基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智能機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

朱通

（天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院，天津 300400）

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，給課程教學(xué)帶來(lái)了很多的新工具、新方法，進(jìn)一步豐富了教學(xué)內(nèi)容，如何更好地運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)提升教學(xué)成效，成為當(dāng)前相關(guān)專業(yè)教師面臨的重要課題[1-2]。在智能課程教學(xué)方面目前依然存在以下兩點(diǎn)不足：①學(xué)生創(chuàng)新思維不足。目前對(duì)智能課程的教學(xué)而言，大多采用教師演示的方式完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們?nèi)狈⑺胱優(yōu)楝F(xiàn)實(shí)的自主性，導(dǎo)致教師很難激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和自主性學(xué)習(xí)。②學(xué)習(xí)平臺(tái)有限。隨著科技的發(fā)展，需要將越來(lái)越新的知識(shí)補(bǔ)充到課程教學(xué)過(guò)程中。目前由于采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足以滿足當(dāng)今快速發(fā)展的需求，因此在教學(xué)過(guò)程中加入新的技能知識(shí)尤為重要。綜上，可以看出加強(qiáng)新時(shí)期“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下智能機(jī)器課程研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3-4]。

“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，智能機(jī)器人課程開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)需要結(jié)合實(shí)際，以學(xué)生為中心，從課程設(shè)計(jì)、教學(xué)開(kāi)展與評(píng)價(jià)等方面不斷創(chuàng)新，這樣才能更好地提升教學(xué)有效性，更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，在潛移默化中鍛煉學(xué)生思維與技能，提升學(xué)生綜合素養(yǎng)，使學(xué)生更好地適應(yīng)未來(lái)社會(huì)發(fā)展需求[5]。

本設(shè)計(jì)平臺(tái)通過(guò)采用當(dāng)今人工智能教育的方式為各個(gè)階段對(duì)智能機(jī)器人感興趣的學(xué)生提供學(xué)習(xí)平臺(tái)，為教師們提供教學(xué)演示平臺(tái)，符合當(dāng)今“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展形勢(shì)。本平臺(tái)主要有教學(xué)演示模塊、傳感器認(rèn)知模塊、圖形化編程模塊、自主開(kāi)發(fā)模塊以及3D打印模塊，為不同階段學(xué)生提供個(gè)性化與差異化的自主學(xué)習(xí)平臺(tái)。同時(shí)，采用互聯(lián)方式，可以在各種設(shè)備上進(jìn)行學(xué)習(xí)，滿足各個(gè)層次的學(xué)生需求。

1 教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

智能機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)是基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智能教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供即時(shí)、有效、全面且針對(duì)性的學(xué)習(xí)、診斷。涵蓋優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，用戶可進(jìn)行智能機(jī)器人相關(guān)工作原理講解、圖形化編程控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、與教師進(jìn)行在線交流答疑、用戶集體討論共享資源等操作。在互聯(lián)網(wǎng)信息通訊高度發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會(huì)，智能機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)包括海量機(jī)器人示例、視頻輔導(dǎo)、針對(duì)性教學(xué)等特色功能，是更精準(zhǔn)、更即時(shí)、更有效地進(jìn)行學(xué)習(xí)的智能教學(xué)系統(tǒng)，能為對(duì)智能機(jī)器人有濃厚興趣的愛(ài)好者提供一個(gè)自主學(xué)習(xí)的平臺(tái)，是提高教學(xué)效率、學(xué)習(xí)效率的主流方式。在人工智能技術(shù)發(fā)展的今天，為廣大的用戶提供了一個(gè)學(xué)習(xí)智能機(jī)器人的方法。

1.1 實(shí)現(xiàn)功能

智能機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)是一個(gè)集環(huán)境感知與通信、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行、人機(jī)交互及教學(xué)演示等多功能于一體的綜合教學(xué)演示系統(tǒng)。它集中了傳感器技術(shù)、信息處理、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)化控制工程等多學(xué)科的研究成果。下面對(duì)其實(shí)現(xiàn)的部分功能進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述[6-7]。

1.1.1 環(huán)境感知與通信

智能機(jī)器人能夠通過(guò)搭載超聲波模塊、OpenMv模塊、紅外光電對(duì)管、溫濕度感知模塊、Wi-Fi模塊、藍(lán)牙模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元等傳感器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行識(shí)別，智能機(jī)器人主控制器可以對(duì)識(shí)別信息進(jìn)行處理得到相應(yīng)的環(huán)境信息以完成感知功能；利用Wi-Fi模塊與GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元智能機(jī)器人可以將環(huán)境信息傳遞到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，并通過(guò)監(jiān)控裝置實(shí)時(shí)展示；利用藍(lán)牙模塊智能機(jī)器人可以與手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備相連，通過(guò)移動(dòng)客戶端對(duì)智能機(jī)器人進(jìn)行管理與控制[8-9]。

