（检测技术与自动化装置专业论文）基于internet的机器人教育软件平台设计与实现.pdf

r 觚y1帆8删19 6 0 4 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：苏见怨日期：2 6 。g 、6 l c l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解山东大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可 以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编学位论文( v 密的学位论文在解密后遵守此规定) 。 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：掀见怨 导师签名： 多吖 日期劫醪万f 罗 日期：即p j - f7 山东大学硕士学位论文 目录 摘要1 英文摘要2 第一章绪论3 1 1 引言3 1 2 教育机器人的发展过程4 1 2 1 产生背景4 1 2 2 发展历史4 1 2 3 现状4 1 2 4 前景6 1 3 机器人教育6 1 3 1 机器人教育背景6 1 3 2 中小学机器人教育7 1 4 虚拟现实技术9 1 4 1 虚拟技术在机器人学中的应用9 1 4 2 虚拟现实技术在机器人仿真领域的应用9 1 5 研究目标1 0 1 6 研究内容1 1 1 7 研究方法1 1 1 8 本学术论文的内容安排1 2 第二章移动机器入教育平台软件架构1 3 2 1 系统总体框架介绍1 3 2 1 1c s 模式1 3 2 1 2b s 模式1 4 2 1 3c s 与b s 的比较1 4 2 1 4 系统结构一1 6 2 2s t r u t s 框架j 1 7 2 2 1 经典的m v c 设计模式1 7 2 2 2 s t r u t s 开发框架1 8 2 2 3s t r u t s 框架构建步骤1 9 ； 山东大学硕士学位论文 2 3 系统开发环境2 0 第三章网上授课子系统2 1 3 1 引言2 1 3 2 组成模块2 1 3 3 功能分析2 2 3 4 模块设计2 3 3 4 1 视图的设计2 3 3 4 2 控制器的设计2 3 3 4 3 模型组件的设计2 3 第四章虚拟机构设计室2 4 4 1 引言2 4 4 2v r m l 技术2 5 4 2 1v r m l 介绍2 5 4 2 2v r m l 工作原理2 5 4 2 3 平台中的v r m l 模型2 6 4 3j a v a 3 d 技术2 7 4 3 13 a v a 3 d 简介2 7 4 3 2j a v a 3 d 场景图框架2 8 4 3 3j a v a3 d 中载入v r m l 场景2 8 4 4 虚拟机构设计室子系统实现2 9 4 4 1 主要功能2 9 4 4 2 子系统软件架构2 9 第五章虚拟机器人实验室3 2 5 1 引言3 2 5 2t e a m b o t s 简介3 2 5 3 虚拟机器人实验室子系统软件架构3 5 5 3 1 表现层3 6 5 2 3 控制层3 7 5 3 3 事务处理层( 虚拟机构设计室服务器) 3 8 5 3 4 数据层3 8 第六章机器人远程控制平台3 9 i i 山东大学硕士学位论文 6 1 机器人远程控制相关研究3 9 6 2 移动机器人远程控制结构图4 0 6 3 移动机器人本地控制系统4 1 6 3 1p i o n e e r _ 3 t m 移动机器人车体结构4 l 6 3 2 移动机器人p i o n e e r3 t m 的软件体系4 3 6 3 3 远程控制界面介绍4 5 6 3 4 远程控制服务器4 6 第七章视频服务器与通信机制4 7 7 1 视频传输的实现4 7 7 1 1j m f 4 7 7 1 2 视频信号的发送4 8 7 1 3 视频信号的接收4 8 7 2 通信协议和机制4 9 7 2 1 通信协议4 9 7 2 2s o c k e t 通信机制5 1 第八章总结与展望5 2 8 1 创新点5 2 8 2 未来工作展望5 2 参考文献5 3 致谢5 7 攻读学位期间发表的学术论文目录5 8 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t 1 e n g l i s ha b s t r a c t 2 c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 3 1 ii n t r o d u c t i o n 3 1 2t h eh i s t o r yo fe d u c a t i o nr o b o t 4 1 2 1b a c k g r o u n d 4 1 2 2h i s t o r y 4 1 2 3c u r r e n ts t a t