應(yīng)用Arduino平臺(tái)進(jìn)行公選課“機(jī)器人教育”教學(xué)設(shè)計(jì)

江巨浪，劉國(guó)明

（安慶師范大學(xué)電子工程與智能制造學(xué)院，安徽安慶246133）

以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力為價(jià)值導(dǎo)向，培養(yǎng)適應(yīng)創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)需要的高水平創(chuàng)新人才，是我國(guó)高等教育的一項(xiàng)重要使命，也是當(dāng)前高等學(xué)校教育教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一[1]。在高等學(xué)校開設(shè)機(jī)器人教育公選課，是提高大學(xué)生綜合素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的一種有益嘗試。與專業(yè)選修課不同，公選課開設(shè)對(duì)象來自各個(gè)不同專業(yè)與不同年級(jí)的大學(xué)生。學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，可以通過該課程拓寬思維與視野，學(xué)習(xí)到更多的綜合性知識(shí)與技能。機(jī)器人教育作為一門具有較強(qiáng)實(shí)踐性質(zhì)的公選課，融合了機(jī)械、計(jì)算機(jī)、電子信息、控制工程、人工智能等眾多學(xué)科的理論與實(shí)踐，創(chuàng)新教育效果明顯[2]。本文從課程特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)機(jī)器人教育公選課的具體課程內(nèi)容與教學(xué)方法進(jìn)行探討。

1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

課程選用Arduino作為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括Arduino uno基礎(chǔ)開發(fā)板、BigFish擴(kuò)展板和若干種類傳感器。基于開放軟件Arduino IDE，采用ArduBlock圖形化編程。該編程方式簡(jiǎn)單、直觀、有趣，適用于高校公選課的不同專業(yè)背景的學(xué)生[3]。以簡(jiǎn)單的教學(xué)案例入手，通過課程學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單機(jī)器人的典型電路與機(jī)械結(jié)構(gòu)，掌握機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的基本原理與編程方法。在教學(xué)案例基礎(chǔ)上，學(xué)生還可以在課外進(jìn)一步自主創(chuàng)新，設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，開發(fā)新的功能。以高校公選課較為典型的30學(xué)時(shí)為例，機(jī)器人教育可以設(shè)為10次課程。首次課程安排為知識(shí)預(yù)備課，了解有關(guān)電子器件基本模塊、簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)和編程基礎(chǔ)知識(shí)。最后一次課程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目考核與答辯。中間8次課分別完成8個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，以下是教學(xué)案例的具體內(nèi)容設(shè)計(jì)。

萬向輪小車裝配與運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。把雙輪、電機(jī)、萬向輪、電池和控制板組裝在小車底板上，通過編程實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)。小車運(yùn)動(dòng)方式包括前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和原地旋轉(zhuǎn)等4個(gè)動(dòng)作。使用AnalogWrite（）函數(shù)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使小車正確完成目標(biāo)動(dòng)作。

智能小車跟蹤實(shí)驗(yàn)。近紅外傳感器可以發(fā)射并接收反射的紅外信號(hào)，有效檢測(cè)范圍在20 cm以內(nèi)。在智能小車的左前側(cè)和右前側(cè)安裝兩個(gè)近紅外傳感器，當(dāng)某一側(cè)傳感器檢測(cè)到被跟蹤物體時(shí)則向該側(cè)方向跟進(jìn)。當(dāng)兩個(gè)傳感器都檢測(cè)到物體時(shí)則正向前進(jìn)，反之停止。通過DigitalRead（）函數(shù)讀取傳感器觸發(fā)狀態(tài)，用于對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。

智能小車避障實(shí)驗(yàn)。小車從無障礙區(qū)出發(fā)，當(dāng)感應(yīng)到前進(jìn)路上障礙物后，根據(jù)障礙物位置選擇下一步行進(jìn)方向。使用3個(gè)觸須傳感器，分別安裝在小車的正前方、左前方和右前方。觸須傳感器可以檢測(cè)到物體對(duì)彈簧觸須的有效觸動(dòng)，安裝時(shí)彈簧與地面平行，有效觸動(dòng)角度45°。編寫代碼，使小車在觸須傳感器被觸發(fā)時(shí)正確選擇后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等動(dòng)作。

超聲波測(cè)距實(shí)驗(yàn)。使用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，模塊包括超聲波發(fā)生器、接收器與控制電路，可提供2 cm～400 cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)到3 mm。首先使用SR04（ECHO_PIN,TRIG_PIN）函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)測(cè)距模塊實(shí)例，其中TRIG_PIN和ECHO_PIN分別是模塊的發(fā)射和接收端口；然后對(duì)該實(shí)例調(diào)用Distance（）函數(shù)則可獲得測(cè)量的距離；最后用Serial.println（）函數(shù)將測(cè)距結(jié)果在通信串口監(jiān)視器顯示。

