軟硬結合,教學樂高智能機器人

1、課 改 論 壇軟硬結合，教學樂高智能機器人無錫市安鎮(zhèn)實驗小學鄒衛(wèi)華機器人是一門非常受老師和學生歡迎的課程，當前公認最富教學意義的機器人首推樂高品牌的“頭腦風暴”教育機器人，筆者在樂高機器人教學過程中深深體會到機器人教學應該注重軟硬兼顧。故撰文，試闡述一下對“硬件搭建”與“軟件編寫”兩方面意義的認識，并提幾點教學建議，以供同行商榷。一、硬件搭建的一點認識與三點教學建議（一）一點認識結構搭建的重要性國內諸多機器人廠家的機器產品對搭建存在嚴重忽視的現(xiàn)象?；蚴遣惶峁┐罱ǚe木、以成形產品的方式出現(xiàn)；或是提供幾樣統(tǒng)一的器件，讓玩家自行按圖組裝一下。很多時候，老師與學生也會比較重視程序的編寫，而不太重視對機

2、器人硬體的構造。 然而，皮之不存，毛將焉附。若說程序是機器人的靈魂，那么，結構就是機器人的軀體。再靈活的程序也不是孫悟空的意愿，能隨心所欲七十二變。程序的目的必須依賴于機器人現(xiàn)有的構造來實現(xiàn)。一個靈巧、實用的構造體，是機器人的物質基礎。 當然在實際教學機器人的過程中，我們不可能、也沒必要專門制作或生產一種針對某一任務的機械構造，完全可以采用種種形狀的積件來搭配起需要的形狀。即使一些比較復雜的傳動裝置，能搭建即搭建，為實現(xiàn)機器人完成任務而搭建出一個需要的形體裝置。這不僅是為了節(jié)約成本，更是為了在搭建中培養(yǎng)學生的形象思維、空間思維。 “樂高”品牌的機器人產品中就有“搭建積木”，積木中提供了“梁、塊

3、、板、橋、塔、輪、鏈”其有以下特點：1、積木堅固耐用，耐磨損，不易變形，并以不同色彩來區(qū)別。同時顏色鮮艷，吸引學生的注意力。2、每個積木都是按標準的樂高單位生產，精度公差僅為5毫米，積木搭建松緊適度。例如把3塊樂高板疊起來正好等于一個塊的高度。3、可擴展，創(chuàng)意組合性強，2塊相同顏色的2*4樂高積木共有17種搭建的可能，8塊相同顏色的2*4樂高積木則有102981500種搭建可能。所以，只要能發(fā)揮想象力，就能搭出無數(shù)種支撐結構、傳動結構。正所謂“智慧出在手指尖上”，學生在完善模型的結構搭建中，將涉及到物理學中的力學、運動學、機械學，以及數(shù)學中的幾何學等，學生可以從中學習到結構、運動、力、穩(wěn)定性與

4、負重等知識。只有在搭建中讓學生形象感知，才能比較深入的理解以上知識，并進行現(xiàn)實運用。這種教學效果也是一般的物理課堂、數(shù)學課堂所達成不到的。正如樂高“頭腦風暴”機器人創(chuàng)始人米切爾瑞斯尼克博士認為：唯一能限制這套玩具發(fā)展的，就是你的想象力。這或許也說明了搭建的魅力。（二）三點教學建議：1、學會搭建機器人的“身軀”堅固的主體雖然樂高積木能搭出任意形狀的機器人身軀，但我想，不管是任何一種機器人，其主體的穩(wěn)固性應該是第一位的，這是機器人完成任務最基本的要求。然而樂高的積木模型也存在著一個很大的缺陷結構搭建不穩(wěn)固的話，容易散架。這就促使學生要去鉆研機械的支撐結構，想辦法使其結構牢固。在實際教學中，往往出現(xiàn)

5、這樣的情況，學生搭出的機器人很漂亮、很有創(chuàng)意，卻常會掉胳膊掉腿，或一碰就散架。這就非常需要老師指點一些穩(wěn)定性結構的方法。以下三個是比較好的解決方法：一是善用“梁”，這是最常用的一種方式，例如圖1顯示了許多梁的連接方法。二是使用連接兩個或兩個以上的突點來拼接，如圖2，左邊僅連接一個突點的結構（左）會導致結構扭曲變形。三是加固時用黑色緊配合銷，學生會因顏色的緣故，常選擇使用直徑較小的彩色銷，但實際應采用直徑最大的黑色銷來進行固定。圖1 梁的連接方法圖2 突點拼接法2、學會搭建機器人的“腳”靈活的傳動裝置傳動裝置是機器結構中最靈活的構建，是機器人“動”起來的第一步。樂高積木中提供了齒輪、軸、渦桿、滑

