软硬结合,教学乐高智能机器人

第PAGE\*MERGEFORMAT#页共7页第PAGE\*MERGEFORMAT#页共7页课改论坛软硬结合，教学乐高智能机器人无锡市安镇实验小学邹卫华机器人是一门非常受老师和学生欢迎的课程，当前公认最富教学意义的机器人首推乐高品牌的“头脑风暴”教育机器人，笔者在乐高机器人教学过程中深深体会到机器人教学应该注重软硬兼顾。故撰文，试阐述一下对“硬件搭建”与“软件编写”两方面意义的认识，并提几点教学建议，以供同行商榷。一、硬件搭建的一点认识与三点教学建议（一）一点认识一一结构搭建的重要性国内诸多机器人厂家的机器产品对搭建存在严重忽视的现象。或是不提供搭建积木、以成形产品的方式出现；或是提供几样统一的器件，让玩家自行按图组装一下。很多时候，老师与学生也会比较重视程序的编写，而不太重视对机器人硬体的构造。然而，皮之不存，毛将焉附。若说程序是机器人的灵魂，那么，结构就是机器人的躯体。再灵活的程序也不是孙悟空的意愿，能随心所欲七十二变。程序的目的必须依赖于机器人现有的构造来实现。一个灵巧、实用的构造体，是机器人的物质基础。当然在实际教学机器人的过程中，我们不可能、也没必要专门制作或生产一种针对某一任务的机械构造，完全可以采用种种形状的积件来搭配起需要的形状。即使一些比较复杂的传动装置，能搭建即搭建，为实现机器人完成任务而搭建出一个需要的形体装置。这不仅是为了节约成本，更是为了在搭建中培养学生的形象思维、空间思维。“乐高”品牌的机器人产品中就有“搭建积木”，积木中提供了“梁、块、板、桥、塔、轮、链……”其有以下特点：1、积木坚固耐用，耐磨损，不易变形，并以不同色彩来区别。同时颜色鲜艳，吸引学生的注意力。2、每个积木都是按标准的乐高单位生产，精度公差仅为5毫米，积木搭建松紧适度。例如把3块乐高板叠起来正好等于一个块的高度。3、可扩展，创意组合性强，2块相同颜色的2*4乐高积木共有17种搭建的可能，8块相同颜色的2*4乐高积木则有102981500种搭建可能。所以，只要能发挥想象力，就能搭出无数种支撑结构、传动结构。正所谓“智慧出在手指尖上”，学生在完善模型的结构搭建中，将涉及到物理学中的力学、运动学、机械学，以及数学中的几何学等，学生可以从中学习到结构、运动、力、稳定性与负重等知识。只有在搭建中让学生形象感知，才能比较深入的理解以上知识，并进行现实运用。这种教学效果也是一般的物理课堂、数学课堂所达成不到的。正如乐高“头脑风暴”机器人创始人米切尔•瑞斯尼克博士认为：唯一能限制这套玩具发展的，就是你的想象力。这或许也说明了搭建的魅力。（二）三点教学建议：1、学会搭建机器人的“身躯”一一坚固的主体虽然乐高积木能搭出任意形状的机器人身躯，但我想，不管是任何一种机器人，其主体的稳固性应该是第一位的，这是机器人完成任务最基本的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。然而乐高的积木模型也存在着一个很大的缺陷――结构搭建不稳固的话，容易散架。这就促使学生要去钻研机械的支撑结构，想办法使其结构牢固。在实际教学中，往往出现这样的情况，学生搭出的机器人很漂亮、很有创意，却常会掉胳膊掉腿，或一碰就散架。这就非常需要老师指点一些稳定性结构的方法。以下三个是比较好的解决方法：一是善用“梁”，这是最常用的一种方式，例如图1显示了许多梁的连接方法。二是使用连接两个或两个以上的突点来拼接，如图2,左边仅连接一个突点的结构（左）会导致结构扭曲变形。三是加固时用黑色紧配合销，学生会因颜色的缘故，常选择使用直径较小的彩色销，但实际应采用直径最大的黑色销来进行固定。图1梁的连接方法图2突点拼接法2、学会搭建机器人的“脚”一一灵活的传动装置传动装置是机器结构中最灵活的构建，是机器人“动”起来的第一步。乐高积木中提供了齿轮、轴、涡杆、滑轮、链等部件，合理巧妙地组合这件部件，能让机器人实现各作动作。