1.1.2 動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃

智能機(jī)器人主控制器能夠?qū)Λ@取到的各類信息如傳感器檢測(cè)信息、智能機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)等信息進(jìn)行合理分類，并對(duì)不同類別的信息作出實(shí)時(shí)反應(yīng)。如避障循跡模式下智能機(jī)器人主控制器能夠及時(shí)處理傳感器檢測(cè)到的路面信息，識(shí)別出前進(jìn)道路上的障礙并下達(dá)避讓指令，識(shí)別出地上的軌跡并下達(dá)循跡指令。教學(xué)演示模式下智能機(jī)器人主控制器能夠定時(shí)下達(dá)自檢指令以獲取運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)判斷是否出現(xiàn)故障，定時(shí)下達(dá)數(shù)據(jù)傳輸指令回傳機(jī)器人狀態(tài)信息；同時(shí)可以接收監(jiān)控設(shè)備或移動(dòng)客戶端發(fā)出的實(shí)時(shí)編程控制指令，并下達(dá)相應(yīng)功能指令以完成教學(xué)展示功能。

1.1.3 行為控制與執(zhí)行

智能機(jī)器人搭載的主控制器可以根據(jù)設(shè)定程序在不同工作環(huán)境及模式下對(duì)被控器件下達(dá)指令。接收信息的被控器件如超聲波模塊、OpenMv模塊等傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知功能，負(fù)責(zé)智能機(jī)器人行動(dòng)的電機(jī)以及控制傳感器方向位置的舵機(jī)實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的行為運(yùn)動(dòng)功能。

1.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

本平臺(tái)主要包含教學(xué)示范模塊、理論知識(shí)學(xué)習(xí)模塊、實(shí)踐操作指導(dǎo)模塊、在線答疑模塊、集體討論專區(qū)、文件服務(wù)模塊、傳感器認(rèn)知模塊、圖形化編程模塊、自主開(kāi)發(fā)模塊以及3D打印模塊，以滿足不同用戶的需求。

教學(xué)示范：通過(guò)教學(xué)視頻以及遠(yuǎn)程交互的方式實(shí)現(xiàn)用戶之間的交流、溝通與學(xué)習(xí)。本模塊中有提前錄制好的教學(xué)視頻，包括理論知識(shí)教學(xué)和實(shí)踐操作指導(dǎo)2個(gè)部分。

理論知識(shí)模塊：智能機(jī)器人的基本概念、定義與特性、組成和工作原理、關(guān)鍵技術(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、感覺(jué)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、多傳感器信息融合技術(shù)、智能機(jī)器人的相關(guān)示例等章節(jié)。每一章具有相關(guān)習(xí)題，方便學(xué)生鞏固知識(shí)，加深理解。

實(shí)踐操作指導(dǎo)模塊：智能機(jī)器人機(jī)構(gòu)的組裝與調(diào)試、感知系統(tǒng)的組裝與調(diào)試、控制系統(tǒng)的組裝與調(diào)試、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的組裝與調(diào)試以及軟件中圖形化編程的教學(xué)。

在線答疑模塊：為了提高教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生還可以通過(guò)文字、聲音等形式與教師進(jìn)行在線的溝通與交流。

集體討論專區(qū)：平臺(tái)中有一單獨(dú)的討論模塊，用戶參與討論，通過(guò)文字、圖畫(huà)、聲音等方式進(jìn)行溝通與交流，管理員為最高權(quán)限人，可以對(duì)用戶的發(fā)言進(jìn)行控制。

文件服務(wù)模塊：學(xué)生可以查看、上傳或下載平臺(tái)上教師分享的文件，也可以在討論區(qū)共享文件。

傳感器認(rèn)知模塊：該模塊通過(guò)對(duì)智能機(jī)器人所用傳感器的介紹，包括對(duì)位置角度傳感器、速度和角速度傳感器、加速度和角加速度傳感器、姿態(tài)角的檢測(cè)傳感器、觸覺(jué)與接近傳感器、測(cè)距傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、視覺(jué)傳感器、導(dǎo)航相關(guān)傳感器等傳感器的認(rèn)識(shí)和使用教程，讓用戶更加清晰地認(rèn)識(shí)各個(gè)模塊，該模塊還可以對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行選型等操作。