灰度傳感器循跡實(shí)驗(yàn)。用黑色絕緣膠帶在白色場(chǎng)地上鋪設(shè)一條黑色軌跡，如圖1所示。在小車的前端安裝3個(gè)灰度傳感器。由于不同顏色檢測(cè)面對(duì)光的反射強(qiáng)度存在差異，灰度傳感器的光敏電阻對(duì)不同反射光強(qiáng)呈現(xiàn)不同阻值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)黑白顏色的檢測(cè)。當(dāng)中間傳感器脫離黑色軌跡時(shí)，通過側(cè)面?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到黑色軌跡，從而正確調(diào)整小車前進(jìn)方向。

無線遙控小車控制實(shí)驗(yàn)。使用兩個(gè)NRF無線通信模塊，并將其中一個(gè)安裝在Birdmen擴(kuò)展板上作為遙控手柄，此為主控端master。另一個(gè)安裝在小車上作為受控端slave。通過函數(shù)ADGe（t）讀取搖桿傳感器的值，然后將傳感器值通過通信數(shù)據(jù)串口，無線傳送到slave端，獲取并分析主控端傳來的數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制小車動(dòng)作。

單自由度機(jī)械手抓取目標(biāo)實(shí)驗(yàn)。使用舵機(jī)、機(jī)械手指、雙足連桿和齒輪，組裝一個(gè)單自由度機(jī)械手，如圖2所示。將機(jī)械手安裝在小車上，結(jié)合超聲波測(cè)距模塊，小車可以測(cè)出目標(biāo)物距離，并自行調(diào)整到合適位置。運(yùn)用servo.write（）函數(shù)調(diào)節(jié)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而控制機(jī)械手抓取范圍，完成對(duì)目標(biāo)物的抓取動(dòng)作。

圖1 傳感器循跡實(shí)驗(yàn)示意圖

圖2 單自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

六足機(jī)器人三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)。六足機(jī)器人共有兩組腿，身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足為一組腿，如圖3中A、C和E為一組腿，B、D和F為另一組腿，每組腿的三足呈現(xiàn)三角形步態(tài)。當(dāng)圖3中的A、C和E朝虛線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人隨之向前移動(dòng)。兩組腿在支撐相與擺動(dòng)相之間交替轉(zhuǎn)換，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)行走。了解六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)，并完成組裝和編寫代碼，控制機(jī)器人完成前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。

圖3 六足機(jī)器人行走方式示意圖

2 教學(xué)方法與成績(jī)考核

強(qiáng)化學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與實(shí)踐。課程涉及的多個(gè)學(xué)科理論知識(shí)，作為學(xué)校公選課不能要求學(xué)生對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)。在理論內(nèi)容的深度與廣度要求方面，以完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為目標(biāo)，以夠用為原則，以自主學(xué)習(xí)為主要方式。課前預(yù)習(xí)是課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，預(yù)先向?qū)W生發(fā)放學(xué)習(xí)指導(dǎo)資料，充分運(yùn)用視頻、動(dòng)畫、圖片等直觀方式，讓學(xué)生了解每次實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)與方法。在實(shí)驗(yàn)課堂中，教師首先做簡(jiǎn)要的示范講解，剩余時(shí)間由學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，教師現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)與答疑。

培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。在實(shí)驗(yàn)課程中，從程序編寫、硬件組裝與調(diào)試，以及項(xiàng)目答辯，都是由團(tuán)隊(duì)方式進(jìn)行，團(tuán)隊(duì)人數(shù)建議為2至3人。教師在實(shí)驗(yàn)過程中加強(qiáng)監(jiān)督與管理，確保每一位學(xué)生的參與度。在合作中培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)作用。

成績(jī)考核方式綜合化。成績(jī)考核作為公選課教學(xué)效果的重要評(píng)價(jià)手段，對(duì)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)具有重要的導(dǎo)向作用[4]。針對(duì)課程的團(tuán)隊(duì)協(xié)作與實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，課程成績(jī)由平時(shí)成績(jī)與綜合考核成績(jī)構(gòu)成。平時(shí)成績(jī)主要由出勤率、實(shí)驗(yàn)完成度、實(shí)驗(yàn)規(guī)范性、實(shí)驗(yàn)參與度等環(huán)節(jié)構(gòu)成；綜合考核成績(jī)由課程學(xué)習(xí)總結(jié)、項(xiàng)目演示與答辯等環(huán)節(jié)構(gòu)成，主要考察學(xué)生綜合能力。

3 結(jié)束語

本文選用Arduino 作為開發(fā)平臺(tái)，采用較為直觀的ArduBlock 圖形化編程方式，具體設(shè)計(jì)了高校機(jī)器人教育公選課的教學(xué)案例，并針對(duì)課程特點(diǎn)對(duì)教學(xué)方法與考核方法提出了建議。機(jī)器人技術(shù)是一門多學(xué)科高度交叉的前沿學(xué)科。在高校開設(shè)機(jī)器人教育公選課，需要面對(duì)專業(yè)知識(shí)跨度大、教學(xué)學(xué)時(shí)少、學(xué)生基礎(chǔ)差異大、課程實(shí)踐性強(qiáng)等復(fù)雜情況，在教學(xué)模式與教學(xué)方法的研究上有待做更深入的探索。