虛擬儀器在智能機器人實踐課程中的應(yīng)用

常曦　薛建新　張世明　蔣川群

摘 要：智能機器人課程是一門多學(xué)科交叉課程，其教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式需要根據(jù)具體學(xué)科有所側(cè)重。文章針對如何使學(xué)生快速掌握智能機器人的操作技能這一問題，提出在計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科中，將虛擬儀器開發(fā)環(huán)境LabVIEW引入智能機器人實踐課程，將多學(xué)科設(shè)計問題轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖O(shè)計問題，將設(shè)備操作問題轉(zhuǎn)換為可視化編程問題，充分發(fā)揮學(xué)科的軟件設(shè)計優(yōu)勢，降低入門門檻。

關(guān)鍵詞：智能機器人；虛擬儀器；LabVIEW；實踐課程

0 引 言

機器人技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，加劇了對機器人技術(shù)相關(guān)專業(yè)人才的需求。機器人是自動化控制、機電工程、電子工程和計算機科學(xué)與技術(shù)等多學(xué)科綜合的產(chǎn)物，對于具備這些綜合知識的人才的培養(yǎng)需要多學(xué)科協(xié)同完成，相關(guān)學(xué)科在相關(guān)專業(yè)內(nèi)容的選擇也需要根據(jù)自己的學(xué)科特點有所側(cè)重。計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科學(xué)生在自動化控制、機電、電子等方面的知識基礎(chǔ)比較薄弱[1]，但接受過算法和軟件設(shè)計的完整訓(xùn)練。在智能機器人課程實踐環(huán)節(jié)，有效發(fā)揮計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的優(yōu)勢特點，降低課程的入門門檻，使學(xué)生快速掌握相關(guān)技能，是首先要考慮的問題。將虛擬儀器LabVIEW引入智能機器人實踐課程，能夠屏蔽復(fù)雜的底層儀器和設(shè)備，實現(xiàn)多學(xué)科設(shè)計問題向軟件設(shè)計問題、設(shè)備操作問題向可視化編程問題的轉(zhuǎn)變，充分發(fā)揮學(xué)科優(yōu)勢在實踐教學(xué)中的作用，使學(xué)生快速入門。

1 虛擬儀器LabVIEW簡介

LabVIEW（laboratory visual instrument engineering workbench）[2]是由美國國家儀器公司研發(fā)的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，目前已成為產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界普遍采用的儀器控制和數(shù)據(jù)采集軟件標(biāo)準(zhǔn)，用其進(jìn)行原理設(shè)計和系統(tǒng)實現(xiàn)時，可大大提高工作效率[3]。

LabVIEW集成了可視化編程的直觀性、高性能和靈活性，提供用可視化圖標(biāo)代替文本編輯的圖形化開發(fā)環(huán)境以及專為測試測量與自動化控制應(yīng)用設(shè)計的高性能模塊及其配置功能，既可增強用戶構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，又可提供實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)插件系統(tǒng)的便捷途徑，它具有強大的模擬功能，其模擬環(huán)境可為模擬機器人的運動提供支撐環(huán)境。

2 虛擬儀器應(yīng)用過程

2.1 應(yīng)用基礎(chǔ)

在智能機器人實踐課程中采用類人機器人NAO作為實踐教學(xué)平臺來說明LabVIEW的應(yīng)用框架。NAO是ROBOCUP標(biāo)準(zhǔn)競賽平臺，支持多種程序語言，便于學(xué)生進(jìn)行探索性實驗和主動性學(xué)習(xí)，符合以機器人實驗為載體的實踐創(chuàng)新培養(yǎng)體系[4]。

2.2 應(yīng)用框架

LabVIEW在類人機器人NAO上的應(yīng)用，可歸納成單元模塊應(yīng)用、結(jié)構(gòu)化擴(kuò)展應(yīng)用、基于狀態(tài)機的綜合應(yīng)用等3大功能模塊以及模擬器顯示。

2.2.1 單元模塊應(yīng)用

單元模塊應(yīng)用涉及動作、傳感器、語音和視覺等相關(guān)單元（圖1）。動作相關(guān)單元涉及機器人各個關(guān)節(jié)、剛度、各種行走方向的控制等，如與機器人姿態(tài)調(diào)整相關(guān)的姿態(tài)單元（a）；傳感器相關(guān)單元涉及各傳感器數(shù)據(jù)的采集和查看（b）；語音相關(guān)單元涉及機器人說話內(nèi)容的配置和聲音的控制（c）；視覺相關(guān)單元涉及攝像頭數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)查（d）。這些多樣的單元對應(yīng)各種真實儀器信號的收集和顯示，通過LabVIEW虛擬元器件可以大幅降低學(xué)生對儀器的操作難度。