教学中，“组合”是关键，需指出的是，有时没有必要一本正经让学生去深刻理解各类运动部件中的数理分析，例如相互啮合二齿轮之间的扭矩和角速度的等式关系等。我们可以通过反复拼装试验,实现“加速”，反之,让学生逐渐感知这些组合实现的传动效果。例如，如果用大齿轮带动小齿轮当一个小齿轮带动一个大齿轮，实现“减速”。让学生在实践中明白齿轮用于改变曲轴或轴间转动速度和扭矩：小齿轮带大齿增加扭力降低速度，适用于爬坡等，大齿带小齿增加速度减小扭力，适用于竞速等。另外，让学生明白一些较特殊的传动方式：例如涡杆可以把圆周运动变为直线运动；涡轮适用于大比例减速力矩的场合，还有它的“自锁”功能可以驱动小齿轮（正齿轮）,但是小齿轮不能驱动涡轮；链可以增大受力面，加大摩擦力，防止打滑等。明白了这些功能，学生会实现种种传动效果，常常出乎老师所料。值得指出的是，精通齿轮和轴，对于搭建乐高机器人是非常有帮助的。3、学会搭建机器人的“手”一一灵巧的机械爪（臂）如果说有“脚”，是机器人实现类人运动的第一步，那么有了“手”，才是机器人模仿人类完成如“抓取”等动作的关键一步。由于机械爪（臂）的搭建方法的陈述颇有难度，下面就直接选用《基于乐高组件和ROBOLA软件的工程教学》一 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 中介绍的几个爪，以示窥一斑见全豹，若老师与同学们有兴趣，可详见此书介绍。剪刀爪基本夹子这是一个典型的夹子，使用一个齿轮或凸轮，由马达驱动，控制其打开、关闭。这个爪采用了经典的剪切机械结构，由一个40齿齿轮来驱动。改变杆形臂长度将会影响爪的张开幅度。第PAGE\*MERGEFORMAT#页共7页第PAGE\*MERGEFORMAT#页共7页涡杆爪这个爪由涡杆来驱动。两个24齿轮保持上下两个爪能够同步。由于减速较大，此爪可以产生很大的抓取力，可能会把物体弄坏！偏心爪偏心爪用橡皮圈使钳夹保持张开的状态，投掷臂被销限位不让钳夹张得太大。偏心爪在触发机构按下时关闭，它先使上夹略微旋转，然后橡皮圈猛的将钳夹合上。值得指出的是，机械爪（臂）一般都是根据杠杆原理来搭建。在指导学生搭建时，应先让学生仔细分析实现任务所需要的抓取力的三个要素：运动方向、作用点和力的大小，然后再根据杠杆原理来 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 合适的爪。不能盲目搭建，应在思考中实践，这样才有助于培养学生在感性的搭建中对“力学”的理性认知。二、对智能化程序编写的一点认识与三点建议（一）一点认识一一非线性智能程序的重要性程序是机器人的灵魂、思想，是实现人工智能的核心。在给学生教学机器人程序编写时，我们往往是从最简单的线性程序编写入手，比如完成一个或多个任务时，从任务开始至结束，都是一线贯之。这种程序简单，执行时不容易出现错误。但长期执行这种编程思想的话，不利于学生真正掌握编写智能化的程序。所谓“智能化”的机器人，是机器人在未知环境下能相机、随时地处理各种任务，这种任务处理往往会是选择性执行，或是并行性执行。这就使得处理任务的先后顺序不是线性的，而是非线性的。所以，非线性程序，才是智能机器人活的灵魂。为培养学生非线性编程能力，在学生了解了ROBOLA的命令，有了一些编写线性程序的基础后，就应指导学生转变编程思想，学习编写非线性的程序。编程之前，教师应让学生对机器人处理任务时面临的种种可能性进行预测评估，让他们尽可能预测所有可能性，然后把想到的“可能”进行分类，把每类“可能”定义为一种任务，分别制定最有效的策略来应对处理，编写处理的具体子程序。同时，在程序代码上把每个任务子程序的启动赋予触发事件。具体的编写技巧上要善用“循环”、“跳转”、“子程序”来创建子程序体，使程序高效简洁，善用“分支”、“任务”命令来分解任务、并联子程序体，使程序灵活智能。另外，非线性程序编写时，离不开基于传感器的行为编程设计。我们在让学生编写非线性程序时，某个具体任务子程序的触发，最好是应用传感器。