對人工智能教育機器人控制系統開發的分析

鄭 越

（重慶郵電大學，重慶 400065）

伴隨著信息技術的發展與普及，人工智能逐漸成為了科學技術的重要組成部分，特別是引入到各個教育領域當中，發揮出應有的作用。我國教學事業的發展使教學重心轉移，一些編程、創客教育方式受到關注，越來越多的人們進行了人工智能教育的嘗試。為了提升教學效果，就要設計出一個完善的機器人控制系統，以此實現高效率的教學開展。

1 研究背景

伴隨著我國科學技術的高速發展，使得人工智能與教育進行了全面的融合，這樣的發展態勢也逐漸成為了教育事業未來發展的主要方向，受到社會各界的廣泛關注。2003年，人工智能初步當作選修模塊，成為信息技術課程的一部分，這標志著我國的人工智能教育工作進入到了全新的發展階段。2017年之后，更是迎來了我國人工智能教育事業發展的變革與轉折點。所提出的《新一代人工智能發展規劃》當中，明確指出人工智能是衡量一個國家未來發展和發展實力的關鍵指標，因此大力推廣中小學階段的人工智能教育工作，同時制定出各種類型的智能型課程，將其納入到教育體系當中。從這樣的角度來看，當下人工智能教育成為了我國國家戰略的發展規劃內容組成。

2 核心技術概念

2.1 人工智能

當下在進行發展的進程中，所提出的人工智能，是一種基于機器為主要載體的模擬，或者對于人類智能的實現過程。人工智能當下可拆分為兩個重要部分進行區別和理解，其中人工代指人造、人為的概念，也是利用人力可以生產與制造的方式。而智能的實現，則是進行人類智能化的具象化展現。例如，首先是將大腦當作載體的主要記憶，之后還要在進行推理、分析以及探索的過程中，積極創造出更多的思維。其次，則是利用感知的方式，獲取到更多的信息感知能力。最后，利用接口等設備，進行相應的反應行為能力的實現。這是一種涉及到計算機科學、信息論、統計學等各種復雜學科的計算機分支內容，在信息技術的應用以及發展進程中，會面臨著較大的重要價值。

2.2 教育機器人

教育機器人的提出，基本上是基于當今中小學、大學生為研究對象，所提出的一種教育方面的教具。該設備的設計，主要服務于學生，幫助在日常學習中，能夠形成一個較高的科學素養，并積極提升自身的創新思維，最大化學生的學習興趣。教育機器人的設計過程中，始終都堅持寓教于樂的教學理念，利用各種合理的編程方式，全面實現教育方面的作用與功能，當今已經成為了廣大學習愛好者關注的重點。

2.3 語音識別

現階段提出的語音識別，可以簡稱為ASR，這是一種利用計算機系統為載體，進行語音內容與文字方面的轉變。例如對其機器進行語言方面的交談處理，以此讓機器理解人類發出的指令，實現相關功能性。這樣的設計過程中，基于隱式馬爾科夫模型為基礎，設計出特征提取、模式匹配以及模型訓練等技術類型。在當下的發展過程中，主要是利用聲學、數字信號處理、語音等多個學科交叉領域方面限制。在語音識別的處理過程中，基本上需要全面保障其技術在受到相關限制之后，可以進行針對性的處理。

2.4 語音合成

計算機系統的設計中，基本上包含著兩種文字信息類型，分別為計算機自身的語音合成，其次則是外部的輸入信息。當下進行語音合成技術的設計中，就是將這兩種形式進行融合，以此形成一個將文字信息轉變為漢語口語的輸出過程。在進行設計的環節，涉及到數字信號處理、語言學、聲學等諸多較為復雜的學科程序以及系統，這樣的中文信息處理方式，可以全面提升處理的效果。而對于語音合成技術以及語音識別技術的處理中，也相應涉及到人類與機器語音通信的合成。

3 教育機器人活動價值

在傳統的教學方式中，基本上受到教材方面的限制，會更加傾向于對學生提出一個固定的問題，并在之后對學生給出一個較為固定的答案。對于這樣的情況而言，會直接導致學生在學習過程中，無法提升自身的參與感，同時在對問題的理解上也較為單一。傳統教學模式下，學生始終無法得到創造能力的提升，特別是對于學生而言，會導致學生在學習中，無法構建出一個完整的知識體系。