e s 4 1 2 4b l u e p r i n t 6 1 3r o b o te d u c a t i o n 6 1 3 1b a c k g r o u n do fr o b o te d u c a t i o n 6 1 3 2r o b o te d u c a t i o no fm i d d l e a n dj u n i o rs c h o o l 7 1 4v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y 9 1 4 】lv i r t u a lr e a l i t yi nr o b o t i c s 9 1 4 2v i r t u a lr e a l i t yi nr o b o ts i m u l a t i o n 9 1 5r e s e a r c ho b j e c t 1 0 1 6r e s e a r c hc o n t e n t 1 1 1 7r e s e a r c hm e t h o d 1 1 1 8c o n t e n t sa r r a n g e m e n t 1 2 c h a p t e r 2s o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo fm o b i l e r o b o te d u c a t i o np l a t f o r m 1 3 2 1s y s t e mg e n e r a lf r a m e w o r k 1 3 2 1 1c sm o d e l 1 3 2 1 2b s m o d e l 1 4 2 1 3c o m p a r i s o no fc sa n db s 1 4 2 1 4s y s t e ms t r u c t u r e 1 6 2 2s t r u t sf r a m e w o r k 1 7 2 2 i t y p i c a lm v cd e s i g nm o d e l 1 7 2 2 2 s t r u t sd e v e l o p m e n tf r a m e w o r k 1 8 2 2 3p r o c e s so fs t r u t s f r a m e w o r kb u i l d i n g 1 9 2 3e n v i r o m e n to fs y s t e md e v e l o p m e n t 2 0 c h a p t e r 3s u b s y s t e mo fn e t w o r kt e a c h i n g 2 1 3 1i n t r o d u c t i o n 2 1 3 2c o m p o s i n g ：1 3 3f u n c t i o na n a l y s i s ：2 ：1 3 4m o d u l ed e s i g n ：1 3 3 4 1d e s i g no fv i e w 2 3 3 4 2d e s i g no fc o n t r o l l e r 2 3 3 4 3d e s i g no fm o d e l 2 3 c h a p t e r 4v u r t u a ld e s i g nl a b ：4 4 1i n t r u d u c t i o n 2 4 4 2v r m lt e c h n o l o g y 2 5 4 2 1v r m li n t r o d u c t i o n 2 5 4 2 2p r i n c i p l eo fv r m l 2 5 4 2 3v r m lm o d e l i np l a t f o r m 2 6 4 3j a v a 3 dt e c h n o l o g y 2 7 4 3 1j a v a 3 di n t r o d u c t i o n 2 7 4 3 2j a v a 3 ds c e n ef r a m e w o r k 2 8 4 3 3v r m ls c e n ei nj r v a 3 d 2 8 4 4i m p l e m e n to fv i r t u a ld e s i g nl a b 2 9 4 4 1f u n c t i o n 2 9 4 4 2f r a m e w o r ko fv i r t u a ld e s i g nl a b 2 9 c h a p t e r 5v i r t u a lr o b o tl a b 3 2 5 1i n t r o d u c t i o n 5 2t e a m b o t si n t r o d u c t i o n 5 3f r a m e w o r ko fv ir t u a l r o b o tl a b 