軟硬結(jié)合,教學(xué)樂(lè)高智能機(jī)器人

1、課 改 論 壇軟硬結(jié)合，教學(xué)樂(lè)高智能機(jī)器人無(wú)錫市安鎮(zhèn)實(shí)驗(yàn)小學(xué)鄒衛(wèi)華機(jī)器人是一門非常受老師和學(xué)生歡迎的課程，當(dāng)前公認(rèn)最富教學(xué)意義的機(jī)器人首推樂(lè)高品牌的“頭腦風(fēng)暴”教育機(jī)器人，筆者在樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)過(guò)程中深深體會(huì)到機(jī)器人教學(xué)應(yīng)該注重軟硬兼顧。故撰文，試闡述一下對(duì)“硬件搭建”與“軟件編寫”兩方面意義的認(rèn)識(shí)，并提幾點(diǎn)教學(xué)建議，以供同行商榷。一、硬件搭建的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)與三點(diǎn)教學(xué)建議（一）一點(diǎn)認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)搭建的重要性國(guó)內(nèi)諸多機(jī)器人廠家的機(jī)器產(chǎn)品對(duì)搭建存在嚴(yán)重忽視的現(xiàn)象。或是不提供搭建積木、以成形產(chǎn)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(shí)候，老師與學(xué)生也會(huì)比較重視程序的編寫，而不太重視對(duì)機(jī)

2、器人硬體的構(gòu)造。 然而，皮之不存，毛將焉附。若說(shuō)程序是機(jī)器人的靈魂，那么，結(jié)構(gòu)就是機(jī)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(jī)器人現(xiàn)有的構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)靈巧、實(shí)用的構(gòu)造體，是機(jī)器人的物質(zhì)基礎(chǔ)。 當(dāng)然在實(shí)際教學(xué)機(jī)器人的過(guò)程中，我們不可能、也沒(méi)必要專門制作或生產(chǎn)一種針對(duì)某一任務(wù)的機(jī)械構(gòu)造，完全可以采用種種形狀的積件來(lái)搭配起需要的形狀。即使一些比較復(fù)雜的傳動(dòng)裝置，能搭建即搭建，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人完成任務(wù)而搭建出一個(gè)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(xué)生的形象思維、空間思維。 “樂(lè)高”品牌的機(jī)器人產(chǎn)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(diǎn)：1、積木堅(jiān)固耐用，耐磨損，不易變形，并以不同色彩來(lái)區(qū)別。同時(shí)顏色鮮艷，吸引學(xué)生的注意力。2、每個(gè)積木都是按標(biāo)準(zhǔn)的樂(lè)高單位生產(chǎn)，精度公差僅為5毫米，積木搭建松緊適度。例如把3塊樂(lè)高板疊起來(lái)正好等于一個(gè)塊的高度。3、可擴(kuò)展，創(chuàng)意組合性強(qiáng)，2塊相同顏色的2*4樂(lè)高積木共有17種搭建的可能，8塊相同顏色的2*4樂(lè)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(wú)數(shù)種支撐結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。正所謂“智慧出在手指尖上”，學(xué)生在完善模型的結(jié)構(gòu)搭建中，將涉及到物理學(xué)中的力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)械學(xué)，以及數(shù)學(xué)中的幾何學(xué)等，學(xué)生可以從中學(xué)習(xí)到結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)、力、穩(wěn)定性與

4、負(fù)重等知識(shí)。只有在搭建中讓學(xué)生形象感知，才能比較深入的理解以上知識(shí)，并進(jìn)行現(xiàn)實(shí)運(yùn)用。這種教學(xué)效果也是一般的物理課堂、數(shù)學(xué)課堂所達(dá)成不到的。正如樂(lè)高“頭腦風(fēng)暴”機(jī)器人創(chuàng)始人米切爾·瑞斯尼克博士認(rèn)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(shuō)明了搭建的魅力。（二）三點(diǎn)教學(xué)建議：1、學(xué)會(huì)搭建機(jī)器人的“身軀”堅(jiān)固的主體雖然樂(lè)高積木能搭出任意形狀的機(jī)器人身軀，但我想，不管是任何一種機(jī)器人，其主體的穩(wěn)固性應(yīng)該是第一位的，這是機(jī)器人完成任務(wù)最基本的要求。然而樂(lè)高的積木模型也存在著一個(gè)很大的缺陷結(jié)構(gòu)搭建不穩(wěn)固的話，容易散架。這就促使學(xué)生要去鉆研機(jī)械的支撐結(jié)構(gòu)，想辦法使其結(jié)構(gòu)牢固。在實(shí)際教學(xué)

