中小學(xué)生智能機(jī)器人DIY課程初探

李建科 鄧漢盤

智能機(jī)器人是中小學(xué)課堂新興的一門旨在培養(yǎng)學(xué)生動手能力的信息技術(shù)課程，但是實際上在實施這門課程的時候存在很多的誤區(qū)，往往達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生動手創(chuàng)新能力的目的。我們嘗試開設(shè)的智能機(jī)器人DIY課程，經(jīng)過理論上的探討和實際上的操作實踐，以及在東莞市青少年活動中心的實施過程中，學(xué)生在課堂上真正地參與到了機(jī)器人的設(shè)計、焊接、編程中去，達(dá)到了鍛煉學(xué)生動手能力的目的。實踐證明這門課程對培養(yǎng)學(xué)生動手創(chuàng)新能力是行之有效的。

一、中小學(xué)智能機(jī)器人的教育背景

近年來，在中小學(xué)課堂上興起一門全新的信息技術(shù)課程一一智能機(jī)器人，它包含了計算機(jī)硬件、軟件、電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科的綜合應(yīng)用，對鍛煉學(xué)生動手能力、編程能力，培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作精神有很大幫助。

雖然現(xiàn)在中小學(xué)智能機(jī)器人教育得到了長足的發(fā)展，但是一些弊端已經(jīng)逐漸地顯露出來。一些學(xué)校名義上開展著智能機(jī)器人課程，但實際上是為了應(yīng)付比賽和檢查而臨時培訓(xùn)幾個學(xué)生，而大部分的設(shè)計都由機(jī)器人生產(chǎn)商或老師事先完成，學(xué)生只是一個看客，只能對機(jī)器人進(jìn)行簡單的運行操作。這與我們開展這門課的初衷是背道而馳的，偏離丁培養(yǎng)學(xué)生動手創(chuàng)新能力的目的。

現(xiàn)在市場上機(jī)器人價格昂貴，都是四五千元左右一臺，學(xué)校投入相當(dāng)大，價格問題已成為制約學(xué)校參加這項活動的主要因素，資金的缺乏使一些學(xué)校只能購買少量機(jī)器人來參加一些特定的比賽，而無法在校園內(nèi)作為一項科技活動來開展和普及，在這一社會背景下，提倡學(xué)生自己動手來制作機(jī)器人，而老師只作為一位真正意義上的指導(dǎo)者，讓比賽回歸到教育的目的，這樣無疑對這項活動的推廣和普及具有更重要的意義。正是在這種情況下，我們嘗試開設(shè)了智能機(jī)器人DIY這門課程。

二、優(yōu)勢獨特的機(jī)器人DIY課程

DIY，是Do It YouSelf的縮寫，即自己動手的意思，提倡學(xué)生自己動手制做機(jī)器人，主要意義在于降低機(jī)器人的成本，讓更多的學(xué)生有經(jīng)濟(jì)能力參與進(jìn)來。通過學(xué)生自己動手焊接電路板，自己制作底盤、挑選馬達(dá)來完成一臺機(jī)器人的制作，不但鍛煉了學(xué)生的動手能力，達(dá)到提高學(xué)生個人綜合素質(zhì)的目的，還使學(xué)生從中體會到成功的喜悅。

現(xiàn)在市場上各種電子零配件相當(dāng)豐富，自己動手組裝一臺機(jī)器人的方案已經(jīng)具備可行性，對于成本、一臺足球機(jī)器人大約是四、五百元左右，相對于現(xiàn)在市場上機(jī)器人價格而言，已經(jīng)相當(dāng)?shù)?，這也能使廠家進(jìn)一步降低自己機(jī)器人銷售的價格。

三、DIY機(jī)器人的設(shè)備選購

（一）底盤

機(jī)器人的底盤可選用一般的PVC板來做，PVC板為高密度塑料板，在市場上可方便的買到，能自由打孔，方便固定機(jī)器入主板和各種零配件，也可選用玻璃板，中鳴數(shù)碼公司提供的足球套件采用玻璃板底盤，但玻璃板底盤價格昂貴，也比較厚，不利于人工打孔，如果采用小型數(shù)控機(jī)器或到工廠去進(jìn)行打孔或切邊，則不存在這問題。除此之外，也可采用玩具車模型底盤或坦克底盤，在開展DIY課程中，使用這些底盤更有利于提高學(xué)生的興趣。