5 3 1v i e w l a y e r j 5 2 3c o n t r o ll a y e r 5 3 3b u s i n e s sl a y e r 5 3 4d a t al a y e r c h a p e r 6r e m o t ec o n t r o lp l a t f o r m 6 1r e le v a n tr e s e a r c ho fr e m o t ec o n t r o l 3 9 6 2s t r u c t u r eo fr e m o t ec o n t r o l 4 0 6 3l o c a l c o n t r o ls y s t e mo fr o b o t 4 1 6 3 1h a r d w a r es t r u c t u r eo fp i o n e e r3 t m 4 1 6 3 2s o f t w a r es t r u c t u r eo fp i o n e e r3 t m 4 3 6 3 3i n t e r f a c eo fr e m o t ec o n t r o ls y s t e m 4 5 6 3 4s e r v e ro fr e m o t ec o n t r o ls y s t e m 4 6 c h a p t e r 7v e d i os e r v e ra n dc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m 4 7 7 1r e a l i z i t i o no fv e d i ot r a n s p o r t a t i o n 4 7 7 1 1j m f 4 7 7 1 2v e d i os i g n a lt r a n s p o r t a t i o n 4 8 7 1 3v e d i os i g n a lr e c e i v e 4 8 7 2c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dm e c h a n i s m 4 9 7 2 1c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 4 9 7 2 2s o c k e t c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m j 5 l c h a p t e r 8c o n c l u s i o na n do u t l o o k 5 2 8 1i n n o v a t i o n 5 2 8 2f u t u r ew o r k a n do u t l o o k 5 2 r e f e r e n c e 5 3 a c k n o w l e d g e m e n t 5 7 p u b l i c a t i o n sa n dp r e p r i n t 5 8 进行各种机器人比赛；更有意义的是由于开放实验室的每个机器人、每台仪器设备都具 有自己独立的i p ，用户可以根据自己的需要，申请在网络上对某个或几个机器人、某个 或某些仪器设备进行远程操作控制，从而实际地验证自己的算法和思想；用户更可以利 用机器人仿真和组态开发软件，进行深入的机器人知识的学习，并利用我们所提供的基 于开放式结构的系列化教学机器人模块设计自己的真实机器人。 本文采用了基于j a v a ( 面向网络应用程序开发的编程语言) 技术的最新网络应用解 决方案，对控制系统的网络应用进行了开发。并详细讨论了w e b ) j 艮务器中的s t r u t s 应用， 客户端、服务器与数据库之间的数据一致性。 本项目在充分吸收国内外同行的研究成果的基础上，在基于i p v 6 协议的下一代互 联网c n g i 系统的支持下，进一步深度开发基于网络的虚拟现实技术，采用j a v a 和 e c l i p s e 作为开发工具，在w i n d o w s 平台上，实现基于虚拟现实的机器人仿真训练和组 态开发一网上授课一虚拟机器人实验室一虚拟机构设计室一机器人远程控制台的完整 过程，实现面向c n g i 的机器人教育软件平台。 