步入開源硬件智能機(jī)器人教育時代

作者單位：廣東廣州市白云區(qū)景泰小學(xué)  曾祥潘

來源：《中小學(xué)信息技術(shù)教育》  2012.01

一、智能機(jī)器人實驗室建設(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?；A(chǔ)教育領(lǐng)域?qū)?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比。

    目前，生產(chǎn)教育用機(jī)器人的廠商比較多，中小學(xué)智能機(jī)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(xiàn)調(diào)研、機(jī)器人競賽及走訪周邊學(xué)校發(fā)現(xiàn)，各廠商的機(jī)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(jī)器人自成體系、互不兼容。由于沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)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(jī)器人配件往往不能互換，舊型號機(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，只好被迫升級全套器材，造成浪費(fèi)。

（3）機(jī)器人功能模塊類型少，擴(kuò)展性受限。各種型號的機(jī)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(jī)器人可實現(xiàn)的功能十分有限。

（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。缺少電路原理圖，無法分析零配件功能用途；機(jī)器人底層語言的源代碼不公布，不能了解機(jī)器人運(yùn)作原理。

（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(xué)交流也難以開展。

（6）機(jī)器人價格較高，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)校的進(jìn)程異常緩慢，同時，設(shè)備單價昂貴，教師擔(dān)心設(shè)備損壞，不敢“放手”讓學(xué)生動手操作機(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)計的計算機(jī)和電子硬件。開源硬件通常發(fā)布有詳細(xì)的硬件設(shè)計資料，如電路圖、材料清單和電路板布局?jǐn)?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(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[**]rduino，見圖1。

圖1   [**]rduino UNO主控板

[**]rduino是意大利一個教學(xué)用開源硬件項目。[**]rduino包含一個單片機(jī)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(diǎn)www.arduino.cc上免費(fèi)下載使用。

 [**]rduino編程環(huán)境

    [**]rduino系統(tǒng)使用C語言編程，并進(jìn)行了簡化，降低了復(fù)雜性，初學(xué)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(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，我們稱為商品機(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)器人能否滿足中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)的需求？現(xiàn)將智能機(jī)器人實驗室使用較為廣泛的兩款商品機(jī)器人與使用[**]rduino制作的開源機(jī)器人作一比較（見表1）。

    表1 兩款商品機(jī)器人與[**]rduino開源機(jī)器人比較

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

    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(jī)器人擴(kuò)展能力非常強(qiáng)，利于學(xué)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(jī)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(dá)到5.3萬多人，加上其他使用[**]rduino的交流社區(qū)，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[**]rduino的工作坊，如北京[**]rduino俱樂部、上?！靶萝囬g”等。學(xué)生無論從網(wǎng)上還是網(wǎng)下都可以找到[**]rduino用戶進(jìn)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(jī)器人實驗室

    通過對商品機(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(jī)器人實驗室的構(gòu)想，籍此擴(kuò)展機(jī)器人實驗室建設(shè)的途徑和渠道，為促進(jìn)中小學(xué)機(jī)器人教育發(fā)展提供參考。

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

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

    2.智能機(jī)器人數(shù)量可根據(jù)學(xué)生實際人數(shù)，按照2～3人一臺機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)配備。開源智能機(jī)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(jī)器人可滿足中小學(xué)智能機(jī)器人的入門教學(xué)需要，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。

    表2 開源智能機(jī)器人零配件基礎(chǔ)配置

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，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)器人改裝和創(chuàng)新活動的需求。

實驗室的運(yùn)作方式

目前，機(jī)器人教育在中小學(xué)尚屬初期的探索階段，能夠?qū)W習(xí)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(rèn)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(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。教師可利用機(jī)器人興趣小組開展校內(nèi)的機(jī)器人展示、競賽活動，擴(kuò)大機(jī)器人實驗室影響面，吸引更多的學(xué)生參與學(xué)習(xí)。教師應(yīng)在機(jī)器人興趣小組的教學(xué)活動中積累經(jīng)驗，形成自己的教學(xué)能力，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.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高，教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，[**]rduino除了在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用外，在其他方面如物理、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)器人實驗室完全可以成為多個學(xué)科的通用實驗室。筆者相信，開源機(jī)器人實驗室的使用前景十分廣闊。

    [參考文獻(xiàn)]

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