5、中，往往出現(xiàn)這樣的情況，學(xué)生搭出的機(jī)器人很漂亮、很有創(chuàng)意，卻常會(huì)掉胳膊掉腿，或一碰就散架。這就非常需要老師指點(diǎn)一些穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)的方法。以下三個(gè)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(gè)或兩個(gè)以上的突點(diǎn)來(lái)拼接，如圖2，左邊僅連接一個(gè)突點(diǎn)的結(jié)構(gòu)（左）會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭曲變形。三是加固時(shí)用黑色緊配合銷，學(xué)生會(huì)因顏色的緣故，常選擇使用直徑較小的彩色銷，但實(shí)際應(yīng)采用直徑最大的黑色銷來(lái)進(jìn)行固定。圖1 梁的連接方法圖2 突點(diǎn)拼接法2、學(xué)會(huì)搭建機(jī)器人的“腳”靈活的傳動(dòng)裝置傳動(dòng)裝置是機(jī)器結(jié)構(gòu)中最靈活的構(gòu)建，是機(jī)器人“動(dòng)”起來(lái)的第一步。樂(lè)高積木中提供了齒輪、

6、軸、渦桿、滑輪、鏈等部件，合理巧妙地組合這件部件，能讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各作動(dòng)作。教學(xué)中，“組合”是關(guān)鍵，需指出的是，有時(shí)沒(méi)有必要一本正經(jīng)讓學(xué)生去深刻理解各類運(yùn)動(dòng)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(guān)系等。我們可以通過(guò)反復(fù)拼裝試驗(yàn)，讓學(xué)生逐漸感知這些組合實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)效果。例如，如果用大齒輪帶動(dòng)小齒輪, 實(shí)現(xiàn)“加速”，反之，當(dāng)一個(gè)小齒輪帶動(dòng)一個(gè)大齒輪，實(shí)現(xiàn)“減速”。讓學(xué)生在實(shí)踐中明白齒輪用于改變曲軸或軸間轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìng)速等。另外，讓學(xué)生明白一些較特殊的傳動(dòng)方式：例如渦桿可以把圓周運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)；渦輪

7、適用于大比例減速力矩的場(chǎng)合，還有它的“自鎖”功能可以驅(qū)動(dòng)小齒輪(正齒輪), 但是小齒輪不能驅(qū)動(dòng)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(xué)生會(huì)實(shí)現(xiàn)種種傳動(dòng)效果，常常出乎老師所料。值得指出的是，精通齒輪和軸，對(duì)于搭建樂(lè)高機(jī)器人是非常有幫助的。3、學(xué)會(huì)搭建機(jī)器人的“手”靈巧的機(jī)械爪（臂）如果說(shuō)有“腳”，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類人運(yùn)動(dòng)的第一步，那么有了“手”，才是機(jī)器人模仿人類完成如“抓取”等動(dòng)作的關(guān)鍵一步。由于機(jī)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(lè)高組件和ROBOLAB軟件的工程教學(xué)一書中介紹的幾個(gè)爪，以示窺一斑見全豹，若老師與同學(xué)們有興趣，可詳見此書介紹。 基本夾

8、子這是一個(gè)典型的夾子，使用一個(gè)齒輪或凸輪，由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，控制其打開、關(guān)閉。剪刀爪這個(gè)爪采用了經(jīng)典的剪切機(jī)械結(jié)構(gòu)，由一個(gè)40齒齒輪來(lái)驅(qū)動(dòng)。改變桿形臂長(zhǎng)度將會(huì)影響爪的張開幅度。渦桿爪這個(gè)爪由渦桿來(lái)驅(qū)動(dòng)。兩個(gè)24齒輪保持上下兩個(gè)爪能夠同步。由于減速較大，此爪可以產(chǎn)生很大的抓取力，可能會(huì)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(jī)構(gòu)按下時(shí)關(guān)閉，它先使上夾略微旋轉(zhuǎn)，然后橡皮圈猛的將鉗夾合上。值得指出的是，機(jī)械爪（臂）一般都是根據(jù)杠桿原理來(lái)搭建。在指導(dǎo)學(xué)生搭建時(shí)，應(yīng)先讓學(xué)生仔細(xì)分析實(shí)現(xiàn)任務(wù)所需要的抓取力的三個(gè)要素：運(yùn)動(dòng)方向、作用點(diǎn)和力的大小，然后再根據(jù)