但是，在進行機器人的教學開展中，其教學主題的趣味性比較強，加上可以全面提升更加開放性的問題，進行問題的集中解決，因此在這種學習方式下，學生不僅僅可以從一個角度思考問題，而是從多個角度出發，進行問題的系統性分析與掌握。這樣的教學方式下，也相應地成為當下教學體系當中重點考量對象。一個良好的教育機器人的教學模式使用，全面發揮出了教學的靈活性，讓學生的自身創造力、想象力得到提升，最大化自身的開放性思維。

學生在接受這樣的教學中，可以在構思、設計以及開發的全過程中，受到機器人的教育影響。積極鼓勵學生進行主動探索，提升動手能力。讓學生在未來體驗的過程中，感受到抽象理論轉變為具體內容的過程，滿足當下較為復雜的教學要求。

4 機器人教具控制系統的設計

4.1 設計方案

從人類的形體結構以及智力角度進行分析，可以成為類人機器人的設計模板，并逐漸成為人工智能領域當中，十分重要的代表。在當下對教學工作的科學課程設計中，這樣的機器設備使用，極大提升學生對于課堂的興趣值，推動教學工作的順利開展。實際機器人的控制系統設計，更多的是讓其機器人在運行中，具備觀察、對比、測量、記錄以及組裝等基礎的操作行為，之后針對課堂當中的實際情況，進行體驗、搜索、研討、編程以及調試等與課堂教學息息相關的各種內容的處理。這樣讓機器人保持較高水平的通識，便能夠在后期的教學開展中，發揮出機器人感知、機器人學習、機器人控制等課程模塊相關的設計與調整。其次，對于機器人的設計中，也會涉及到遙感技術、語音交互、目標識別、路徑規劃以及軌跡跟蹤等諸多方面的技術應用與研究。一個完整的控制系統設計方式下，加大提升機器人的教學能力，無論是教學的輔助能力還是指導能力，都可以幫助學生形成較強的學習積極性，最終實現各種教學目標。

4.2 總體配置

文章提出的機器人設計方案當中，基于某品牌的微型計算機進行設計，其中涉及到諸多的模擬人腦的設計環節。為了實現機器人在運行過程中的運算控制，還要對機器人進行不同控制模塊的分別設計與分析，使機器人可以獨立運行，并處理各種教學方面的需求，提升整體教學性能。

4.3 系統結構與組成

（1）機器人整機運算控制器。這是一種在進行設計中，其由于采用的是先進的精簡指令集，這個模塊下的設計方式，也是業內較為主流的微型電腦主板，具備著較強的功能。在運行中，對于較為復雜的數據，可以實現較為快速的處理，同時及時發出相關指令。而設計系統采用的是Linux操作系統，這是一種較為完美兼容機器人算法控制的方式，體積方面比較小，可以較為便捷地安裝到空間有限的機器人內部。其次，40針的GPIO直接連接的方式，可以讀取到傳感器當中的輸入控制舵機當中，進行數據信息的直接輸出。另外，在無線連接的過程中，能夠輕易實現與外界電腦的互通處理。該平臺下，具備著存儲大量數據信息的能力。采用了USB與CSI接口，這是一種機器人運行環節，為語音識別模塊以及視覺識別模塊服務的設計階段。在后續的平臺深度開發進程中，這樣的設計方式提供了良好的技術基礎，便于相關工作人員的進一步研究。

（2）舵機控制器配置。在對舵機控制器的處理中，其信息處理基本上都在PWM內進行處理。在主板位置上，所使用的PWM的控制，僅僅出現一個單獨的通道。為了能夠控制全部的舵機，就要配置出相對應的控制通道。當下對于外界舵機控制卡的使用中，基本上要全面保障系統的處理過程中，所采用2個16通道的舵機控制器，特別是在進行處理過程中，能夠連接32路的舵機。其次，還要將舵機控制電壓，始終保持在6 v的水平，并基于一個特殊的芯片實現控制效果。

