步入開源硬件智能機器人教育時代

作者單位：廣東廣州市白云區(qū)景泰小學  曾祥潘

來源：《中小學信息技術(shù)教育》  2012.01

一、智能機器人實驗室建設(shè)現(xiàn)狀

智能機器人的應(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。基礎(chǔ)教育領(lǐng)域?qū)?yīng)用于教學的機器人性能要求不高，但要有較高的開放性和可擴展性，使用者可根據(jù)需要通過增減模塊改變機器人功能，便于自主創(chuàng)新。另外，在學校里使用的設(shè)備，注定要具有較高的性價比。

    目前，生產(chǎn)教育用機器人的廠商比較多，中小學智能機器人實驗室大多數(shù)采用了其中一家或多家廠商的產(chǎn)品。但是，筆者通過文獻調(diào)研、機器人競賽及走訪周邊學校發(fā)現(xiàn)，各廠商的機器人產(chǎn)品普遍存在以下問題：

（1）各廠商產(chǎn)品繁雜，各品牌機器人自成體系、互不兼容。由于沒有統(tǒng)一的技術(shù)標準，實驗室在器材更新時大多只能選擇同一廠商的產(chǎn)品，選擇范圍受到限制。

（2）機器人產(chǎn)品更新?lián)Q代迅速，舊型號零配件供應(yīng)不足。不同型號的機器人配件往往不能互換，舊型號機器人在性能上雖然能滿足教學需要，但停產(chǎn)后配件難尋，只好被迫升級全套器材，造成浪費。

（3）機器人功能模塊類型少，擴展性受限。各種型號的機器人多數(shù)針對競賽而設(shè)計，配備的功能模塊較少，其他類型的模塊由于兼容性問題無法使用，機器人可實現(xiàn)的功能十分有限。

（4）機器人核心技術(shù)資料不公開，學生不能充分掌握機器人的各種知識。缺少電路原理圖，無法分析零配件功能用途；機器人底層語言的源代碼不公布，不能了解機器人運作原理。

（5）缺少技術(shù)支援，機器人后期維護難。保修期一過，廠商的技術(shù)支持就立即停止。由于跟競賽聯(lián)系緊密，教師們在技術(shù)上的研討十分保守，教學交流也難以開展。

（6）機器人價格較高，建設(shè)經(jīng)費投入大。較高的建設(shè)經(jīng)費使機器人教育進學校的進程異常緩慢，同時，設(shè)備單價昂貴，教師擔心設(shè)備損壞，不敢“放手”讓學生動手操作機器人，制約了學生的學習積極性。

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)計的計算機和電子硬件。開源硬件通常發(fā)布有詳細的硬件設(shè)計資料，如電路圖、材料清單和電路板布局數(shù)據(jù)等。使用者可以通過購買、委托制造或自制等方式獲得開源硬件。另外，得益于開源硬件獨特的開發(fā)和發(fā)布方式，制作、使用開源硬件無需擔心版權(quán)問題。

    在智能機器人領(lǐng)域，最常見的開源硬件是[**]rduino，見圖1。

圖1   [**]rduino UNO主控板

[**]rduino是意大利一個教學用開源硬件項目。[**]rduino包含一個單片機開發(fā)板、一個簡單易用的軟件開發(fā)系統(tǒng)、一系列豐富的傳感器和驅(qū)動電路。[**]rduino的電路板可以自行制作焊接，也可以購買已經(jīng)組裝好的，軟件開發(fā)系統(tǒng)可以從官方站點www.arduino.cc上免費下載使用。

 [**]rduino編程環(huán)境

    [**]rduino系統(tǒng)使用C語言編程，并進行了簡化，降低了復雜性，初學者很容易上手，大大降低了入門門檻。筆者在初次接觸[**]rduino時，只花了幾十分鐘就可以編寫簡單的[**]rduino程序。如果不想使用字符編程，還可以選擇圖形化的編程工具，通過添加、拖動圖標的方式輕松編程。

三、商品機器人與開源機器人

    常見的由機器人廠商生產(chǎn)的機器人，我們稱為商品機器人；由開源硬件組裝而成的機器人，稱為開源機器人。

    開源機器人能否滿足中小學機器人教學的需求？現(xiàn)將智能機器人實驗室使用較為廣泛的兩款商品機器人與使用[**]rduino制作的開源機器人作一比較（見表1）。

    表1 兩款商品機器人與[**]rduino開源機器人比較

     從上述比較可見，開源機器人的配置能媲美甚至優(yōu)于商品機器人，完全可以滿足中小學機器人教學的需求，且具有以下優(yōu)點。

    1.統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范，新舊型號配件通用。[**]rduino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上，各種新舊型號的控制器和傳感器都可以互相搭配使用，大大節(jié)約了硬件資源。

