人工智能進校園
——機器人DIY

趙姝穎 孫浩 胡彬 田祥章

（東北大學人工智能與機器人研究所，沈陽，110819）

人工智能進校園
——機器人DIY

趙姝穎 孫浩 胡彬 田祥章

（東北大學人工智能與機器人研究所，沈陽，110819）

本文重點介紹組拼式教育機器人資源及基于此類資源教育機器人開發(fā)的流程與案例。

機器人，人工智能，DIY，組拼式，教育

0 引言

機器人技術(shù)被譽為“當代最高意義的自動化”,智能化程度不斷提高是機器人技術(shù)發(fā)展的顯著特征[1]。通過機器人DIY活動普及人工智能與機器人技術(shù)，是提高校園科普水平的一種創(chuàng)新嘗試。機器人DIY活動采用技術(shù)培訓和競賽的方式，讓學生個人或者團隊通過完成一些具有一定難度的任務，學習人工智能與機器人技術(shù)，達到普及機器人知識、啟發(fā)創(chuàng)新思維、激發(fā)創(chuàng)造能力、培養(yǎng)團隊意識等效果，是提升青少年科學素養(yǎng)的重要途徑之一。

1 組拼式機器人

1.1概念

組拼式機器人是利用符合一定標準和規(guī)范的機械、電氣組件和與之相配合的軟件開發(fā)環(huán)境，通過模塊組拼實現(xiàn)機器人本體構(gòu)造，再利用軟件開發(fā)環(huán)境對所構(gòu)造的機器人進行智能、感知和控制等功能設(shè)計，從而實現(xiàn)的特定功能的機器人。

1.2應用

1）工業(yè)領(lǐng)域的應用。

工業(yè)中使用機械手模組組拼的懸臂式或龍門式工業(yè)機器人屬于組拼機器人的范疇。該類機器人以其靈活、精準的運動在焊接、組裝、搬運等領(lǐng)域大展拳腳。

2）產(chǎn)品原型設(shè)計中的應用。

組拼式機器人可用在實驗階段，為產(chǎn)品的可操作性、創(chuàng)造性和可實施性等提供更多可能，幫助設(shè)計者更好地改良產(chǎn)品，提高產(chǎn)品性能。

3）教育領(lǐng)域的應用。

隨著智能機器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，組拼式機器人可以幫助學生打開通往科技的窗戶，在素質(zhì)教育和機器人基礎(chǔ)教育中起到啟蒙作用。

1.3資源自主開發(fā)

隨著3D建模仿真技術(shù)和3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展與應用，機器人組件的及時補充成為可能，組拼式機器人可以不再局限于現(xiàn)有資源。這不僅提高了機器人開發(fā)的效率，更促進了創(chuàng)造性思維的拓展。

2 組拼式教育機器人資源

2.1 國內(nèi)外教育機器人資源概況

教育機器人是指面向教育領(lǐng)域開發(fā)的機器人成品、套裝或散件，包括機器人本身、控制軟件、教學材料等。

隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的應用逐步得到重視。在國外，機器人教育一直是熱點。早在1994年，麻省理工學院就設(shè)立了 “設(shè)計和建造LEGO機器人”課程，目的是提高工程設(shè)計專業(yè)學生的設(shè)計和創(chuàng)造能力，嘗試將機器人教育與理科實驗整合。目前，國內(nèi)已有一些科研機構(gòu)和公司正在陸續(xù)進入教育機器人領(lǐng)域，不同種類的教育機器人產(chǎn)品和相關(guān)教學平臺不斷得到開發(fā)和應用[2]。

2.2教育機器人資源的特征

從外形上，教育機器人可以分為兩類：一類是有基本形狀的機器人，學生可以在此基礎(chǔ)上增加模塊，進行改裝；另一類是沒有固定形狀，只有一堆零部件的積木式機器人，學生可以根據(jù)自己的想象來自主搭建各種形狀的機器人[3]。教育機器人資源有如下特征：

1）開放性。

教育機器人的套裝中有各種結(jié)構(gòu)的積木，學生可以利用這些積木進行設(shè)計和搭建，在搭建過程中可充分發(fā)揮其組織靈活性。一套組件可以運用到多項機器人的組拼中，老舊機器人也可以拆除后重新組拼成新的機器人。

2）可選配性。

現(xiàn)在市場上有各種各樣的教育機器人資源，這為機器人制作提供了資源組合多樣性以及零配件可選擇性。組拼大型自動化模型，可以實現(xiàn)多套組件兼容組拼，并且可以使用多控制器實現(xiàn)并聯(lián)控制。

