步入開源硬件智能機(jī)器人教育時(shí)代

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(jià)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(shí)驗(yàn)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(jìng)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(shí)驗(yàn)室在器材更新時(shí)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(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，只好被迫升級(jí)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(hào)的機(jī)器人多數(shù)針對(duì)競(jìng)賽而設(shè)計(jì)，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(shí)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(shí)。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(jìng)賽聯(lián)系緊密，教師們?cè)诩夹g(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(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)校的進(jìn)程異常緩慢，同時(shí)，設(shè)備單價(jià)昂貴，教師擔(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。

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Arduino。

Arduino是意大利一個(gè)教學(xué)用開源硬件項(xiàng)目。Arduino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)、一系列豐富的傳感器和驅(qū)動(dòng)電路。Arduino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。

Arduino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Arduino時(shí)，只花了幾十分鐘就可以編寫簡單的Arduino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(dòng)圖標(biāo)的方式輕松編程。

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(shí)驗(yàn)室使用較為廣泛的兩款商品機(jī)器人與使用Arduino制作的開源機(jī)器人作一比較(見表1)。

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(hào)配件通用。Arduino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(hào)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(shí)現(xiàn)。Arduino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(tái)、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。Arduino官方論壇注冊(cè)用戶達(dá)到5.3萬多人，加上其他使用Ardui no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Arduino的工作坊，如北京Arduino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Arduino用戶進(jìn)行交流。

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

建設(shè)開源硬件機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室

通過對(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(shì)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(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，為促進(jìn)中小學(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。筆者依此對(duì)開源硬件機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的配置作如下建議。

1.計(jì)算機(jī)設(shè)備可因?qū)W校實(shí)際情況而定，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。Arduino開發(fā)環(huán)境對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求很低，但凡正常使用的計(jì)算機(jī)都能滿足需要。若購買新計(jì)算機(jī)，可以采購手提電腦，便于運(yùn)行機(jī)器人時(shí)隨時(shí)隨地調(diào)試。

2 智能機(jī)器人數(shù)量可根據(jù)學(xué)生實(shí)際人數(shù)，按照2～3人一臺(tái)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)?；A(chǔ)配置的詳細(xì)零部件見表2。

(2)拓展配置是在基礎(chǔ)配置的基礎(chǔ)上增加零部件，以滿足學(xué)校機(jī)器人課外小組活動(dòng)以及創(chuàng)新活動(dòng)的需要。拓展配置零部件見表3。

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(chǎng)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(dòng)的需求。

實(shí)驗(yàn)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(yàn)很少。如何能更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)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(duì)象

實(shí)驗(yàn)室建成初期可先從機(jī)器人興趣小組人手，培養(yǎng)一部分有興趣的學(xué)生，組成機(jī)器入學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)。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(jìng)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)。教師應(yīng)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)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(shí)，Arduino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(shí)驗(yàn)室完全可以成為多個(gè)學(xué)科的通用實(shí)驗(yàn)室。筆者相信，開源機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的使用前景十分廣闊。

(作者單位：廣東廣州市白云區(qū)景泰小學(xué))