关键字：教育机器人，仿真软件，虚拟设计，s t r u t s ，远程控制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ef o c u s e so nh o wt ob u i l dar o b o te d u c a t i o n a ls o f t w a r ep l a t f o r m b a s e do ni n t e r n e t o nt h i sp l a t f o r m ，u s e r sc o u l do b t a i nt h en e c e s s a r yk n o w l e d g e a n dt h eg u i d a n c eo nt h er o b o tt e c h n o l o g yt h r o u g ht h es o f t w a r eo rt h ei n t e r n e t l a b o r a t o r y ，a n dm a k ev i r t u a lr o b o tw i t ht h ep l a t f o r m m u l t i p l eu s e r sc a na l s o c o m p e t ew i t he a c h o t h e ri nt h ev i r t u a lr e a l i t ye n v i r o n m e n t b e c a u s ea n ye q u i p m e n t i nt h eo p e nl a b o r a t o r yh a sau n i q u ei p ，u s ，e r sc o u l da p p l yt oa c c e s so n eo rm o r e r o b o t a n dr e m o t e l yc o n t r o lt h e mt h r o u g hi n t e r n e ta n dt e s tu s e r sa l g o r i t h m s a n di d e a s i nt h i sa r t i c l e ，an e wp r o j e c to fn e t w o r ka p p li c a t i o nb a s e do nj a v ai s p r e s e n t e d ，w h i c hd e v e l o pt h en e t w o r ka p p li c a t i o no f c o n t r o ls y s t e m a n dt h e a p p li c a t i o no fs t r u t si nw e bd e v e l o p m e n ti sm a i n l yd i s c u s s e d u s e r sc a n u s et h e r o b o ts i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dc o n f i g u r a t i o nd e v e l o p m e n ts o f t w a r e ，l e a r nf u r t h e r r o b o tk n o w l e d g e ，a n dd e s i g nt h e i ro w nr e a lr o b o tw i t ht h eh e l po fo u re d u c a t i o n r o b o t ，w h ic hisb a s e do no p e ns t r u c t u r e t h ep r o j e c tf a c e st ot h en e x tg e n e r a ti o ni n t e r n e tp r o t o c o li p v 6a n dt h ec n g i s y s t e m w ea b s o r bd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hr e s u l t st od e v e l o pt h ev i r t u a l r e a lit yt e c h n o l o g yb a s e dn e t w o r k w eu s ej a v aa n de c li p s ea sad e v e l o p m e n tt o o l t od e v e l o pt h ev i r t u a lr e a l i t ys i m u l a t i o np l a t f o r mo fr o b o ti n c l u d i n gt h ev i r t u a l l a b o r a t o r yr o b o ts i m u l a t i o n ，t h ev i r t u a ll a bo fr o b o td e s i g n ，t h ev i r t u a ll a b o fr o b o tc h a ll e n g ea n dt h er o b o tr e m o t ec o n t r o ls y s t e m ，a n dw eu s et h ist o o l t od e v e l o pr o b o te d u c a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r