6、輪、鏈等部件，合理巧妙地組合這件部件，能讓機器人實現(xiàn)各作動作。教學中，“組合”是關鍵，需指出的是，有時沒有必要一本正經(jīng)讓學生去深刻理解各類運動部件中的數(shù)理分析，例如相互嚙合二齒輪之間的扭矩和角速度的等式關系等。我們可以通過反復拼裝試驗，讓學生逐漸感知這些組合實現(xiàn)的傳動效果。例如，如果用大齒輪帶動小齒輪, 實現(xiàn)“加速”，反之，當一個小齒輪帶動一個大齒輪，實現(xiàn)“減速”。讓學生在實踐中明白齒輪用于改變曲軸或軸間轉動速度和扭矩：小齒輪帶大齒增加扭力降低速度，適用于爬坡等，大齒帶小齒增加速度減小扭力，適用于競速等。另外，讓學生明白一些較特殊的傳動方式：例如渦桿可以把圓周運動變?yōu)橹本€運動；渦輪適用于大比例

7、減速力矩的場合，還有它的“自鎖”功能可以驅動小齒輪(正齒輪), 但是小齒輪不能驅動渦輪；鏈可以增大受力面，加大摩擦力，防止打滑等。明白了這些功能，學生會實現(xiàn)種種傳動效果，常常出乎老師所料。值得指出的是，精通齒輪和軸，對于搭建樂高機器人是非常有幫助的。3、學會搭建機器人的“手”靈巧的機械爪（臂）如果說有“腳”，是機器人實現(xiàn)類人運動的第一步，那么有了“手”，才是機器人模仿人類完成如“抓取”等動作的關鍵一步。由于機械爪（臂）的搭建方法的陳述頗有難度，下面就直接選用基于樂高組件和ROBOLAB軟件的工程教學一書中介紹的幾個爪，以示窺一斑見全豹，若老師與同學們有興趣，可詳見此書介紹。 基本夾子這是一個典

8、型的夾子，使用一個齒輪或凸輪，由馬達驅動，控制其打開、關閉。剪刀爪這個爪采用了經(jīng)典的剪切機械結構，由一個40齒齒輪來驅動。改變桿形臂長度將會影響爪的張開幅度。渦桿爪這個爪由渦桿來驅動。兩個24齒輪保持上下兩個爪能夠同步。由于減速較大，此爪可以產生很大的抓取力，可能會把物體弄壞！偏心爪偏心爪用橡皮圈使鉗夾保持張開的狀態(tài)，投擲臂被銷限位不讓鉗夾張得太大。偏心爪在觸發(fā)機構按下時關閉，它先使上夾略微旋轉，然后橡皮圈猛的將鉗夾合上。值得指出的是，機械爪（臂）一般都是根據(jù)杠桿原理來搭建。在指導學生搭建時，應先讓學生仔細分析實現(xiàn)任務所需要的抓取力的三個要素：運動方向、作用點和力的大小，然后再根據(jù)杠桿原理來設

9、計合適的爪。不能盲目搭建，應在思考中實踐，這樣才有助于培養(yǎng)學生在感性的搭建中對“力學”的理性認知。二、對智能化程序編寫的一點認識與三點建議（一）一點認識非線性智能程序的重要性程序是機器人的靈魂、思想，是實現(xiàn)人工智能的核心。在給學生教學機器人程序編寫時，我們往往是從最簡單的線性程序編寫入手，比如完成一個或多個任務時，從任務開始至結束，都是一線貫之。這種程序簡單，執(zhí)行時不容易出現(xiàn)錯誤。但長期執(zhí)行這種編程思想的話，不利于學生真正掌握編寫智能化的程序。所謂“智能化”的機器人，是機器人在未知環(huán)境下能相機、隨時地處理各種任務，這種任務處理往往會是選擇性執(zhí)行，或是并行性執(zhí)行。這就使得處理任務的先后順序不是線

10、性的，而是非線性的。所以，非線性程序，才是智能機器人活的靈魂。為培養(yǎng)學生非線性編程能力，在學生了解了ROBOLAB的命令，有了一些編寫線性程序的基礎后，就應指導學生轉變編程思想，學習編寫非線性的程序。編程之前，教師應讓學生對機器人處理任務時面臨的種種可能性進行預測評估，讓他們盡可能預測所有可能性，然后把想到的“可能”進行分類，把每類“可能”定義為一種任務，分別制定最有效的策略來應對處理，編寫處理的具體子程序。同時，在程序代碼上把每個任務子程序的啟動賦予觸發(fā)事件。具體的編寫技巧上要善用“循環(huán)”、“跳轉”、“子程序”來創(chuàng)建子程序體，使程序高效簡潔，善用“分支”、“任務”命令來分解任務、并聯(lián)子程序體