9、杠桿原理來(lái)設(shè)計(jì)合適的爪。不能盲目搭建，應(yīng)在思考中實(shí)踐，這樣才有助于培養(yǎng)學(xué)生在感性的搭建中對(duì)“力學(xué)”的理性認(rèn)知。二、對(duì)智能化程序編寫的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)與三點(diǎn)建議（一）一點(diǎn)認(rèn)識(shí)非線性智能程序的重要性程序是機(jī)器人的靈魂、思想，是實(shí)現(xiàn)人工智能的核心。在給學(xué)生教學(xué)機(jī)器人程序編寫時(shí)，我們往往是從最簡(jiǎn)單的線性程序編寫入手，比如完成一個(gè)或多個(gè)任務(wù)時(shí)，從任務(wù)開始至結(jié)束，都是一線貫之。這種程序簡(jiǎn)單，執(zhí)行時(shí)不容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。但長(zhǎng)期執(zhí)行這種編程思想的話，不利于學(xué)生真正掌握編寫智能化的程序。所謂“智能化”的機(jī)器人，是機(jī)器人在未知環(huán)境下能相機(jī)、隨時(shí)地處理各種任務(wù)，這種任務(wù)處理往往會(huì)是選擇性執(zhí)行，或是并行性執(zhí)行。這就使得處理任務(wù)的先

10、后順序不是線性的，而是非線性的。所以，非線性程序，才是智能機(jī)器人活的靈魂。為培養(yǎng)學(xué)生非線性編程能力，在學(xué)生了解了ROBOLAB的命令，有了一些編寫線性程序的基礎(chǔ)后，就應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變編程思想，學(xué)習(xí)編寫非線性的程序。編程之前，教師應(yīng)讓學(xué)生對(duì)機(jī)器人處理任務(wù)時(shí)面臨的種種可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估，讓他們盡可能預(yù)測(cè)所有可能性，然后把想到的“可能”進(jìn)行分類，把每類“可能”定義為一種任務(wù)，分別制定最有效的策略來(lái)應(yīng)對(duì)處理，編寫處理的具體子程序。同時(shí)，在程序代碼上把每個(gè)任務(wù)子程序的啟動(dòng)賦予觸發(fā)事件。具體的編寫技巧上要善用“循環(huán)”、“跳轉(zhuǎn)”、“子程序”來(lái)創(chuàng)建子程序體，使程序高效簡(jiǎn)潔，善用“分支”、“任務(wù)”命令來(lái)分解任務(wù)、

11、并聯(lián)子程序體，使程序靈活智能。另外，非線性程序編寫時(shí)，離不開基于傳感器的行為編程設(shè)計(jì)。我們?cè)谧寣W(xué)生編寫非線性程序時(shí)，某個(gè)具體任務(wù)子程序的觸發(fā)，最好是應(yīng)用傳感器。以不同類別的傳感器返回的值來(lái)觸發(fā)不同類別的任務(wù)子程序，這樣就能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人探測(cè)和處理多目標(biāo)的控制任務(wù)，模仿人類探索未知環(huán)境的過(guò)程?？傊?，在任務(wù)分解及整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，要善用非線性編寫法、善用基于傳感器的行為編程設(shè)計(jì)，以此來(lái)應(yīng)對(duì)多任務(wù)多情況。這樣的程序編寫思想，有利于培養(yǎng)學(xué)生多向思維，全向思維，這樣，學(xué)生編寫出來(lái)的程序就“活”起來(lái)了，機(jī)器人也就“智能”起來(lái)了！當(dāng)然，我們的學(xué)生也就“聰明”起來(lái)了?。ǘ┤c(diǎn)教學(xué)建議：1、善用“跳轉(zhuǎn)、循環(huán)、子程序