3）可擴展性。

現(xiàn)有教育機器人資源都可以為用戶提供一個教學平臺，支持用戶自主開發(fā)新資源，其硬件也可以通過3D打印技術(shù)對組拼資源進行快速補充。

2.3基于組拼式機器人資源的教育活動

1）基礎(chǔ)知識傳播。

機器人活動涉及多個學科，如數(shù)學、電子、光學、力學、電學、超聲波學、自動控制等。通過組拼式機器人的組拼過程，這些知識的學習和掌握完全可以由學生自己主動探究來獲得，在普及機器人知識的同時，這極大地提升了學生對機器人科學的興趣。

2）基本技能訓練。

在機器人活動中，一方面學生進行搭建和拼裝，是一個需要動手實踐的過程；另一方面，學生通過不斷的實踐去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。學生通過對簡單結(jié)構(gòu)的組拼，可以深化其對組拼資源的認識，并熟悉各種組拼形式，便于其以后靈活運用到各個組拼機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

3）科技活動組織。

比賽是一個總結(jié)經(jīng)驗和提升技術(shù)水平的過程。比賽過程會使學生體會到成功的喜悅和失敗的煩惱，更重要的是經(jīng)歷挑戰(zhàn)的過程。組拼式機器人可以用于參加科技競賽、科學普及、科技展覽等多個領(lǐng)域，為各個年齡段的用戶提供全方位的組拼體驗。

4）團隊意識培養(yǎng)。

在機器人競賽活動中，團隊里每一個人都至關(guān)重要，成員間需要相互依賴，為共同的目標去努力，發(fā)揮各自的特長實現(xiàn)能力互補。在這一過程中，成員產(chǎn)生集體榮譽感，為自己的團隊去努力和拼搏。

3 機器人DIY

DIY(Do It Youself)，與此前只能由專業(yè)技術(shù)人員完成設(shè)計過程的很多設(shè)備本體不同，它提供了一種大眾可參與的科技活動模式。機器人DIY是利用組拼式機器人資源，通過選配、拼接和系統(tǒng)調(diào)試等過程，開發(fā)參與者預想功能的機器人科研活動。

機器人DIY活動的參與者，首先要了解機器人的組成。一般的機器人DIY要先從機構(gòu)DIY做起。

3.1機器人組成

一般來說，機器人包括執(zhí)行機構(gòu)（機器人本體機械機構(gòu)）、驅(qū)動裝置（馬達等動力裝置）、檢測裝置和控制系統(tǒng)等。

3.2從機構(gòu)DIY到機器人DIY

對于初學者，應先從機器人的機構(gòu)做起，通過機器人組件，組拼一些可以實現(xiàn)的簡單機構(gòu)，如平行四邊形結(jié)構(gòu)、三角形結(jié)構(gòu)等，并且熟悉機器人組拼中各種結(jié)構(gòu)的特點及作用。接下來，可以做一些傳動機構(gòu)的組拼，比如齒輪傳動、帶傳動、蝸輪蝸桿傳動、平面連桿傳動、差動機構(gòu)傳動等，達到熟悉采用某種傳動方式能夠讓機器人平穩(wěn)運動的程度。完成上述任務后，學生就可以嘗試組拼自己的第一個機器人了，制作中要注意合理組合各種機構(gòu)，保證機器人在運動過程中平穩(wěn)、靈活、精準。

3.3機器人DIY流程

圖1 機器人DIY流程

1）創(chuàng)意及系統(tǒng)設(shè)計。

熟悉機器人的各個機構(gòu)后，學生就可以嘗試完成自己的設(shè)計創(chuàng)意。在設(shè)計機器人時，先制定設(shè)計方案，考慮機器人的功能和所要完成的任務要求，最好使機器人結(jié)構(gòu)便于拆卸，即功能模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要的時候可將一些模塊用在其他項目上。在設(shè)計機器人結(jié)構(gòu)時，也要考慮到某些重要組件的更換、電源充電以及控制的方便性等。

2）結(jié)構(gòu)構(gòu)思和組拼過程。

組拼機器人是一個創(chuàng)造的過程，需要有創(chuàng)新的理念。機器人組拼過程一般分為四個步驟：第一步，根據(jù)初步設(shè)計方案制定出機器人的框架結(jié)構(gòu)；第二步，選擇合適的驅(qū)動機構(gòu)，通過馬達與機械結(jié)構(gòu)的配合，使機器人動起來；第三步，給機器人選擇適合的傳感器，使機器人感知工作環(huán)境；第四步，為其適當添加輔助傳感器，進一步提高機器人的智能性。

3）軟件編制。

想編出好的程序一定要有好的程序設(shè)計理念。編程指令中，一般盡量避免出現(xiàn)復雜指令，編程語言簡短明了[4]。程序一般由開始、等待、循環(huán)、分支、終止五部分組成[5]，通過控制器和傳感器實現(xiàn)機器人的開始及等待功能。在機器人編程中，要充分發(fā)揮控制器的循環(huán)優(yōu)勢，這樣程序更簡潔，也便于操作者修改。