圖形化編程模塊：用戶從封裝好的編程語(yǔ)句庫(kù)中選擇自己需要的語(yǔ)句，拖到編程主界面中，設(shè)計(jì)一種“卡扣”結(jié)構(gòu)，使語(yǔ)句每一條語(yǔ)句可以連接起來(lái)，保證程序?qū)崿F(xiàn)順序執(zhí)行，該模塊符合當(dāng)今“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展趨勢(shì)，降低了編程的難度，讓每位用戶能夠自主進(jìn)行簡(jiǎn)單編程操作，可滿足各個(gè)階段用戶的需求。

自主開(kāi)發(fā)模塊：針對(duì)自己創(chuàng)新想法，可通過(guò)該模塊進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，滿足自身的特殊需求，從而激發(fā)每位用戶的興趣，提升智能化水平。

3D打印模塊：用戶可以自行打印模型，供硬件所用，通過(guò)界面提交遠(yuǎn)程操控3D打印機(jī)進(jìn)行打印。

2 實(shí)例驗(yàn)證

本文以基于OpenMv的小球識(shí)別實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)智能機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)研究。

2.1 項(xiàng)目任務(wù)

本實(shí)驗(yàn)主要完成小車上電之后，小球信息通過(guò)OpenMv模塊傳給Arduino主控板，控制小車進(jìn)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作，使小車靠近小球，距離小球10 cm時(shí)小車停止運(yùn)動(dòng)。

2.2 項(xiàng)目準(zhǔn)備

在該實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)涉及到的相關(guān)傳感器、整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)理論知識(shí)進(jìn)行深入掌握。該平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)前采用思維導(dǎo)圖形式，對(duì)所涉及知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行列舉，學(xué)生可以點(diǎn)擊相關(guān)模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的學(xué)習(xí)。

實(shí)驗(yàn)用具：已搭建好的小車1輛（可采用設(shè)計(jì)軟件自行進(jìn)行小車車體的設(shè)計(jì)，通過(guò)3D打印完成機(jī)體的設(shè)計(jì)）、Arduino主控板1個(gè)、拓展板1個(gè)、OpenMv模塊1個(gè)以及導(dǎo)線若干。OpenMv模塊如圖1所示。

圖1 OpenMv模塊

2.3 項(xiàng)目原理討論

采用團(tuán)隊(duì)討論與動(dòng)畫(huà)講解等形式完成該項(xiàng)目原理的討論。原理如下：小球顏色信息可在LAB顏色空間中表示，經(jīng)OpenMv模塊處理后，可以將小球顏色信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒畔ⅲ鳛锳rduino主控板的輸入信息。當(dāng)小球在小車正前方時(shí)，小車前進(jìn)；當(dāng)小球在小車左側(cè)時(shí)，小車左轉(zhuǎn)；當(dāng)小球在小車右側(cè)時(shí)，小車右轉(zhuǎn)，這樣就可以使小球始終在小車視野正前方，進(jìn)而逐步靠近小球，如圖2所示。

圖2 小車運(yùn)動(dòng)模式

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

2.4.1 硬件組裝

將OpenMv模塊與Arduino主控板的接線進(jìn)行再次檢查：OpenMv模塊的P6引腳接到拓展板的A0引腳，OpenMv模塊的GND接到拓展板的GND引腳，OpenMv模塊的Vcc接到拓展板的3.3 V引腳。

2.4.2 程序編寫

對(duì)傳感器、項(xiàng)目原理等相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)完畢，可以采用圖形化編程軟件完成程序設(shè)計(jì)。打開(kāi)Mixly軟件，進(jìn)入圖形化編程主界面，可以自行進(jìn)行相關(guān)程序設(shè)計(jì)。編程界面如圖3所示。

圖3 編程界面

3 結(jié)語(yǔ)

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智能機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)可以有效幫助學(xué)生對(duì)智能機(jī)器人涉及知識(shí)進(jìn)行鞏固提升。動(dòng)手式、項(xiàng)目式的教學(xué)模式更加能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生將思想變成現(xiàn)實(shí)，真正做到以學(xué)生為中心。該平臺(tái)可以在教學(xué)、機(jī)器人競(jìng)賽訓(xùn)練等都有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以大大提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率，為不同智能機(jī)器人掌握程度的學(xué)生提供學(xué)習(xí)平臺(tái)。