中小學生智能機器人DIY課程初探

李建科 鄧漢盤

智能機器人是中小學課堂新興的一門旨在培養學生動手能力的信息技術課程，但是實際上在實施這門課程的時候存在很多的誤區，往往達不到培養學生動手創新能力的目的。我們嘗試開設的智能機器人DIY課程，經過理論上的探討和實際上的操作實踐，以及在東莞市青少年活動中心的實施過程中，學生在課堂上真正地參與到了機器人的設計、焊接、編程中去，達到了鍛煉學生動手能力的目的。實踐證明這門課程對培養學生動手創新能力是行之有效的。

一、中小學智能機器人的教育背景

近年來，在中小學課堂上興起一門全新的信息技術課程一一智能機器人，它包含了計算機硬件、軟件、電子技術、機械技術等多學科的綜合應用，對鍛煉學生動手能力、編程能力，培養團隊協作精神有很大幫助。

雖然現在中小學智能機器人教育得到了長足的發展，但是一些弊端已經逐漸地顯露出來。一些學校名義上開展著智能機器人課程，但實際上是為了應付比賽和檢查而臨時培訓幾個學生，而大部分的設計都由機器人生產商或老師事先完成，學生只是一個看客，只能對機器人進行簡單的運行操作。這與我們開展這門課的初衷是背道而馳的，偏離丁培養學生動手創新能力的目的。

現在市場上機器人價格昂貴，都是四五千元左右一臺，學校投入相當大，價格問題已成為制約學校參加這項活動的主要因素，資金的缺乏使一些學校只能購買少量機器人來參加一些特定的比賽，而無法在校園內作為一項科技活動來開展和普及，在這一社會背景下，提倡學生自己動手來制作機器人，而老師只作為一位真正意義上的指導者，讓比賽回歸到教育的目的，這樣無疑對這項活動的推廣和普及具有更重要的意義。正是在這種情況下，我們嘗試開設了智能機器人DIY這門課程。

二、優勢獨特的機器人DIY課程

DIY，是Do It YouSelf的縮寫，即自己動手的意思，提倡學生自己動手制做機器人，主要意義在于降低機器人的成本，讓更多的學生有經濟能力參與進來。通過學生自己動手焊接電路板，自己制作底盤、挑選馬達來完成一臺機器人的制作，不但鍛煉了學生的動手能力，達到提高學生個人綜合素質的目的，還使學生從中體會到成功的喜悅。

現在市場上各種電子零配件相當豐富，自己動手組裝一臺機器人的方案已經具備可行性，對于成本、一臺足球機器人大約是四、五百元左右，相對于現在市場上機器人價格而言，已經相當低，這也能使廠家進一步降低自己機器人銷售的價格。

三、DIY機器人的設備選購

（一）底盤

機器人的底盤可選用一般的PVC板來做，PVC板為高密度塑料板，在市場上可方便的買到，能自由打孔，方便固定機器入主板和各種零配件，也可選用玻璃板，中鳴數碼公司提供的足球套件采用玻璃板底盤，但玻璃板底盤價格昂貴，也比較厚，不利于人工打孔，如果采用小型數控機器或到工廠去進行打孔或切邊，則不存在這問題。除此之外，也可采用玩具車模型底盤或坦克底盤，在開展DIY課程中，使用這些底盤更有利于提高學生的興趣。

（二）電機

對于機器人的動力系統，一般都是采用高速馬達和減速箱來組成，減速箱的作用是降低電機輸出軸速度，增大扭力。現在市場上帶減速箱的電機貨源比較充足，有6V、12V或24V選擇，當然，也可在電機二手市場買到一些性價比高的電機。對于機器人滅火或足球項目，電機的電壓選擇在12V，400rpm就可，對于不同的項目，也可根據需要來選擇不同參數的電機。

（三）輪胎

輪胎在市場中比較難找，主要是現在電機輸出軸半徑大小不一，沒有統一標準，廠家都是針對自己的產品對輪胎進行定做，所以市場上比較難賣到通用的輪胎。如果采用玩具車底盤或坦克底盤，它們都自帶了輪胎和馬達，可以節省到找輪胎的時間，如果采用PVC板或玻璃板做底盤，則可根據自己選擇的電機的軸徑在市場中尋找輪胎，也可到淘寶網一些個人商店進行定做，價格大約在二、三十元左右。

（四）機器人主板

主板功能設計上應考慮機器人的通用性，盡量把各種功能模塊都設計在主板中。例如應具有模數轉換功能，即A/D轉換，可用來檢測周圍的環境光;數字輸入功能，可用來檢測開關閉合情況、數字輸出功能、可用來驅動發光LED;電機驅動模塊，讓機器人做出不同的動作，聲音檢測功能，檢測周圍的聲音;發音功能，能播放音樂，提供學生的興趣;液晶顯示功能，可用來和學生進行一些簡單的交互也方便用戶程序的調試;如果有可能，盡量把擴展卡模塊設計進主板，方便以后增加功能模塊以滿足不同項目比賽的需要。

設計好主板原理圖后，可讓學生按照原理圖把元件焊接在萬用板上或讓工廠把原理圖制作成空PCB板，再給學生使用。如果是焊接在萬用板上，則需要花費時間比較長，也容易出錯，對中小學生不太適用，如果是讓工廠加工成PCB板，則成本比較貴，老師可根據實際情況選擇焊板。

（五）主控制芯片的選擇

機器人主控芯片的選擇必須具有自我編程的能力，即具有程序下載的功能，才能使學生重復的進行多次練習。AVR單片機是1997年由ATMEL公司挪威設計中心的第一個姓名字母為A和v的研發者利用ATMEL公司的Flash新技術，共同研發出RISC精簡指令集的高速8位單片機，簡稱AVR，其中的R表示芯片為RISC結構。作為增強型RISC內載Flash的單片機，它具有下面的特點：

1.速度快、時鐘頻率高。

2.1/0口驅動能力強、電流大.

3.豐富的片上資源

4容易上手、開發費用低，網上資源豐富

進行AVR單片機開發費用低廉，可使用ISP在線下載編程方式把編譯好的程序寫到單片機的程序存儲器里，也可采用BootLoader程序通過電腦的串口來進行程序的更新，不需購買仿真器、編程器、擦抹器和芯片適配器等，節省很多開發費用。

四、機器人DIY的教學過程