàn)在將智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室使用 較為廣泛的兩款商品機(jī)器人與使用 ArduinoAr

7、duino 制作的開源機(jī)器人作一比較，見表 1 1。表 1 兩款商品機(jī)器人與 Arduino 開源機(jī)器人比較機(jī)器人類型國產(chǎn) G 品牌教育機(jī)器人國外 L 品牌教育機(jī)器人Arduino 開源機(jī)器人控制器內(nèi)核32 位 Cortex-M3 內(nèi)核32 位 ARM7 內(nèi)核8 位 AVR 或 32 位Cortex-M3 內(nèi)核控制接口12 路 I/O 口每個(gè)都具備輸 入輸出功能4 輸入口、3 輸出口6 模擬輸入端口、14 數(shù) 字輸入輸出端口傳感器光敏傳感器、磁敏開關(guān)、 觸碰開關(guān)、火焰?zhèn)鞲衅鳌?紅外測障傳感器、灰度傳 感器、聲音傳感器觸動(dòng)傳感器光電傳感 器、超聲波傳感器、聲 音傳感器支持?jǐn)?shù)以百計(jì)各種類 型的傳感

8、器執(zhí)行器直流電機(jī)、減速電機(jī)、2種顏色的燈內(nèi)置角度傳感器的伺服 電機(jī)、燈泡、揚(yáng)聲器支持各種電子裝置和 器件，電機(jī)、光傳感器等等數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)SBUSB、藍(lán)牙、紅外USB、串口、藍(lán)牙、以太網(wǎng)、XBee 無線等Dll UDkxjWa w 住門幺曲N I0B ljirHj|_UB.血： 林簾；|:訶 J Jffi圖 2Arduino 編程環(huán)境編程平臺(tái)編程模式標(biāo)準(zhǔn)流程圖與 C 語言雙重 編程功能圖形化編程文本編程或圖形化編程支持操作 系統(tǒng)Win dowsWindows、Mac OS XWindows、Mac OS X、Li nux運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2WD 鋁合金小車積木式機(jī)械結(jié)構(gòu)各種車體、機(jī)械結(jié)構(gòu)均 可使用從上述比較

9、可見，開源機(jī)器人配置能達(dá)到甚至優(yōu)于商品機(jī)器人，完全能夠滿足 中學(xué)小學(xué)機(jī)器人教學(xué)的需求。開源機(jī)器人相對(duì)商品機(jī)器人具有以下優(yōu)點(diǎn)：1 1、 技術(shù)規(guī)范統(tǒng)一，新舊型號(hào)配件通用。ArduinoArduino 在開發(fā)過程中力求新舊版本的 通用，無論從物理結(jié)構(gòu)上還是接口電路電氣性能，各種新舊型號(hào)的控制器和傳感器 都能夠互相搭配使用，這樣能夠大大節(jié)約了硬件資源。2 2、功能模塊十分豐富， 機(jī)器人擴(kuò)展水平非常強(qiáng)， 利于學(xué)生創(chuàng)新想法的實(shí)現(xiàn)。 它 能夠使用上百種功能模塊，甚至能夠自行開發(fā)功能模塊，創(chuàng)新應(yīng)用得到最大的支持。3 3、所有技術(shù)資料公開、 透明。 從電路原理圖、 零件清單到編程平臺(tái)源代碼垂手 可得，使用者可深

10、入研究機(jī)器人的底層技術(shù)。4 4、 使用者眾多，技術(shù)交流社區(qū)活躍，技術(shù)問題可迅速得到解決。ArduinoArduino 官方論壇注冊(cè)用戶達(dá)到五萬三千多人， 加上其它使用 ArduinoArduino 的交流社區(qū)，ArduinoArduino 用戶 可能達(dá)到近十萬人。另外，國內(nèi)相繼涌現(xiàn)了學(xué)習(xí)使用ArduinoArduino 的工作坊，如北京ArduinoArduino 俱樂部、上?！靶萝囬g”等。無論從網(wǎng)上或者網(wǎng)下都能夠找到ArduinoArduino 用戶實(shí)行交流。5 5、無技術(shù)壟斷現(xiàn)象， 器材價(jià)格透明， 利于推廣。因?yàn)榧夹g(shù)資料公開， 沒有廠商 能夠壟斷 ArduinoArduino 的生產(chǎn)與銷售