（3）舵機配置。對相類似的一些小型機器人設計方式參考，可以在文章提出的控制系統設計中，采用7 v的舵機。實際使用的過程中，將其尺寸選擇為20 mm×40.5 mm×40 mm的水平。這樣的舵機大小使用，十分適用于小型機器人的關節位置安裝，無論是在建模階段還是在安裝的過程中，都可以發揮出應有的空間節約效果。之后在傳輸的過程中，基本上傳輸方式都是通用型的12 C的水平，之后在控制角度的處理上，無論是傳輸速率還是在接線方面，都十分便捷，加上操作方面的便捷性，更加全面提升了設計的合理性。

（4）DSP芯片。文章使用的DSP芯片，可以在使用的過程中，始終保持較高的靈活性，之后進行相應的模擬處理系統的處理中，就要保障對一個模擬系統進行良好的引用，避免出現對硬件設計，或者出現對調整參數的處理。數字處理系統的運行，在進行參數的調整中，就要利用信號處理軟件進行處理，以此滿足不同情況下的設置和實際需求。而在精度的調整中，是模擬處理系統，在長期運行當中，受到系統當中精度方面的器件影響。在同一批次的產品處理上，始終保持著一個較高的性能值。另外，在數字處理系統的工作開展中，其精度方面始終與計算機的算法、字節長度相關，因此這個階段就需要在設計系統當中確定下來。

其次對于可靠性與可重復性的分析中，要全面考慮到環境溫度、濕度、噪聲以及電磁場方面的干擾和影響。另外，在數字可靠性分析中，提升與各個元器件之間的合理設計與聯系，保證接口方面的合理。

最后在虛擬特性與升級的設計中，也是設計過程中十分重要的設計階段。一個模擬處理系統，僅僅可以在運行中對應一個功能的實現，因此在后續進行升級環節，顯然會受到各方面的技術影響，無法實現高速率的運行和處理。在數字處理系統的運行中，始終都要設計一個集成化的控制系統模塊，這樣才可以最大化運行效果。

（5）外部存儲器。文章設計的教育機器人，采用了擴展化的靜態不揮發的RAM，在實際運行階段，可以保持10年以上的運行周期。另外，在可靠的上電、掉電等方面的數據擴展保護功能上，也相應地需要保持電壓控制在一個合理的空間中。在運行階段，要始終將地址線可以預期符合擴展接口的處理方式。當下地址線的A16與其他的地址線的處理上，保持相對應的準確處理。

（6）傳感器。這是機器人的運行過程中，十分重要的設計環節，只有使用一個科學合理的傳感器，才可以讓其運行過程中，全面提升處理的效果。設計環節，始終都要對其感知前、左、右等方面的障礙物，進行針對性的分析，全面提升迷宮的處理能力。其次，在機器人的底部設計中，需要安裝光電模塊，這是為了可以吸納對色彩方面處理，同時加強與周圍其他傳感器的交互水平，實現更加高級的功能。當下在對機器人的設計中，還要全面結合其教育的內容以及形式，對其機器人進行個性化的設計與調整。一個良好的教育機器人，不僅僅會對當下的教育內容服務，同時也可以伴隨著教學事業的開展，不斷提升教育功能。因此，就要在傳感器的設計中，采用可升級化的處理，積極保障全面處理過程中傳感器的運行，特別是要在未來發展進程中，有效對傳感器進行多方面的分析以及控制，保障未來教育機器人可以伴隨著教育事業的發展，而不斷提升和優化自身的教育服務能力，幫助教師進行高效率的教學開展。需要注意的是，在這樣的教學工作開展中，也要進一步推動當下各個方面的系統細節處理，只有明確出控制平臺當中實際的控制模式和控制效果，才可以讓其在未來控制過程中，發揮出應有的控制作用，最大化處理全面效果。這樣的處理方式下，充分滿足了教育機器人的實際教育功能需求。

5 總結

綜上所述，伴隨著科學技術的發展，當下教學工作開展中，教育機器人的使用越發受到人們的關注。只有保障在未來進行教學開展中，首先對教育機器人進行控制系統的合理化設計，才可以實現最大化的控制效果。