2.2.2 結(jié)構(gòu)化擴(kuò)展應(yīng)用

結(jié)構(gòu)化擴(kuò)展包含順序、條件和循環(huán)等3種經(jīng)典程序結(jié)構(gòu)在機器人編程中的應(yīng)用（圖2），3種結(jié)構(gòu)與單元應(yīng)用的組合可以使得搭建的機器人應(yīng)用更加靈活和完整。例如，利用順序結(jié)構(gòu)可將說話單元與姿態(tài)單元進(jìn)行順序連接，搭建機器人在背唐詩之前完成兩種不同的姿態(tài)（a）；利用條件結(jié)構(gòu)可將傳感器單元與說話單元進(jìn)行條件連接，構(gòu)建當(dāng)發(fā)現(xiàn)前方有障礙時，機器人說出“前方有障礙”的警語（b）；利用循環(huán)結(jié)構(gòu)可將傳感單元與圖像單元進(jìn)行連接，不斷檢測運行過程中的障礙情況，通過圖像單元顯示左右兩側(cè)障礙距離（c）。通過對這3種經(jīng)典結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，將機器人的應(yīng)用場景轉(zhuǎn)換為典型的計算機編程問題。

2.2.3 基于狀態(tài)機進(jìn)行綜合應(yīng)用

盡管結(jié)構(gòu)化擴(kuò)展應(yīng)用可完成任務(wù)，但當(dāng)應(yīng)用流程需要在特定的條件下改變時，需要采用狀態(tài)機實現(xiàn)應(yīng)用的綜合。利用狀態(tài)機可以實現(xiàn)機器人語音識別的結(jié)果，控制機器人行走的方向以及結(jié)束行走（見圖3），該程序包含9種狀態(tài)：初始化、聽、向前走、向后走、向左走、向右走、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及停止。這不僅便于學(xué)生明確各個獨立狀態(tài)的應(yīng)用，還可以通過狀態(tài)連接實現(xiàn)機器人的復(fù)雜應(yīng)用。

2.2.4 模擬器顯示

動作的設(shè)計可以借助模擬器視圖顯示NAO機器人的關(guān)節(jié)參數(shù)配置，通過模擬器觀察已設(shè)計的連續(xù)動作情況，無需在機器上直接測試，這有利于機器人設(shè)備的有效使用，如NAO配置八段錦第七式“攢拳怒目增氣力”時的關(guān)節(jié)參數(shù)信息（見圖4）。

3 虛擬儀器應(yīng)用評價

虛擬儀器LabVIEW在智能機器人實踐教學(xué)中的應(yīng)用效果可以從以下3個方面來體現(xiàn)。

1） 降低入門門檻。

虛擬儀器的應(yīng)用將復(fù)雜的電路、傳感器等的設(shè)置問題轉(zhuǎn)換成只需要懂得基本的算法設(shè)計思想和編程技能就可以操作機器人的問題，有效地降低了課程的入門門檻，使學(xué)生的學(xué)習(xí)信心倍增。

2） 提高實驗效率。

LabVIEW平臺將對各種儀器進(jìn)行調(diào)試和運行獲取數(shù)據(jù)的過程轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N控制單元，包括運動控制單元、傳感器控制單元、語音控制單元以及視頻控制單元等參數(shù)輸入和結(jié)果獲取的過程；將各種儀器的電路控制的過程轉(zhuǎn)變?yōu)長abVIEW平臺結(jié)構(gòu)化連線的功能。這種將復(fù)雜問題分步解決的方式有利于問題的簡化，大大提高學(xué)生實驗的效率。

3）實驗成品的功能性有明顯提升。

利用LabVIEW平臺將各類信號的處理和識別轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和算法的優(yōu)化問題，大幅提高計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科知識的應(yīng)用面。就實驗成果而言，其功能性和創(chuàng)新性都有顯著提升，學(xué)生可在短時間內(nèi)完成使用超聲波避障走迷宮、人機交互系統(tǒng)、八段錦展示等項目。

4 結(jié) 語

智能機器人課程融合了多學(xué)科知識，將虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW應(yīng)用于智能機器人實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅可以讓學(xué)生有效掌握并應(yīng)用多樣的實驗儀器開展多樣的機器人應(yīng)用，還可以無縫地集成后續(xù)課程的專業(yè)知識，進(jìn)一步提升應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王旭仁， 何花， 周全， 等. 深入完善“智能機器人”實踐課程體系，促進(jìn)實踐教學(xué)[J]. 計算機教育， 2009（11）： 116-118.

[2] National Instrument. LabView[EB/OL]. [2017-9-23]. http：//www.ni.com.

[3] 陳春朝， 李春洋， 李玖棟， 等. LabVIEW軟件在教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 計算機與現(xiàn)代化， 2010（3）： 89-92.

[4] 陳小平， 羅文堅. 以機器人實驗為載體的實踐創(chuàng)新培養(yǎng)體系研究[J]. 研究生教育研究， 2011（3）： 48-52.

（實習(xí)編輯：景貴英）endprint