基于STEAM機(jī)器人的創(chuàng)新實(shí)踐模式研究

李真

摘要：當(dāng)前的編程教育實(shí)踐過程中，編程語言較為枯燥，多數(shù)學(xué)生對(duì)編程語言的學(xué)習(xí)興趣和自信心不足。針對(duì)教學(xué)需求，設(shè)計(jì)了一套“低碳環(huán)?！睓C(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)以WER（世界教育機(jī)器人大賽）比賽為基礎(chǔ)，將圖形化編程技術(shù)引入到學(xué)生編程教育，使得學(xué)生更加直觀地掌握代碼編程技能，該平臺(tái)包含各種電子模塊的底層驅(qū)動(dòng)支持，以便學(xué)生在其基礎(chǔ)上控制各類硬件外圍設(shè)備，開展創(chuàng)新創(chuàng)意項(xiàng)目實(shí)踐。實(shí)踐證明該平臺(tái)具有良好的直觀性、綜合性和擴(kuò)展性，不僅滿足了學(xué)生對(duì)軟硬件開發(fā)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)需求，而且對(duì)大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)具有良好的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：圖形化編程；機(jī)器人；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）27-0116-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

近些年來不斷倡導(dǎo)的STEAM教育理念，鼓勵(lì)孩子在科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）、數(shù)學(xué)（Mathematics）領(lǐng)域的發(fā)展與提高，培養(yǎng)孩子的綜合素養(yǎng)，從而提高其全球競(jìng)爭力[1]。STEAM教育明確培養(yǎng)學(xué)生的三類技能，包括認(rèn)知技能、溝通合作技能和創(chuàng)新技能[2]。其中，創(chuàng)新技能是將創(chuàng)新思維轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新成果的中介，包含設(shè)計(jì)、構(gòu)圖、表演、展示、建模等[3]，需要為學(xué)生提供豐富的探索和實(shí)踐機(jī)會(huì)，并在問題解決情景中提供概念、工具、經(jīng)驗(yàn)等，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新技能。

在STEAM教育中，編程也作為思維訓(xùn)練的一項(xiàng)重要內(nèi)容被各界所廣泛認(rèn)可。學(xué)習(xí)編程能培養(yǎng)抽象思維、邏輯思考、專注細(xì)心、創(chuàng)造力等能力，還能提高孩子的學(xué)習(xí)習(xí)慣和綜合素養(yǎng)[4]。隨著機(jī)器人、人工智能技術(shù)的發(fā)展，編程將成為時(shí)代的基本需求。編程教育不是為了培養(yǎng)程序員，而是培養(yǎng)未來一種基本的生存能力。

目前大多數(shù)高校都開展了C語言等程序設(shè)計(jì)類課程，但長期的教學(xué)實(shí)踐過程表明，學(xué)生學(xué)習(xí)編程語言的興趣和動(dòng)力不足，解決實(shí)際問題的能力沒有明顯提高，動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力也不強(qiáng)[5-6]。近些年來圖形化編程逐步走進(jìn)大眾的視線。實(shí)踐證明，圖形化編程的引入有利于學(xué)生快速掌握基礎(chǔ)的編程思想，獲得編程的興趣，并在此基礎(chǔ)上逐漸掌握代碼編程技能?；诖吮疚脑O(shè)計(jì)了一套“低碳環(huán)?！睓C(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，不僅可以滿足純軟件類的編程學(xué)習(xí)，而且能夠與硬件結(jié)合，滿足電氣自動(dòng)化類大學(xué)生對(duì)軟硬件一體化系統(tǒng)的學(xué)習(xí)需求。

2 平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

2.1 圖形化編程軟件

在圖形化編程中，構(gòu)成程序的命令和參數(shù)通過積木形狀的模塊來實(shí)現(xiàn)，直觀明了，簡單易學(xué)。編程采用的是AbilixChart3.0圖形化編程軟件，如圖1所示。按照任務(wù)的需求編程主要分為巡線、圖像識(shí)別、運(yùn)動(dòng)控制等。其中巡線的穩(wěn)定性是任務(wù)完成的最關(guān)鍵保證，決定著小車能不能順利達(dá)到任務(wù)點(diǎn)；圖像識(shí)別主要用來通過攝像頭完成物體的識(shí)別；運(yùn)動(dòng)控制主要是控制電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂來完成推拉、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。在此基礎(chǔ)上對(duì)任務(wù)從易到難一個(gè)一個(gè)進(jìn)行挑戰(zhàn)，最后將所有程序進(jìn)行相連，進(jìn)行整體的調(diào)試。在編寫的過程中，發(fā)現(xiàn)程序較長，可以將重復(fù)的動(dòng)作進(jìn)行整理和打包編寫為子程序，用過主程序調(diào)用的方式，讓編程更加簡潔，也可以在后期調(diào)試過程中更容易地發(fā)現(xiàn)問題所在[7]。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

