基于NAO機器人在高職人工智能機器人專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

郭鉞

摘 要：將NAO機器人虛擬仿真軟件Choregraphe圖形編輯程序應(yīng)用到高職人工智能機器人專業(yè)教學(xué)中，可以完成學(xué)生對人工智能機器人認(rèn)識、編程實踐操作、指令盒數(shù)據(jù)庫及3D仿真演示等，實現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容與工作能力的有效對接，提高了教學(xué)的安全性和趣味性，為后續(xù)人工智能機器人實操實訓(xùn)打下良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Choregraphe; 圖形編輯; 人工智能機器人; 專業(yè)教學(xué)

中圖分類號：TP249 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-3315（2019）04-126-001

Aldebaran Robotics公司出來的NAO是目前世界上最為人熟知且是最廣泛地應(yīng)用于教育和研究上的人形機器人。作為機器人足球世界杯指定的官方平臺，人形機器人NAO由25個關(guān)節(jié)構(gòu)成，每個關(guān)節(jié)由電機和電動制動器控制，裝配有攝像頭、紅外傳感器、超聲波傳感器、慣性器件等，而NAO機器人通過使用紅外線傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、相機、麥克風(fēng)和揚聲器與人進(jìn)行互動。用戶可以通過上述設(shè)備來完成輸入。而狀態(tài)輸出可以通過多個LED和揚聲器來傳遞。NAO機器人具有豐富、強大的函數(shù)庫，在Linux，Windows，Mac OS等操作系統(tǒng)下，均可利用C++，MATLAB，Python語言、以及基于圖形接口編程的Choregraphe對其編程操作。目前，全球多個高等學(xué)校和研究機構(gòu)已將NAO機器人用于教育和科研工作。2017年咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院引進(jìn)NAO機器人平臺，并將其用于第二課堂及技能大賽，意在鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研能力。

將Choregraphe應(yīng)用于NAO人工智能機器人專業(yè)教學(xué)中，可以滿足在沒有人工智能機器人實訓(xùn)設(shè)備的情況下進(jìn)行人工智能機器人課程教學(xué)的要求，通過虛擬仿真技術(shù)建立機器人工作場景，實現(xiàn)機器人工作路徑規(guī)劃等工作，讓學(xué)生掌握人工智能機器人技術(shù)。

1.Choregraphe在NAO人工智能機器人專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用的價值與意義

1.1實現(xiàn)與崗位工作能力對接

離線編程、虛擬仿真技術(shù)在人工智能機器人運行、調(diào)試、維護(hù)等工作崗位中得到廣泛應(yīng)用，在高職教育中主要是培養(yǎng)學(xué)生提前適應(yīng)崗位工作的能力，將離線編程仿真技術(shù)作為課程融入到人工智能機器人專業(yè)教學(xué)中，在學(xué)校對學(xué)生進(jìn)行離線編程、虛擬仿真技術(shù)培訓(xùn)，以便能有效的實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與崗位工作能力無縫對接。

1.2提高教學(xué)安全性

人工智能機器人實訓(xùn)設(shè)備的控制操作需要嚴(yán)格遵守機器人安全操作規(guī)程，一旦違規(guī)操作就可能發(fā)生危險，對學(xué)生或設(shè)備造成傷害，采用Choregraphe虛擬仿真軟件在電腦上模擬實際動作，機器人速度過快、路徑運算錯誤以及運行關(guān)節(jié)點錯誤等都可以在發(fā)現(xiàn)問題后及時進(jìn)行改正，直到調(diào)整到最佳狀態(tài)而不會發(fā)生任何危險，保證了教學(xué)的安全性。

1.3提高教學(xué)趣味性

通過豐富的教學(xué)項目，以Choregraphe圖形編程系統(tǒng)創(chuàng)建虛擬工作站，通過Python匯編語言讓整個機器人控制系統(tǒng)自主運行，通過虛擬仿真3D來實現(xiàn)機器人運動的動畫，讓學(xué)生可以看到機器人模擬演練的效果，以提高學(xué)生的成就感與積極性。