機器人應該具有識別錯誤的能力以及狀態(tài)分析能力。因此，我們在程序編寫中應提前考慮到程序運行過程中可能出現(xiàn)的導致程序不能按照預期完成任務的因素，并對這些因素考慮好應對方法，在出現(xiàn)錯誤時及時調(diào)用備選程序。這樣做可以讓我們在完成任何任務時都游刃有余。

4）調(diào)試與改進。

每個機器人的組拼都不可能一步到位，組拼后要經(jīng)過多次調(diào)試，記下試驗記錄，對不足的地方進行適當改進。一款完美的機器人要經(jīng)得起考驗，能夠在任何時間、任何地點精準展示其柔美的運動曲線。

圖2 單杠機器人

4 機器人DIY案例

4.1單杠機器人

1）創(chuàng)意及系統(tǒng)設(shè)計。

單杠機器人創(chuàng)意源于運動場上矯健的運動健兒，他們用身體與力量完美演示了生命的曲線。想讓機器人像人一樣自由運動于單杠之上，就要設(shè)計一個有手有腳、可以在單杠上通過對慣性合理運用達到表演效果的機器人。

圖3 單杠表演

2）結(jié)構(gòu)構(gòu)思。

機器人做單杠表演，就要有單杠和可以表演的機器人。將單杠與機器人組拼在一起即為單杠機器人。

單杠的搭建要考慮到機器人在運動過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，故基座采用平行四邊形結(jié)構(gòu)，支撐采用三角形結(jié)構(gòu)。

用樂高馬達作為機器人的腿為機器人提供動力；以樂高NXT控制器作為機器人的身體，實現(xiàn)圖形化編程，使機器人便于控制；以樂高標準件作為身體與單杠的連接（機器人的手），該連接采用樂高組件中與標準件間隙配合的銷，以減少機器人表演過程中產(chǎn)生的摩擦阻力。

3）軟件編制。

單杠機器人主要依靠驅(qū)動馬達的快速轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)運動狀態(tài)的控制。給驅(qū)動馬達一個轉(zhuǎn)動的角度及運動速度，使其在初始狀態(tài)下能夠具有順時針的轉(zhuǎn)動慣量，到達最高點后使馬達逆時針轉(zhuǎn)動，給機器人施加一個反向的沖量。按照上述過程控制馬達循環(huán)運動，根據(jù)系統(tǒng)的固有頻率設(shè)置恰當?shù)难h(huán)周期，使其能夠連續(xù)翻轉(zhuǎn)。

4）調(diào)試與改進。

通過多次調(diào)試，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)調(diào)整機器人雙腿的擺動間隔、角度、速度等，使機器人充分利用慣性，并控制慣性在單杠上自由發(fā)揮表演。

4.2蝎子機器人

1）創(chuàng)意及系統(tǒng)設(shè)計。

本系統(tǒng)設(shè)計以樂高NXT控制器作為蝎子機器人的身體；以樂高超聲波傳感器作為機器人的眼睛，超聲波傳感器在其前方30cm處檢測到物體時，機器人尾部會以一定速度來擊打；以樂高觸碰傳感器作為蝎子尾部末端，當觸碰到物體時，尾巴立即收回。

2）結(jié)構(gòu)構(gòu)思。

蝎子機器人由控制器構(gòu)成的身體部分、樂高標準件構(gòu)成的手抓部分和尾部攻擊部分組成。

根據(jù)蝎子的體貌特征，用樂高控制器和樂高超聲波傳感器組拼成蝎子機器人的身體部分，其6條腿由2個馬達配合雙搖桿機構(gòu)實現(xiàn)前后運動，尾部采用平行四邊形交叉升降原理，實現(xiàn)對物體的攻擊，尾巴末端加裝觸碰傳感器。

圖4 蝎子機器人

3）軟件編制。

要讓機器人的尾巴能夠靈敏地感應到物體，首先需要給超聲波傳感器一個合適的距離值，使其反應足夠靈敏。當光電傳感器檢測到物體時，尾部需做出攻擊動作，尾部的控制需要調(diào)整馬達的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)角度來實現(xiàn)剪叉機構(gòu)的伸縮，使尾部能夠達到物體目標位置并觸發(fā)末端傳感器使尾巴及時收回。

圖5 3D打印仿人機器人

4）調(diào)試與改進

組拼完成后需根據(jù)機器人的尾部運動軌跡對組件的長短、連接件的松緊程度進行調(diào)整，使其達到平穩(wěn)，靈活、精準。另外，還需不斷測試各個傳感器的反應時間。