本平臺(tái)設(shè)計(jì)使用的主控是SKCON9，如圖2所示， 它是能力風(fēng)暴推出的新一代教育機(jī)器人積木系列人工智能控制器，硬件方面延續(xù)積木系列設(shè)計(jì)風(fēng)格的同時(shí)，外殼提供更多結(jié)構(gòu)孔，支持六面搭接，充分實(shí)現(xiàn)空間擴(kuò)展；軟件方面，支持流程圖編程、條形圖編程、 C 語言編程等，有著豐富的學(xué)習(xí)和應(yīng)用方式。

主控搭配各類傳感器、電機(jī)、機(jī)器臂等部件就可以完成機(jī)器人的搭建。本平臺(tái)搭建的低碳環(huán)保機(jī)器人屬于兩輪差速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，使相比于四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，該類機(jī)器人僅使用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制模型簡潔，速度空間范圍更大，適合于通過狹窄區(qū)域。該機(jī)器人底盤布局采用兩驅(qū)動(dòng)輪的同軸式布局，后置驅(qū)動(dòng)輪采用大直徑驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱分布在底盤兩側(cè)，使機(jī)器人旋轉(zhuǎn)中心與重心重合，保障了控制精確性與運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。前置從動(dòng)輪選用小直徑萬向輪作為支撐輪，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)靈活性，在上述機(jī)器人底盤基礎(chǔ)上完成機(jī)器人主體的搭建，搭建所得的樣機(jī)實(shí)物如圖3所示。機(jī)器人的主題搭配不同機(jī)械臂設(shè)計(jì)就可以完成指定任務(wù)。

機(jī)器人運(yùn)行場(chǎng)地分上下兩層，如圖4所示， 支架為金屬材質(zhì)，兩層之間通過斜坡相連， 斜坡與一層場(chǎng)地夾角約為30度， 二層場(chǎng)地護(hù)欄為木板（高度10cm， 厚度1-2cm）。 在一層場(chǎng)地、 二層場(chǎng)地、斜坡上各鋪有場(chǎng)地膜。

場(chǎng)地上共有2個(gè)基地， 一層基地大小為30×30cm（長×寬）；二層基地位于斜坡頂端，大小為64×40cm（長×寬）。在一層和二層平臺(tái)上一共有17個(gè)可變位置，根據(jù)不同的訓(xùn)練要求，可以在17個(gè)位置上放置不同的任務(wù)對(duì)象，讓機(jī)器人小車通過尋跡到達(dá)指定地點(diǎn)完成任務(wù)。例如：在二層平臺(tái)上放置風(fēng)力發(fā)電模型，則機(jī)器人小車需從一層基地通過斜坡到達(dá)二層基地，然后運(yùn)行到風(fēng)力發(fā)電模型的位置，再通過機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)使發(fā)電風(fēng)扇轉(zhuǎn)至 2 秒以上，視為發(fā)電成功，完成該任務(wù)后可以繼續(xù)完成其他位置的任務(wù)或者返回基地。

3 實(shí)踐教學(xué)任務(wù)設(shè)計(jì)

下面針對(duì)幾個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)案例來進(jìn)行介紹：

（1）圖像識(shí)別，綠色購物、能量研究院任務(wù)機(jī)械臂搭建

圖像識(shí)別和綠色購物的任務(wù)是指機(jī)器人首先將識(shí)別樣本的信息準(zhǔn)確地記錄下來，然后小車運(yùn)行到綠色購物的位置，將與剛才識(shí)別的樣本信息同樣的物品取下。能量研究院則是小車運(yùn)行到指定任務(wù)位置識(shí)別位置上的二維碼并顯示二維碼所代表的的文字信息。圖像識(shí)別、綠色購物、能量研究院這三個(gè)任務(wù)的共同點(diǎn)是利用攝像頭采集任務(wù)點(diǎn)的圖像信息。

如圖 5 所示，將兩塊2×4一號(hào)板結(jié)合在一起，利用緊配銷將4根長度最長的11孔直梁固定在板上，盡可能墊高中電機(jī)高度，使攝像頭距離待識(shí)別物塊一定距離，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)識(shí)別。利用U型梁和錐直齒輪結(jié)構(gòu)相結(jié)合帶動(dòng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)。將50軸插入中電機(jī)，中電機(jī)工作時(shí)將帶動(dòng)50軸及以其為軸的12半高錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)U型梁上與其嚙合的20半高錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，該齒輪能帶動(dòng)其左右連接的兩個(gè)90 度梁運(yùn)動(dòng)，最終使機(jī)械臂能夠上下轉(zhuǎn)動(dòng)，完成任務(wù)。此外，為保證能量塊在小車前進(jìn)和轉(zhuǎn)向過程中不滑落，將5×7 方形梁結(jié)合在兩根90 度梁后端，90度梁高于機(jī)械臂上端的其他梁結(jié)構(gòu)，能夠防止能量塊從左右兩側(cè)掉落。5×7方形梁能夠防止能量塊在小車加速時(shí)由于慣性從后掉落。在機(jī)械臂前端插入兩根長度較短的軸，并在軸前端連接90度聯(lián)軸器，這樣的鉤狀結(jié)構(gòu)能夠有效地增長機(jī)械臂的長度，保證物塊能夠被機(jī)械臂撥離平面，同時(shí)機(jī)械臂不撥下旁邊的其他物塊。