（二）電機(jī)

對于機(jī)器人的動力系統(tǒng)，一般都是采用高速馬達(dá)和減速箱來組成，減速箱的作用是降低電機(jī)輸出軸速度，增大扭力。現(xiàn)在市場上帶減速箱的電機(jī)貨源比較充足，有6V、12V或24V選擇，當(dāng)然，也可在電機(jī)二手市場買到一些性價比高的電機(jī)。對于機(jī)器人滅火或足球項目，電機(jī)的電壓選擇在12V，400rpm就可，對于不同的項目，也可根據(jù)需要來選擇不同參數(shù)的電機(jī)。

（三）輪胎

輪胎在市場中比較難找，主要是現(xiàn)在電機(jī)輸出軸半徑大小不一，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，廠家都是針對自己的產(chǎn)品對輪胎進(jìn)行定做，所以市場上比較難賣到通用的輪胎。如果采用玩具車底盤或坦克底盤，它們都自帶了輪胎和馬達(dá)，可以節(jié)省到找輪胎的時間，如果采用PVC板或玻璃板做底盤，則可根據(jù)自己選擇的電機(jī)的軸徑在市場中尋找輪胎，也可到淘寶網(wǎng)一些個人商店進(jìn)行定做，價格大約在二、三十元左右。

（四）機(jī)器人主板

主板功能設(shè)計上應(yīng)考慮機(jī)器人的通用性，盡量把各種功能模塊都設(shè)計在主板中。例如應(yīng)具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，即A/D轉(zhuǎn)換，可用來檢測周圍的環(huán)境光;數(shù)字輸入功能，可用來檢測開關(guān)閉合情況、數(shù)字輸出功能、可用來驅(qū)動發(fā)光LED;電機(jī)驅(qū)動模塊，讓機(jī)器人做出不同的動作，聲音檢測功能，檢測周圍的聲音;發(fā)音功能，能播放音樂，提供學(xué)生的興趣;液晶顯示功能，可用來和學(xué)生進(jìn)行一些簡單的交互也方便用戶程序的調(diào)試;如果有可能，盡量把擴(kuò)展卡模塊設(shè)計進(jìn)主板，方便以后增加功能模塊以滿足不同項目比賽的需要。

設(shè)計好主板原理圖后，可讓學(xué)生按照原理圖把元件焊接在萬用板上或讓工廠把原理圖制作成空PCB板，再給學(xué)生使用。如果是焊接在萬用板上，則需要花費時間比較長，也容易出錯，對中小學(xué)生不太適用，如果是讓工廠加工成PCB板，則成本比較貴，老師可根據(jù)實際情況選擇焊板。

（五）主控制芯片的選擇

機(jī)器人主控芯片的選擇必須具有自我編程的能力，即具有程序下載的功能，才能使學(xué)生重復(fù)的進(jìn)行多次練習(xí)。AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司挪威設(shè)計中心的第一個姓名字母為A和v的研發(fā)者利用ATMEL公司的Flash新技術(shù)，共同研發(fā)出RISC精簡指令集的高速8位單片機(jī)，簡稱AVR，其中的R表示芯片為RISC結(jié)構(gòu)。作為增強(qiáng)型RISC內(nèi)載Flash的單片機(jī)，它具有下面的特點：

1.速度快、時鐘頻率高。

2.1/0口驅(qū)動能力強(qiáng)、電流大.

3.豐富的片上資源

4容易上手、開發(fā)費用低，網(wǎng)上資源豐富

進(jìn)行AVR單片機(jī)開發(fā)費用低廉，可使用ISP在線下載編程方式把編譯好的程序?qū)懙絾纹瑱C(jī)的程序存儲器里，也可采用BootLoader程序通過電腦的串口來進(jìn)行程序的更新，不需購買仿真器、編程器、擦抹器和芯片適配器等，節(jié)省很多開發(fā)費用。

四、機(jī)器人DIY的教學(xué)過程