11、，使程序靈活智能。另外，非線性程序編寫時，離不開基于傳感器的行為編程設計。我們在讓學生編寫非線性程序時，某個具體任務子程序的觸發(fā)，最好是應用傳感器。以不同類別的傳感器返回的值來觸發(fā)不同類別的任務子程序，這樣就能實現(xiàn)機器人探測和處理多目標的控制任務，模仿人類探索未知環(huán)境的過程?？傊谌蝿辗纸饧罢w系統(tǒng)設計上，要善用非線性編寫法、善用基于傳感器的行為編程設計，以此來應對多任務多情況。這樣的程序編寫思想，有利于培養(yǎng)學生多向思維，全向思維，這樣，學生編寫出來的程序就“活”起來了，機器人也就“智能”起來了！當然，我們的學生也就“聰明”起來了?。ǘ┤c教學建議：1、善用“跳轉、循環(huán)、子程序”，體驗“程

12、序”的高效！“循環(huán)”是編程中避免寫出冗長、重復的線性程序的一個重要方法。教學中可以指導學生使用“跳轉”或“循環(huán)”命令來創(chuàng)建程序循環(huán)體，把需要重復執(zhí)行的程序段作為循環(huán)體來執(zhí)行，讓程序變得簡練高效，讓學生初步感知到機器人程序能幫助人類擺脫重復勞動，從而愛上編寫程序。對于在程序的不同階段中常常被使用到某一段代碼，我們應該要求學生用“定義子程序”、“調用子程序”的方法來實現(xiàn)。讓學生體驗到編寫程序時的快捷與方便。如下圖，這是ROBOLAB的兩段程序，它們是在做同一件事，但顯然上段一段程序更簡潔。2、善用“分支、判斷、容器”，體驗“程序”的智能！程序中的“分支”執(zhí)行，是讓機器人邁向“智能化”關鍵一步。和絕

13、大部分程序語言中的If-Then-Else語句一樣，遇到一個分支時，程序將選擇兩條“路徑”之一執(zhí)行，這就讓機器人有了像人一樣選擇的“智商”。（如果再配合“跳轉”命令，在分支間跳轉執(zhí)行程序，那么這個機器人的“智商”就更高一層了。）在教學中，一方面，我們要讓學生學會思考機器人面臨的“可能性”，用“分支”編寫出不同可能性的不同程序段。另一方面，我們要培養(yǎng)學生思考處理“選擇”的“判斷”標準，這個判斷，往往是來自機器人對外界環(huán)境因素的“感知”，也就是傳感器返回的值。信息時代某種意義上來說就是傳感器的時代。傳感器就像是人的感覺器官，是機器人的感覺系統(tǒng)，它能為機器人程序獲取外界的各類數(shù)據(jù)信息，現(xiàn)如今開發(fā)供機

14、器人使用的傳感器種類繁多，如：光電傳感器、聲音傳感器、溫濕傳感器、觸動傳感器、紅外傳感器、角度傳感器、等等。每種傳感器上都配有模數(shù)轉換部件，以便將采集到的各種模擬量轉換成計算機能處理的數(shù)字量。這些數(shù)字量，往往使用容器的命令來處理，容器就相當是程序中的全局變量，也是機器人編程中最常用的命令。只有讓學生善用容器值來進行門限值判斷、選擇分支，才能使得程序靈活起來，機器人變得聰明起來！ 、善用“事件、任務分裂”，體驗“程序”的多能!用“分支”選擇性執(zhí)行程序，還依舊是較低層次的智能。機器人要具備類人一樣較高級的智慧，還得擁有同時處理不同任務的能力。這就需要我們?yōu)闄C器人編寫多任務并行處理的程序，而且各個任

15、務程序之間互不干擾、沖突，能協(xié)調執(zhí)行。在ROBOLAB中使用“任務分裂”命令，可以實現(xiàn)同時運行兩個不同的程序。運用多個“任務分裂”，則就能實現(xiàn)并行處理多個任務。這里要對學生需要強調的是：雖然程序能多個任務并行處理，但當兩個或多個任務程序共享同樣的硬件資源時，就會造成硬件沖突。比如一個任務程序要讓馬達A正轉，而另一個任務在同一時刻告訴它反轉，那么就會發(fā)生不可預知的錯誤。一定要培養(yǎng)學生檢視任務分裂的程序，確保任務不在同一時刻爭搶同一資源來避免沖突。編寫任務分裂程序本身很簡單，難點在于編寫事件模塊。第一是設置事件。還是要善用傳感器值，我們指導學生設定事件源，要善用從傳感器獲取到的數(shù)值來設定，而非是人為預定