基于开源硬件的中小学智能机器人实验室建设探索

1、基于开源硬件的中学小学智能机器人实验室建设探索 摘要 智能机器人实验室的建设是机器人教育进入中学小学的重要环节。 如何使智能机器人实验室的应用获得可持续发展，机器人设备选型是关键。机器人 厂商为了保护生产利益，产品兼容上存有技术屏障，使得不同类型机器人软件硬件 不能互换使用。为了制止设备生产厂商过多地影响机器人教育的发展，作者提出采 用开源硬件的智能机器人设备建设实验室，希望藉此打破技术壁垒，推动中学小学 机器人教育的普及。 关键词 开源硬件 智能机器人 ArduinoArduino一、智能机器人实验室建设现状智能机器人的应用十分广泛，无论是工业、农业、军事乃至家庭、教育领域都 可见其身影。在

2、中学小学机器人教育领域，对应用于教学的机器人性能要求不高， 但要有较高的开放性和可扩展性， 使用者可根据需要通过增减模块改变机器人功能， 便于自主创新。另外在学校里使用的设备，注定要具有较高的性价比。当前，生产教育用机器人的厂商比大量，国内的或者国外的都有，中学小学已 建好的智能机器人实验室绝大部分采用了其中一家或多家厂商的产品。但是，作者 通过文献调查、机器人竞赛、及对周边学校实验室管理员了解使用情况时发现，学 校在实验室的建设和使用中，因为各机器人生产厂商从保护知识产权和经济利益角 度出发，其机器人产品普遍存有以下一些问题：1 1、各厂家产品繁杂，各品牌机器人自成体系互不兼容。 为了保护生

3、产利益， 加 上没有统一的技术标准，实验室在后期建设或者器材更新时大多只能选择同一厂商 的产品，学校在器材的选择上受到约束。2 2、机器人产品更新换代迅速， 旧型号零配件供应不足。 不同型号的机器人配件 往往不能互换，旧型号机器人在性能上虽然能满足教学需要，但停产后配件难寻， 被迫升级全套器材，造成浪费。3 3、机器人功能模块类型少， 其扩展性受限。 各种型号的机器人多数针对竞赛而 设计，配备的功能模块较少，其它类型的模块因为兼容性问题无法使用，机器人能 实现的功能十分有限。4 4、机器人核心技术资料不公开，学生不能充分掌握机器人的各种知识。 缺少电 路原理图，无法分析零配件功能用途；机器人底

4、层语言函数源代码不公布，不能了 解机器人运作原理。5 5、缺少技术支援，机器人后期维护难。保修期一过，厂商的技术支持将停止， 出现技术问题得不到解决。因为跟竞赛联系紧密，老师们对于技术上的研讨十分保 守，教学交流也是难以展开。6 6 机器人价格较高，建设经费投入大。较高的建设经费使机器人教育进学校发 展缓慢，同时，设备单价昂贵，老师担心设备损坏不敢“放手”让学生动手操作机 器人，制约了学生的学习积极性。二、关于开源硬件开源硬件是指与开源软件相同方式设计的计算机和电子硬件。开源硬件通常发 布有详细的硬件设计资料，如电路图、材料清单和电路板布局数据等。使用者能够 通过购买、委托制造或自制等方式获得

5、开源硬件。另外，得益于开源硬件独特的开 发和发布方式，制作、使用开源硬件无需担心版权问题。在智能机器人领域，最常见的开源硬件是 ArduionArduion，见图 1 1。图 1Arduino UNO 主控板ArduinoArduino 是意大利的一个教学用开源硬件项目。ArduinoArduino 包含一个单片机开发板、 一个简单易用的软件开发系统（见图 2 2）、一系列丰富的传感器和驱动电路。ArduinoArduino 的电路板能够自行制作焊接，也能够购买已经组装好的，软体开发系统能够从官方 站点www.arduino.ccwww.arduino.cc 上免费下载使用。: IArduin

6、oArduino 系统使用 C C 语言实行编程。ArduinoArduino 的 C C 语言已经实行了简化，降低了 复杂性，初学者能够很容易上手，大大降低了入门门槛。作者在初次接触ArduinoArduino，只花了几十分钟就能够编写简单的 ArduinoArduino 程序。如果不想使用字符编程，还能够 选择图形化的编程工具，通过添加拖动图标的方式轻松编程。三、商品机器人与开源机器人常见的由机器人厂商生产的机器人称为商品机器人，由开源硬件组装而成的机器人称为开源机器人。开源机器人能否满足中学小学机器人教学需求？现在将智能机器人实验室使用 较为广泛的两款商品机器人与使用 ArduinoAr

7、duino 制作的开源机器人作一比较，见表 1 1。表 1 两款商品机器人与 Arduino 开源机器人比较机器人类型国产 G 品牌教育机器人国外 L 品牌教育机器人Arduino 开源机器人控制器内核32 位 Cortex-M3 内核32 位 ARM7 内核8 位 AVR 或 32 位Cortex-M3 内核控制接口12 路 I/O 口每个都具备输 入输出功能4 输入口、3 输出口6 模拟输入端口、14 数 字输入输出端口传感器光敏传感器、磁敏开关、 触碰开关、火焰传感器、 红外测障传感器、灰度传 感器、声音传感器触动传感器光电传感 器、超声波传感器、声 音传感器支持数以百计各种类 型的传感