mf a c i n gc n g i 2 k e yw o r d s ：e d u c a t i o nr o b o t ，s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，v i r t u a ld e s i g n ，s t r u t s ， r e m o t ec o n t r o l 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 机器人( r o b o t ) 技术是6 0 年代中期蓬勃兴起的一项综合了计算机、控制论、机构学、 信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃， 应用日益广泛的领域。机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本 改观，而且对人类的社会生活产生了深远影响。机器人应用情况，是一个国家工业自动 化水平的重要标志。 从1 9 5 9 年美国第一台工业机器人到本世纪8 0 年代初，机器人技术经历了一个长期 缓慢的发展过程。到了9 0 年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速发展， 机器人技术也得到了飞速发展。 机器人发展的同时，i n t e r n e t 网络也处在一个高速发展的阶段，网络机器人这一新 i 概念的提出及利用先进网络通讯技术发展网络机器人就是有说服力的例子，这两者的结 合是必然的趋势【l 】。基于w e b 的远程控制机器人是指将机器人与i n t e r n e t 连接，使得人们 可以在任何地方通过浏览器访问机器人，实现对机器人的远程监视和控制。 随着机器技术的发展，机器已经从工业应用慢慢走入我们的日常生活。2 0 0 7 年1 月， 科学美国人刊登了美国微软总裁比尔盖茨的一篇让世人震惊的文章家家有 。 个机器人。文章中他指出“它们( 机器人) 极有可能使人类社会发生翻天覆地的变化， 影响之深远将丝毫不逊于过去3 0 年间个人电脑给我们带来的改变。 他预言，在不久的 将来，机器人将进入人类社会的每一个领域【2 】。而在现实中，比尔盖茨也在推动着机 器人技术的发展，微软也隆重推出了m i c r o s o f tr o b o t i c ss t u d i o 机器人编程平台， 而在其它领域，机器人技术也在蓬勃的发展着。这一切都说明，机器人越来越受重视， 我们将很快进入一个崭新的时代机器人时代。 当机器人等先进的技术走入我们的生活，我们就要进行这些先进技术的学习，国家 更要注重先进技术的普及，因此学校就应该开展这样的教育。科学技术的发展使学校开 展机器人教育成为了一种必然。在这种机器人发展的背景下，为了普及中小学生机器人 教育，本文研究开发了基于i n t e r n e t 的机器人教育平台。 山东大学硕士学位论文 1 2 教育机器人的发展过程 1 2 1 产生背景 机器人的历史并不遥远，它是在二战以后才发展起来的一项新技术。1 9 5 9 年美 国人英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，更准确的说它应该叫做机器 手臂。但是机器人在美国发展并不如日本快，二战后日本由于劳动力缺乏，因而大力 发展工业机器人来解决劳动力问题，因此日本也号称为“机器人王国”。随着机器人 在工业上的广泛应用，如何加强工人对机器人了解从而提高他们对机器人的控制能力 就成为一个显著的问题，机器人教育也就随之而产生，专门用于教学的教育机器人也 就出现了。教育机器人是由生产厂商专门开发的以激发学生学习兴趣、培养学生综合能 力为目标的机器人成品、套装或散件。它除了机器人机体本身之外，还有相应的控制软 件和教学课本等。 1 2 2 发展历史 国外教育机器人的开展较早，早在上世纪六七十年代日本、美国、英国等西方发 达国家已经相继在本国大学开展了机器人的研究，在此过程中也推出了各自的教育机器 人基础开发平台【3 1 。到了七八十年代在他们国内的中小学中也进行了简单的机器人教学， 在此过程中也推出了各自的教育机器人基础开发平台。我国的机器人研究在七八十年代 就开展了，在我国的“七五”计划，“8 6 3 计划中均有相关的内容，而针对中小学的 机器人教学起步较晚，直到上世纪九十年代的中后期才得到了初步的发展，直到目前发 展仍然不是很完善。 1 2 3 现状 近l o 年来，美国、日本、欧洲、韩国等发达国家，一方面加强教育机器人相关的理 论和技术研究，探索教育机器人设计的关键技术，如m i t 开发的h a n d y b o a r d 控制器和 i n t e a c t i v ec 编程语言具有良好的开放性，便于学生进行快速原形样机设计、编程与调 试，c m u 将教育心理学应用于评价机器人教学的效果。