圖6 3D建模

4.3仿人機器人

1）創(chuàng)意及系統(tǒng)設(shè)計。

如今市場上的仿人機器人多為國外進口，在組拼與擴展方面相對保守，用戶可用的資源受到生產(chǎn)廠家的約束。3D打印技術(shù)的發(fā)展使得機器人組件的獨立設(shè)計成為可能，資深機器人玩家可以嘗試為機器人更換控制器來達到擴展控制的目的。

圖7 十字交叉連接件

仿人機器人一般采用舵機傳動，用17個舵機做成一個具有17個自由度的仿人機器人，對應人體的17個關(guān)節(jié)。通過連接件將舵機組拼成人的形狀，并且能夠像人一樣自由運動。

2）結(jié)構(gòu)構(gòu)思。

由于采用PLA材質(zhì)打印機器人的連接件，故須對零件結(jié)構(gòu)采取加厚和加固設(shè)計，保證其結(jié)構(gòu)強度。腿部的相鄰舵機連接采用的連接板結(jié)構(gòu)簡單、受力均勻、不易損壞，故只需加厚即可。相鄰舵機有方向轉(zhuǎn)換的部位采用交叉連接件（見圖7），由于安有支臂結(jié)構(gòu)，且受力都集中于支臂處，容易發(fā)生彎曲、斷裂現(xiàn)象，故除加厚設(shè)計外，還須進行局部加強處理，使機器人在運動過程中其支臂結(jié)構(gòu)在各個角度都能承受機器本身帶給連接件的壓力。

對于仿人機器人，其平衡性是設(shè)計的重點，控制器及電源的安裝位置決定機器人的重心位置。重心的位置對仿人機器人的平衡性起到至關(guān)重要的作用。將控制器及電源安裝在身體的正中部位，便于機器人平穩(wěn)站立，同時為機器人安裝合適的陀螺儀傳感器，使機器人能夠隨時監(jiān)測自己的姿態(tài)。仿人機器人一般采用無線控制，安裝紅外傳感器使其能夠接收到使用者的控制信號。

3）軟件編制。

仿人機器人的編程，首先需為其量身定制好開機等待程序，使機器人在開機后能夠保持平穩(wěn)的站立姿態(tài)等待接收命令，并且通過陀螺儀傳感器時刻檢測自己的狀態(tài)。另外，還可設(shè)立多個程序入口，根據(jù)接收信號的不同做出相應動作。

仿人機器人具有與人類相似的形態(tài)及關(guān)節(jié)，可以模仿人類的動作，在編制程序時可以參照人類的運動方式為機器人制定動作，還可以以示教再現(xiàn)的形式給機器人輸入每個pose（機器人姿態(tài)）參數(shù)，在各個pose間添加循環(huán)、等待、延時等命令，使機器人具有表演舞蹈的能力。

4）調(diào)試與改進。

機器人設(shè)計中一些考慮不周的地方會導致機器人局部關(guān)節(jié)發(fā)生干涉，針對這些干涉狀況應及時進行處理。另外，還可以通過一次次的調(diào)試給機器人編制合理的程序，如編制機器人舞蹈、機器人上樓梯等。

5 結(jié)束語

機器人DIY實現(xiàn)了一種立體感知的學習模式，把之前的知識系統(tǒng)組合、靈活形象地運用到機器人的組拼過程中，從而使參與者學到更多的知識，由此產(chǎn)生對機器人設(shè)計的樂趣，促進學習進程的不斷提升。

目前，機器人教育資源仍顯匱乏，人工智能進校園還停留在利用現(xiàn)有資源進行DIY組拼式機器人設(shè)計與實現(xiàn)的階段。隨著仿真技術(shù)和3D打印技術(shù)的拓展應用，相信人工智能與機器人技術(shù)在提升校園科普水平、推動校園科普事業(yè)發(fā)展方面，必將發(fā)揮越來越重要的作用。

[1]趙姝穎. 加快機器人科普教育迎接機器人走進我們生活[J].機器人技術(shù)與應用,2012（2）：18-19.

[2] 張劍平，王益．機器人教育：現(xiàn)狀、問題與推進策略[J].中國電化教育，2006（12）：65-68．

[3]吳潔，何花，周波．淺談教育機器人[J]．中國教育技術(shù)裝備，2006（7）：14-16.

[4] 城井田勝任. 機器人組裝大全[M].金晶立,譯.北京：科學出版社，2002.

[5]鄭劍春，趙亮.樂高——實戰(zhàn)EV3[M].北京：清華大學出版社，2014.

本項目獲得沈陽市科技計劃項目資助，項目編號：F14-214-5-00；獲得中央高?；究蒲袠I(yè)務費項目資助，項目編號：N110804005。