11、，使得 ArduinoArduino 的性價(jià)比極高。四、建設(shè)開源硬件機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室通過以上對(duì)商品機(jī)器人和開源機(jī)器人的研究分析，可見利用開源硬件建設(shè)機(jī)器 人實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢是十分突出的，據(jù)此，作者提出通過建設(shè)開源硬件機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的 構(gòu)想，籍此擴(kuò)展機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的途徑和渠道，為促動(dòng)中學(xué)小學(xué)機(jī)器人教育發(fā)展 提供參考。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)通常包含三方面的內(nèi)容：計(jì)算機(jī)、智能機(jī)器人、配套設(shè)施。 作者依此對(duì)開源硬件機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的配置建議可作如下的選擇：1 1、計(jì)算機(jī)可因?qū)W校實(shí)際情況情況，采用購買新計(jì)算機(jī)或者使用原計(jì)算機(jī)室設(shè)備 的方法解決。ArduinoArduino 開發(fā)環(huán)境對(duì)計(jì)算機(jī)硬件需求很低，現(xiàn)在能夠正常使

12、用的計(jì)算機(jī)都能滿足需要。如購買新計(jì)算機(jī)，能夠采購手提電腦，便于機(jī)器人運(yùn)行調(diào)試。2 2、智能機(jī)器人數(shù)量可根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況人數(shù)， 按照 2-32-3 人一臺(tái)機(jī)器人的數(shù)量配 備。開源智能機(jī)器人零配件的配置可分為基礎(chǔ)配置和拓展配置兩部分。（1 1）采用基礎(chǔ)配置的機(jī)器人可滿足中學(xué)小學(xué)智能機(jī)器人的入門教學(xué)， 完成諸如機(jī)器人巡線行走、走迷宮等任務(wù)。基礎(chǔ)配置的詳細(xì)零部件見表2 2。表 2 開源智能機(jī)器人零配件基礎(chǔ)配置零部件型號(hào)數(shù)量主控板Ardui no UNO1傳感器傳感器擴(kuò)展板1光電灰度傳感器2聲音傳感器1超聲波測距傳感器1觸碰傳感器2執(zhí)行器電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊1減速電機(jī)2蜂鳴器1LED 燈2數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)SB 數(shù)據(jù)線

13、1電源7.2V220mah 鋰電池組17.2V 鋰電池充電器1運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2WD 鋁合金小車1其它M3*10 固定柱+M3*5 螺絲10傳感器連接線10（2 2）拓展配置是在基礎(chǔ)配置的基礎(chǔ)上增加零部件。 能夠滿足學(xué)校機(jī)器人課外小 組活動(dòng)以及創(chuàng)新活動(dòng)的展開。拓展配置零部件見表 3 3。表 3 開源智能機(jī)器人零配件拓展配置零部件型號(hào)數(shù)量傳感器顏色傳感器1數(shù)字指南針1紅外火焰?zhèn)鞲衅?溫度傳感器1霍爾傳感器1執(zhí)行器伺服電機(jī)1繼電器模塊1直流電機(jī)12 自由度機(jī)械臂13 3、配套設(shè)施包含組裝機(jī)器人的起子、 鉗子等工具。 另外需要鋪設(shè)機(jī)器人運(yùn)行場 地。還能夠配備適量的機(jī)械加工設(shè)備，如手鉆、鋼鋸、電磨等，以滿足機(jī)

14、器人改裝 和創(chuàng)新活動(dòng)的需求。五、實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)作方式 當(dāng)前，機(jī)器人教育在中學(xué)小學(xué)尚屬于初期的探索階段，能夠?qū)W習(xí)的經(jīng)驗(yàn)很少。如何能更加好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室的使用效益，作者認(rèn)為能夠從以下方面著手：1 1、拓展使用對(duì)象 實(shí)驗(yàn)室建成初期可先從機(jī)器人興趣小組入手，培養(yǎng)一部分有興趣的學(xué)生，組成 機(jī)器人學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)。老師可利用機(jī)器人興趣小組展開校內(nèi)的機(jī)器人展示、競賽活動(dòng)， 擴(kuò)大機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室影響面，吸引更多的學(xué)生參與學(xué)習(xí)。老師在機(jī)器人興趣小組的教 學(xué)活動(dòng)中積累經(jīng)驗(yàn)，形成自己的教學(xué)水平。逐步將課外小組松散的教學(xué)行為轉(zhuǎn)變成 面向全體學(xué)生的常規(guī)課堂教學(xué)。2 2、拓寬應(yīng)用面 得益于開源硬件體系，機(jī)器人可使用的傳感器種類和使用效果都得到較大提升， 老師可利用豐富的硬件資源開拓各種機(jī)器人創(chuàng)新應(yīng)用。同時(shí)， ArduinoArduino 除了在機(jī)器 人領(lǐng)域的應(yīng)用外，在其它方面如物理、數(shù)學(xué)、通用技術(shù)等學(xué)科也有著廣泛的應(yīng)用。開源機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室完全能夠成為多個(gè)學(xué)科的通用實(shí)