另一方面，产业界与高校合作开 发了种类繁多的教育机器人产品。教育领域也推出了很多教育机器人软件，例如：国外 的r o b o s i m ，它提供高性能的机器人设计和操作，但它缺乏动态分析工具，现在广泛应 用于v a n d e r b i l t 大学的教学和科研；c i m s t a t i o n ，一个二维仿真和编程的工具，它可以 山东大学坝士学位论文 直接从c a d 里面导入模型，同时支持碰撞检测和动态仿真；双颇开制开发的c o s i m i r 包括 六个主要部分：图形化用户接口，可视化，环境建模，传感器仿真，物体控制器，模块 配位等等。c y b e r b o t i c s 公司开发的w e b o t s 可以提供快速的原型设计，包括建模、编程 以及仿真，还可以将程序下载到真正的机器人上运行【4 】。 我国的机器人研究在七八十年代就开展了，在我国的“七五 计划，“8 6 3 ”计划 中均有相关的内容，而针对中小学的机器人教学起步较晚，直到上世纪九十年代的中后 期才得到了初步的发展。我国的教育机器人研究和发展。主要得益于国家“8 6 3 计划 支持卜的机器人技术研究和实践，一些学校和企业已经开发了面向教育的机器人产品， 如多种可编程的低端机器人组装套件产品，面向大专院校教学与科研工作的高端机械臂 和移动机器人通用平台等等，在中小学、大学教学实验、项目设计中获得了越来越厂泛 的应用。各地的重点中小学中均开展了机器人兴趣小组活动，有条件的地方甚至已经开 始在学生中全面开展机器人教育。同时每年由国家相关部委组织的面对大中小学生的机 器人比赛也进一步促进了机器人教育的开展，比如教育部主办的“全国中小学电脑制作 活动”，中国科协主办地“中国青少年电脑机器人竞赛”等。另外，对于教育机器人基 础开发平台的研究也得到了蓬勃的发展，国内已经有许多公司推出了自己的产品，例如 上海广茂达公司能力风暴机器人，中鸣仿生机器人，北京交大阳光公司的s o n n y 6 i s 机器 人等【3 】。 目前，教育机器人从外形上来说可以分为两类：一种是有基本形状的机器人，学生 可以在此基础上增加模块，进行改装。另一类是没有固定形状，只有一堆零部件的积木 式机器人，学生可以根据白己的想象来自主搭建各种形状的机器人【5 】。两类机器人的基 本结构主要包括主板、各种传感器、运动装置以及发声器等功能模块。例如乐高教育研 制的机器人套件除了提供零部件供学生自由发挥搭建机器人外，还提供一些常规积木式 组件，以便于制作较大系统，方便使用者更好地发挥创意。 另外，各种教育机器人的教学侧重点不同。有的以培养学生动手能力为主，如积木 式的机器人，学生首先要发挥想象力，自己动手把一大堆零件组装起来。有的以培养学 生程序设计能力为主，为用户提供多种语言编程的平台，如：支持训练小学生思维的l o g 语言或图形语言，支持适合中学生编程的q b a s i c 语言和适合较高层次学习的类c 语言或 汇编语言等。还有的教育机器人为相关专业的大学生或研究生服务，为他们提供人c 智 能、机器控制、人机交互的研究平台。许多教育机器人同时配有仿真系统，仿真软件不 仅可以仿真机器人，而且可以仿真机器人的运行场地、周边环境和设施。学生可以自己 配置虚拟机器人，自己在仿真环境中为机器人搭建运行环境。虽然目前教育机器人市场 s 山东大学硕士学位论文 表现出良好的发展势头，出现了各种各样的教育机器人基础开发平台，但是他们做的并 不完善，在实际应用中仍然有很多闷题。因而教育机器人基础开发平台的开发还有很多 值得研究和改进的地方，做好这方面的作对于国内机器人教育的发展有一定的促进作 用。 1 2 4 前景 虽然目前市场上已经出现了各种各样的教育机器人基础开发平台，但是他们做的并 不完善，在实际应用中仍然有很多问题，并不完全适合中小学生使用，比如机器人编程 界面问题。因而教育机器人基础开发平台的开发还有很多值得研究和改进的地方，做好 这方面的工作对于国内机器人教育的发展有一定的促进作用。 1 3 机器人教育 1 3 1 机器人教育背景 随着科学技术和机器人技术的快速发展，国内外诸多单位和公司也认识到机器人教 育的重要性，开发出了各种各样的教育机器人，为学校开展机器人教育提供了可能性。 教育机器人是由生产厂商专门开发的以激发学生学习兴趣、培养学生综合能力为目标的 机器人成品、套装或散件。它除了机器人机体本身之外，还有相应的控制软件和教学课 本等【6 1 。早在上个世纪9 0 年代末，世界著名玩具厂商丹麦乐高( l e g o ) 公司就将目光放在 了机器人教育的领域，不仅成立了乐高公司教育事业部( l e g o e d u c a t i o n a l d i v i s i o n ) ， 并且与麻省理工大学( m i t ) 、美国国家仪器公司联合推出了一系列的机器人教学套装和 机器人教学课程，通过设计和制作机器人对青少年进行物理、机械、电子、计算机、通 信等学科教育，在美国、欧洲等发达国家掀起了机器人教育的热潮。 