12、”，體驗(yàn)“程序”的高效！“循環(huán)”是編程中避免寫出冗長(zhǎng)、重復(fù)的線性程序的一個(gè)重要方法。教學(xué)中可以指導(dǎo)學(xué)生使用“跳轉(zhuǎn)”或“循環(huán)”命令來(lái)創(chuàng)建程序循環(huán)體，把需要重復(fù)執(zhí)行的程序段作為循環(huán)體來(lái)執(zhí)行，讓程序變得簡(jiǎn)練高效，讓學(xué)生初步感知到機(jī)器人程序能幫助人類擺脫重復(fù)勞動(dòng)，從而愛上編寫程序。對(duì)于在程序的不同階段中常常被使用到某一段代碼，我們應(yīng)該要求學(xué)生用“定義子程序”、“調(diào)用子程序”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。讓學(xué)生體驗(yàn)到編寫程序時(shí)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(jiǎn)潔。2、善用“分支、判斷、容器”，體驗(yàn)“程序”的智能！程序中的“分支”執(zhí)行，是讓機(jī)器人邁向“智能化”關(guān)

13、鍵一步。和絕大部分程序語(yǔ)言中的If-Then-Else語(yǔ)句一樣，遇到一個(gè)分支時(shí)，程序?qū)⑦x擇兩條“路徑”之一執(zhí)行，這就讓機(jī)器人有了像人一樣選擇的“智商”。（如果再配合“跳轉(zhuǎn)”命令，在分支間跳轉(zhuǎn)執(zhí)行程序，那么這個(gè)機(jī)器人的“智商”就更高一層了。）在教學(xué)中，一方面，我們要讓學(xué)生學(xué)會(huì)思考機(jī)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(xué)生思考處理“選擇”的“判斷”標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)判斷，往往是來(lái)自機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境因素的“感知”，也就是傳感器返回的值。信息時(shí)代某種意義上來(lái)說(shuō)就是傳感器的時(shí)代。傳感器就像是人的感覺(jué)器官，是機(jī)器人的感覺(jué)系統(tǒng)，它能為機(jī)器人程序獲取外界的各類數(shù)據(jù)信息，現(xiàn)

14、如今開發(fā)供機(jī)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(dòng)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(zhuǎn)換部件，以便將采集到的各種模擬量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字量。這些數(shù)字量，往往使用容器的命令來(lái)處理，容器就相當(dāng)是程序中的全局變量，也是機(jī)器人編程中最常用的命令。只有讓學(xué)生善用容器值來(lái)進(jìn)行門限值判斷、選擇分支，才能使得程序靈活起來(lái)，機(jī)器人變得聰明起來(lái)！ 、善用“事件、任務(wù)分裂”，體驗(yàn)“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(jī)器人要具備類人一樣較高級(jí)的智慧，還得擁有同時(shí)處理不同任務(wù)的能力。這就需要我們?yōu)闄C(jī)器人編寫多任務(wù)并行處理的程序

15、，而且各個(gè)任務(wù)程序之間互不干擾、沖突，能協(xié)調(diào)執(zhí)行。在ROBOLAB中使用“任務(wù)分裂”命令，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)不同的程序。運(yùn)用多個(gè)“任務(wù)分裂”，則就能實(shí)現(xiàn)并行處理多個(gè)任務(wù)。這里要對(duì)學(xué)生需要強(qiáng)調(diào)的是：雖然程序能多個(gè)任務(wù)并行處理，但當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)程序共享同樣的硬件資源時(shí)，就會(huì)造成硬件沖突。比如一個(gè)任務(wù)程序要讓馬達(dá)A正轉(zhuǎn)，而另一個(gè)任務(wù)在同一時(shí)刻告訴它反轉(zhuǎn)，那么就會(huì)發(fā)生不可預(yù)知的錯(cuò)誤。一定要培養(yǎng)學(xué)生檢視任務(wù)分裂的程序，確保任務(wù)不在同一時(shí)刻爭(zhēng)搶同一資源來(lái)避免沖突。編寫任務(wù)分裂程序本身很簡(jiǎn)單，難點(diǎn)在于編寫事件模塊。第一是設(shè)置事件。還是要善用傳感器值，我們指導(dǎo)學(xué)生設(shè)定事件源，要善用從傳感器獲取到的數(shù)值來(lái)設(shè)定，而非是人為預(yù)定的一個(gè)值。這樣，機(jī)器人