2.Choregraphe在人工智能機器人專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用

2.1課程體系連接人工智能機器人虛擬仿真課程是基于機器人控制系統(tǒng)調(diào)試與維護(hù)崗位能力分析，采用虛擬仿真軟件搭建智能系統(tǒng)控制平臺，對機器人系統(tǒng)進(jìn)行離線編程、仿真、調(diào)試，最后將仿真調(diào)試好的程序應(yīng)用于機器人運行中，主要培養(yǎng)學(xué)生智能電機控制系統(tǒng)的編程、仿真調(diào)試能力以及學(xué)生分析問題、解決問題的能力。相關(guān)課程可與人工智能機器人基礎(chǔ)、Pathon語言匯編進(jìn)行互通。

2.2人工智能機器人認(rèn)識實踐

NAO人工智能機器人所應(yīng)用的圖形編程軟件Choregraphe的指令數(shù)據(jù)庫涵蓋了一共70個大約11種不同類型的指令。指令資料庫的配置如下：LED：可以控制NAO的LED。傳感器：可以取得NAO的傳感器。邏輯：用于邏輯運算。數(shù)學(xué)：有關(guān)數(shù)學(xué)的指令盒以及可以產(chǎn)生隨機數(shù)。動作：許多不同動作。行走：可以走路。聲音：可以輸入/輸出的聲音。影片：可以使用相機來辨識物體。追蹤：可以追蹤特定物體。工具：可以調(diào)整其他盒子的輸入。通信：可以使用信箱、藍(lán)牙和紅外線通信裝置。

這些指令來控制機器人完成一系列復(fù)雜的動作。NAO機器人總共有25個關(guān)節(jié)：頭部關(guān)節(jié)2個，每個手臂各有五個（總共10個），每條腿各有五個（總共10個），一個在骨盆，2個用在執(zhí)行手的開合運動。每個關(guān)節(jié)可以獨立控制，但在骨盆的兩個關(guān)節(jié)需同時控制。每個關(guān)節(jié)都有一個角度的限制。將機器人模型導(dǎo)入到Choregraphe后，打開3DNAO界面，用戶可以輸入關(guān)節(jié)值來使機器人移動。關(guān)節(jié)坐標(biāo)運行中可以看到機器人的關(guān)節(jié)軸所在的位置，每個關(guān)節(jié)軸的當(dāng)前運動角度。通過調(diào)整線性控制按鈕來改變關(guān)節(jié)軸承旋轉(zhuǎn)的角度及距離;可以觀察機器人運動的三維動畫來查看機器人應(yīng)用能力，并且可以多視角觀察機器人運行狀態(tài)，仿佛機器人就擺在學(xué)生面前，讓學(xué)生對NAO機器人產(chǎn)生感官上的認(rèn)識。

2.3編程實踐

人形機器人NAO所提供的大部分功能可以通過 Choregraphe圖形編程來實現(xiàn)。很多不同的任務(wù)像是打開LED，重復(fù)幾組動作，發(fā)出聲音等等都可以被Choregraphe指令支持，而且可以被用來執(zhí)行很多不同的機器人任務(wù)種類。然而執(zhí)行不被現(xiàn)有指令支持的任務(wù)卻很困難，這種情況下我們可以使用 c/c++和python語言來建立新的指令。

3.結(jié)束語

將人工智能機器人NAO的Choregraphe圖形編程軟件引入到人工智能機器人專業(yè)教學(xué)中，將學(xué)生輕易接觸不到的人工智能機器人呈現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生可以通過指令庫中已有的指令、手動語言編程等方式讓機器人完成指定動作，還可以通過軟件進(jìn)行虛擬動畫仿真，在電腦上完成整個機器人系統(tǒng)的編程調(diào)試工作，提升了教學(xué)的安全性，并且能夠進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，取得了良好的教學(xué)效果。