国外的各种学校小学、中学、大学、职业学校和特教学校都开展了机器人教育，并 且受到全社会和国家的普遍关注。在不同的学校里，机器人教育都有各自不同的特征和 教学形式，不同的学校机器人的教育深度也不同。 而在国内，机器人教育经历了从无到有的快速发展过程。全国的各类学校都不同程 度地开展了机器人教育，许多学校己经将机器人正式列入了教学计划，并根据实际情况 开发了各种形式的机器人课程。 在我国最新颁布的义务教育阶段信息技术课程标准中，机器人的设计和制作首次被 6 山东大学硕士学位论文 列入了小学和中学信息技术课程的选修内容。此外，以机器人为主题的各种第二课堂、 兴趣小组等课外活动也得到了迅速的发展。越来越多的青少年加入到机器人的学习和研 究的队伍中来。随着参与的人数逐年增加，各级机器人竞赛的规模也不断扩大，比赛项 目不断完备，影响力也逐步提高，在部分地区，全国青少年机器人竞赛的地位已经可以 与传统的奥林匹克数学、物理、化学等竞赛并驾齐驱【刀。 由此可见，基于机器人的青少年活动已经成为一种新兴的教育形式，它的兴起对 于青少年科学教育过程的各个环节甚至教学理论都会产生重大的影响。同时，机器人教 育作为一种新兴的教育形式，具有先进、高效、直观等优势，并且它的指导思想和理论 基础正是目前流行的建构主义学习理论和多元智能理论。机器人教育活动使学生学会观 察、学会表达、学会思考、学会创新，并且能培养学生的动手能力和创造能力。国家已 经意识到了机器人教育的重要性。相关部门已经把“简单机器人的制作 纳入到了中小 学信息技术教学内容d e t s l ，同时在普通高等院校招收保送生时把在全国性的机器人大赛 中获得一、二等奖的学生也纳入其中【9 】。因此，对机器人教育的研究势必成为教育技术 研究领域的新热点。 在这种背景下，广大中小学生和教师渴求能有一种支持和激发学生的创造性思维， 寓教于乐的智能教育机器人平台。为支持教育改革，满足广大中小学生素质教育的迫切 需求，开发一种适合广大中小学生学习使用的具有较高性价比的机器人教育平台具有 重大意义。 1 3 2 中小学机器人教育 各种教育机器人的教学侧重点不同。有的以培养学生动手能力为主，如积木式的机 器人，学生首先要发挥想象力，自己动手把一大堆零件组装起来。有的以培养学生程序 设计能力为主，为用户提供多种语言编程的平台。如：支持训练小学生思维的l o g 语言 或图形语言，支持适合中学生编程的q b a s i c 语言和适合较高层次学习的类c 语言或汇编 语言等。还有的教育机器人为相关专业的大学生或研究生服务，为他们提供人c 智能、 机器控制、人机交互的研究平台【1 0 1 。许多教育机器人同时配有仿真系统，仿真软件不仅 可以仿真机人，而且可以仿真机器人的运行场地、周边环境和设施。学生可以自己配置 虚拟机器人，自己在仿真环境中为机器人搭建运行环境【l i 】。 中小学青少年机器人课程的主要特点是创新性和综合性，培养学生的创新能力。青 少年机器人课程的综合性是显而易见的。机器人是集材料、机械制造、能源转换、生物 7 山东大学硕士学位论文 仿真、信息技术之大成，是综合性很强的现代技术。中小学机器人教育的主要目标之一 是培养学生的创新精神，其教学设计、教学模式、教学方法和教学评价都将具备创新性。 开展各种机器人创意展示和竞赛活动是普及青少年机器人的重要途径之一，青少年机器 人竞赛项目的内容、规则及评分办法等的创意设计都极富创造性和挑战性。 以中小学教育机器人为载体的教学，能够着眼于培训学生的综合实践能力。中小学 教育机器人的核心是智能技术，其外延则涵盖了机械、电子、通讯、控制等多个学科和 技术领域【1 2 1 。 对于中小学的机器人教育主要有以下几种方式： ( 1 ) 与信息技术教育相融合。机器人技术涉及传感器、计算机软件、硬件、人机交 互、人工智能等多门学科，几乎涵盖了信息技术的各个方面。机器人能够极大地丰富信 息技术教育的教学内容。教师可以向学生介绍机器人的发展和应用状况，使学生理解机 器人的概念和工作原理。各种外露的传感器能够强烈地激发学生的好奇心，教师可以趁 机讲授各种传感器的原理和作用。这些都可以为学生进一步学习相关知识打下基础。 ( 2 ) 与传统课程相整合。将教育机器人用于传统课程的教学中，可以开发学生早期 智力，激发教师和学生的学习兴趣。比如，平面几何图形是中小学数学的重要部分。用 l o g o 语言编写程序，可以让机器入走出各种轨迹，并在仿真环境中画出相应图形，从而 直观形象地让学生理解各种图形。物理是- - f 7 试验学科，教师可以利用教育机器人来做 物理试验。比如，可以利用机器人代替传统的小车来验证匀速直线运动的速度、位移和 时间的关系；可以将机器人改装，让机器人以一定速度原地旋转，从而学习匀速圆周运 动的相关知识。还可以用机器人来讲授基本的电学知识等。 ( 3 ) 与课外活动相结合。机器人还可以作为学生课外活动的好朋友。教师可以组织 有兴趣的同学组成机器人小组，利用课余时间开展各种机器人活动，参加各类机器人比 赛，使他们在玩的过程中学到