以不同类别的传感器返回的值来触发不同类别的任务子程序，这样就能实现机器人探测和处理多目标的控制任务，模仿人类探索未知环境的过程。总之，在任务分解及整体系统设计上，要善用非线性编写法、善用基于传感器的行为编程设计，以此来应对多任务多情况。这样的程序编写思想，有利于培养学生多向思维，全向思维，这样，学生编写出来的程序就“活”起来了，机器人也就“智能”起来了！当然，我们的学生也就“聪明”起来了！（二）三点教学建议：1、善用“跳转、循环、子程序”，体验“程序”的高效！“循环”是编程中避免写出冗长、重复的线性程序的一个重要方法。教学中可以指导学生使用“跳转”或“循环”命令来创建程序循环体，把需要重复执行的程序段作为循环体来执行，让程序变得简练高效，让学生初步感知到机器人程序能帮助人类摆脱重复劳动，从而爱上编写程序。对于在程序的不同阶段中常常被使用到某一段代码，我们应该要求学生用“定义子程序”、“调用子程序”的方法来实现。让学生体验到编写程序时的快捷与方便。如下图，这是ROBOLA的两段程序，它们是在做同一件事，但显然上段一段程序更简洁。M1MiLEgKJ二IEE1]imt-AchEubmjtftMM«dkMsownxtopbght|ti忖■丈FaiQhE|程序中的“分支”执行，是让机器人迈向“智能化”关键一步。和绝大部分程序语言中的If-Then-Else语句一样，遇到一个分支时，程序将选择两条“路径”之一执行，这就让机器人有了像人一样选择的“智商”。（如果再配合“跳转”命令，在分支间跳转执行程序，那么这个机器人的“智商”就更高一层了。）在教学中，一方面，我们要让学生学会思考机器人面临的“可能性”，用“分支”编写出不同可能性的不同程序段。另一方面，我们要培养学生思考处理“选择”的“判断”标准，这个判断，往往是来自机器人对外界环境因素的“感知”，也就是传感器返回的值。信息时代某种意义上来说就是传感器的时代。传感器就像是人的感觉器官，是机器人的感觉系统,它能为机器人程序获取外界的各类数据信息，现如今开发供机器人使用的传感器种类繁多，如：光电传感器、声音传感器、温湿传感器、触动传感器、红外传感器、角度传感器、等等。每种传感器上都配有模数转换部件，以便将采集到的各种模拟量转换成计算机能处理的数字量。这些数字量，往往使用容器的命令来处理，容器就相当是程序中的全局变量，也是机器人编程中最常用的命令。只有让学生善用容器值来进行门限值判断、选择分支，才能使得程序灵活起来，机器人变得聪明起来！3、善用“事件、任务分裂”，体验“程序”的多能用“分支”选择性执行程序，还依旧是较低层次的智能。机器人要具备类人一样较高级的智慧,还得拥有同时处理不同任务的能力。这就需要我们为机器人编写多任务并行处理的程序，而且各个任务程序之间互不干扰、冲突，能协调执行。在ROBOLA中使用“任务分裂”命令，可以实现同时运行两个不同的程序。运用多个“任务分裂”，则就能实现并行处理多个任务。这里要对学生需要强调的是：虽然程序能多个任务并行处理，但当两个或多个任务程序共享同样的硬件资源时，就会造成硬件冲突。比如一个任务程序要让马达A正转，而另一个任务在同一时刻告诉它反转，那么就会发生不可预知的错误。一定要培养学生检视任务分裂的程序，确保任务不在同一时刻争抢同一资源来避免冲突。编写任务分裂程序本身很简单，难点在于编写事件模块。第一是设置事件。还是要善用传感器值，我们指导学生设定事件源，要善用从传感器获取到的数值来设定，而非是人为预定的一个值。这样，机器人就能根据现实环境来自我调整、在未知情况下进行各种动作的自我规划。第二是监视事件。学生往往学会设置事件后，不知道监视事件，这就无法控制事件的触发。所以在教学中，更重要的是培养学生启动监视事件，尤其是事件着陆后，如果还要继续事件触发，则还要重启事件监视。监视事件触发，正是机器人自动控制的核心理念之一，自然也是我们对学生培养的重点理念。注：参考文献《基于乐高组件和ROBOLA软件的工程教学》；本文所有插图均来自《基于乐高组件和ROBOLA软件的工程教学》。