8、器执行器直流电机、减速电机、2种颜色的灯内置角度传感器的伺服 电机、灯泡、扬声器支持各种电子装置和 器件，电机、光传感器等等数据传输USBUSB、蓝牙、红外USB、串口、蓝牙、以太网、XBee 无线等Dll UDkxjWa w 住门幺曲N I0B ljirHj|_UB.血： 林帘；|:诃 J Jffi图 2Arduino 编程环境编程平台编程模式标准流程图与 C 语言双重 编程功能图形化编程文本编程或图形化编程支持操作 系统Win dowsWindows、Mac OS XWindows、Mac OS X、Li nux运动平台2WD 铝合金小车积木式机械结构各种车体、机械结构均 可使用从上述比较

9、可见，开源机器人配置能达到甚至优于商品机器人，完全能够满足 中学小学机器人教学的需求。开源机器人相对商品机器人具有以下优点：1 1、 技术规范统一，新旧型号配件通用。ArduinoArduino 在开发过程中力求新旧版本的 通用，无论从物理结构上还是接口电路电气性能，各种新旧型号的控制器和传感器 都能够互相搭配使用，这样能够大大节约了硬件资源。2 2、功能模块十分丰富， 机器人扩展水平非常强， 利于学生创新想法的实现。 它 能够使用上百种功能模块，甚至能够自行开发功能模块，创新应用得到最大的支持。3 3、所有技术资料公开、 透明。 从电路原理图、 零件清单到编程平台源代码垂手 可得，使用者可深

10、入研究机器人的底层技术。4 4、 使用者众多，技术交流社区活跃，技术问题可迅速得到解决。ArduinoArduino 官方论坛注册用户达到五万三千多人， 加上其它使用 ArduinoArduino 的交流社区，ArduinoArduino 用户 可能达到近十万人。另外，国内相继涌现了学习使用ArduinoArduino 的工作坊，如北京ArduinoArduino 俱乐部、上海“新车间”等。无论从网上或者网下都能够找到ArduinoArduino 用户实行交流。5 5、无技术垄断现象， 器材价格透明， 利于推广。因为技术资料公开， 没有厂商 能够垄断 ArduinoArduino 的生产与销售

11、，使得 ArduinoArduino 的性价比极高。四、建设开源硬件机器人实验室通过以上对商品机器人和开源机器人的研究分析，可见利用开源硬件建设机器 人实验室的优势是十分突出的，据此，作者提出通过建设开源硬件机器人实验室的 构想，籍此扩展机器人实验室建设的途径和渠道，为促动中学小学机器人教育发展 提供参考。机器人实验室建设通常包含三方面的内容：计算机、智能机器人、配套设施。 作者依此对开源硬件机器人实验室建设的配置建议可作如下的选择：1 1、计算机可因学校实际情况情况，采用购买新计算机或者使用原计算机室设备 的方法解决。ArduinoArduino 开发环境对计算机硬件需求很低，现在能够正常使

12、用的计算机都能满足需要。如购买新计算机，能够采购手提电脑，便于机器人运行调试。2 2、智能机器人数量可根据学生实际情况人数， 按照 2-32-3 人一台机器人的数量配 备。开源智能机器人零配件的配置可分为基础配置和拓展配置两部分。（1 1）采用基础配置的机器人可满足中学小学智能机器人的入门教学， 完成诸如机器人巡线行走、走迷宫等任务。基础配置的详细零部件见表2 2。表 2 开源智能机器人零配件基础配置零部件型号数量主控板Ardui no UNO1传感器传感器扩展板1光电灰度传感器2声音传感器1超声波测距传感器1触碰传感器2执行器电机驱动模块1减速电机2蜂鸣器1LED 灯2数据传输USB 数据线

13、1电源7.2V220mah 锂电池组17.2V 锂电池充电器1运动平台2WD 铝合金小车1其它M3*10 固定柱+M3*5 螺丝10传感器连接线10（2 2）拓展配置是在基础配置的基础上增加零部件。 能够满足学校机器人课外小 组活动以及创新活动的展开。拓展配置零部件见表 3 3。表 3 开源智能机器人零配件拓展配置零部件型号数量传感器颜色传感器1数字指南针1红外火焰传感器1温度传感器1霍尔传感器1执行器伺服电机1继电器模块1直流电机12 自由度机械臂13 3、配套设施包含组装机器人的起子、 钳子等工具。 另外需要铺设机器人运行场 地。还能够配备适量的机械加工设备，如手钻、钢锯、电磨等，以满足机

14、器人改装 和创新活动的需求。五、实验室的运作方式 当前，机器人教育在中学小学尚属于初期的探索阶段，能够学习的经验很少。如何能更加好地发挥实验室的使用效益，作者认为能够从以下方面着手：1 1、拓展使用对象 实验室建成初期可先从机器人兴趣小组入手，培养一部分有兴趣的学生，组成 机器人学习团队。老师可利用机器人兴趣小组展开校内的机器人展示、竞赛活动， 扩大机器人实验室影响面，吸引更多的学生参与学习。老师在机器人兴趣小组的教 学活动中积累经验，形成自己的教学水平。逐步将课外小组松散的教学行为转变成 面向全体学生的常规课堂教学。2 2、拓宽应用面 得益于开源硬件体系，机器人可使用的传感器种类和使用效果都得到较大提升， 老师可利用丰富的硬件资源开拓各种机器人创新应用。同时， ArduinoArduino 除了在机器 人领域的应用外，在其它方面如物理、数学、通用技术等学科也有着广泛的应用。开源机器人实验室完全能够成为多个学科的通用实