（2）放置能量堆芯，植樹造林任務(wù)機(jī)械臂

利用緊配銷將2×4一號(hào)板以垂直于中電機(jī)平面的方式與電機(jī)孔位結(jié)合，適當(dāng)增高電機(jī)所在高度，保證能量球能夠被精準(zhǔn)投入框內(nèi)。如圖 6 所示，用緊配銷和梁結(jié)構(gòu)將126度4×6梁固定在電機(jī)頂部，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為巧妙，能讓小車在巡線過程中順帶完成任務(wù)。當(dāng)小車到達(dá)能量堆芯附近時(shí)，電機(jī)差速轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)使小車加速左轉(zhuǎn)，進(jìn)而使電機(jī)上方的梁向左撞擊密鑰手桿，能量堆芯掉入目標(biāo)區(qū)域。利用兩個(gè)3×5 90度梁與3倍緊配銷結(jié)合，組成收納能量球的框架，并在框架左右兩邊用3孔梁進(jìn)行加固，防止運(yùn)動(dòng)過程中小球掉落。采取與圖像識(shí)別機(jī)械臂相同的方式帶動(dòng)機(jī)械臂擺動(dòng)，即利用U型梁和錐直齒輪結(jié)構(gòu)相結(jié)合進(jìn)行傳動(dòng)。20半高錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能夠帶動(dòng)穿過其軸心的50軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使得裝載小球的框架下擺，完成放置小球的任務(wù)。

（3）巧取能源與采取能量塊任務(wù)機(jī)械臂搭建。

由于完成這兩個(gè)任務(wù)不需要機(jī)械臂進(jìn)行較為復(fù)雜的擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)操作，此機(jī)械臂設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，主要分為上部和下部兩個(gè)部分，如圖 7所示，機(jī)械臂上部，兩根長度最長的直梁分別通過兩塊3×5 90度梁結(jié)合在一塊5×7方形梁的兩端。兩塊5×7方形梁后端通過緊配銷左右對(duì)稱地結(jié)合在與直梁結(jié)合的方形梁兩端，前端結(jié)合由兩根11孔直梁和3孔 直梁構(gòu)成的簡單梁結(jié)構(gòu)。兩塊方形梁可在小車前行時(shí)推動(dòng)活動(dòng)推桿，完成采集能量塊任務(wù)。較長直梁用于在巧取能源任務(wù)中打開下部解鎖裝置，而較短梁則能解決了能量塊下落時(shí)被卡住無法落入機(jī)械臂的問題。機(jī)械臂下部結(jié)構(gòu)全部采用梁搭建，由直梁和兩根126度梁構(gòu)成裝載能量塊的平面，有效防止了小車轉(zhuǎn)彎時(shí)能量塊從旁側(cè)滑出的問題。

（4）收集能量球任務(wù)機(jī)械臂

該機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖8 所示，采用20聯(lián)軸器將80軸固定在方形梁前端中間位置，利用90度聯(lián)軸器連接該軸與50軸，在50軸的另一端插入1個(gè)90度聯(lián)軸器，形成鉤狀結(jié)構(gòu)。采用大電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)，將兩個(gè)3×5的90度直角梁固定在大電機(jī)左右兩側(cè)，用緊配銷將方形梁與兩個(gè)直角梁結(jié)合，小車行駛到任務(wù)地點(diǎn)附近時(shí)，方形梁對(duì)齊小球所在平臺(tái)，在小車前行的過程中推動(dòng)平臺(tái)后移。待小球下落后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)便可帶動(dòng)方形梁上方的鉤型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而鉤住能量框，將其帶回基地[8]。

4 實(shí)踐平臺(tái)對(duì)大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)的促進(jìn)作用

大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽、科技立項(xiàng)等各類科技創(chuàng)新活動(dòng)，對(duì)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)具有極其重要的作用，且大多數(shù)競(jìng)賽中都包含了程序設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)，并且占比有越來越大的趨勢(shì)。除了培養(yǎng)學(xué)生的編程技能之外，編程教育還可以培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，促進(jìn)其溝通合作和創(chuàng)新技能的發(fā)展。

該創(chuàng)新教育平臺(tái)不僅使得有創(chuàng)新和實(shí)踐想法的學(xué)生有地可去、有事可做，而且為我院的大學(xué)生科研創(chuàng)新基地開放注入了新的內(nèi)容和活力。2017年以來，該創(chuàng)新教育平臺(tái)培育了一批學(xué)生，在智能汽車競(jìng)賽、機(jī)器人創(chuàng)意大賽、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等各類省部級(jí)科技創(chuàng)新競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)50余項(xiàng)，并且學(xué)生們積極申報(bào)各類科技項(xiàng)目。該創(chuàng)新教育平臺(tái)不但可以降低同學(xué)們的學(xué)習(xí)門檻，提升學(xué)習(xí)效率，而且對(duì)各類學(xué)科競(jìng)賽、科技立項(xiàng)等有較好的支撐作用，大大提高同學(xué)們參與科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的積極性，氛圍日漸濃厚，整體創(chuàng)新能力得到了顯著提升[9]。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】