    2.功能模塊十分豐富，機器人擴展能力非常強，利于學生創(chuàng)新想法的實現(xiàn)。[**]rduino能夠使用上百種功能模塊，甚至可以自行開發(fā)功能模塊，創(chuàng)新應(yīng)用得到支持。

    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、源代碼唾手可得，使用者可深入研究機器人的底層技術(shù)。

    4.技術(shù)交流社區(qū)活躍，使用者眾多，技術(shù)問題可迅速得到解決。[**]rduino官方論壇注冊用戶達到5.3萬多人，加上其他使用[**]rduino的交流社區(qū)，用戶可能達到近十萬人。另外，國內(nèi)相繼涌現(xiàn)了學習使用[**]rduino的工作坊，如北京[**]rduino俱樂部、上?！靶萝囬g”等。學生無論從網(wǎng)上還是網(wǎng)下都可以找到[**]rduino用戶進行交流。

    5.無技術(shù)壟斷現(xiàn)象，器材價格透明，利于推廣。由于技術(shù)資料公開，沒有廠商可以壟斷[**]rduino的生產(chǎn)與銷售，使得[**]rduino的性價比極高。

四、建設(shè)開源硬件機器人實驗室

    通過對商品機器人和開源機器人的研究分析可見，利用開源硬件建設(shè)機器人實驗室的優(yōu)勢是十分突出的。據(jù)此，筆者提出建設(shè)開源硬件機器人實驗室的構(gòu)想，籍此擴展機器人實驗室建設(shè)的途徑和渠道，為促進中小學機器人教育發(fā)展提供參考。

    機器人實驗室建設(shè)通常包含三方面的內(nèi)容：計算機、智能機器人、配套設(shè)施。筆者依此對開源硬件機器人實驗室建設(shè)的配置作如下建議。

    1.計算機設(shè)備可因?qū)W校實際情況而定，采用購買新計算機或者使用原計算機室設(shè)備的方法解決。[**]rduino開發(fā)環(huán)境對計算機硬件要求很低，但凡正常使用的計算機都能滿足需要。若購買新計算機，可以采購手提電腦，便于運行機器人時隨時隨地調(diào)試。

    2.智能機器人數(shù)量可根據(jù)學生實際人數(shù)，按照2～3人一臺機器人的標準配備。開源智能機器人零配件可分為基礎(chǔ)配置和拓展配置兩部分。

    （1）采用基礎(chǔ)配置的機器人可滿足中小學智能機器人的入門教學需要，完成諸如機器人巡線行走、走迷宮等任務(wù)。基礎(chǔ)配置的詳細零部件見表2。

    表2 開源智能機器人零配件基礎(chǔ)配置

3.配套設(shè)施包含組裝機器人的起子、鉗子等工具。另外，需要鋪設(shè)機器人運行場地，配備適量的機械加工設(shè)備，如手鉆、鋼鋸、電磨等，以滿足機器人改裝和創(chuàng)新活動的需求。

實驗室的運作方式

目前，機器人教育在中小學尚屬初期的探索階段，能夠?qū)W習的經(jīng)驗很少。如何能更好地發(fā)揮實驗室的使用效益，筆者認為可以從以下方面著手。

    ①.拓展使用對象

    實驗室建成初期可先從機器人興趣小組入手，培養(yǎng)一部分有興趣的學生，組成機器人學習團隊。教師可利用機器人興趣小組開展校內(nèi)的機器人展示、競賽活動，擴大機器人實驗室影響面，吸引更多的學生參與學習。教師應(yīng)在機器人興趣小組的教學活動中積累經(jīng)驗，形成自己的教學能力，逐步將課外小組松散的教學行為轉(zhuǎn)變成面向全體學生的常規(guī)課堂教學。

    ②.拓寬應(yīng)用面

    得益于開源硬件體系，機器人可使用的傳感器種類和使用效果都得到較大提高，教師可利用豐富的硬件資源開拓各種機器人創(chuàng)新應(yīng)用。同時，[**]rduino除了在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用外，在其他方面如物理、數(shù)學、通用技術(shù)等學科也有著廣泛的應(yīng)用。開源機器人實驗室完全可以成為多個學科的通用實驗室。筆者相信，開源機器人實驗室的使用前景十分廣闊。

    [參考文獻]

[1]王英琴.中小學機器人實驗室建設(shè)的探索與思考. 中小學信息技術(shù)教育,2005,(12).