基于“互聯網+”的智能機器人教學平臺設計研究

朱通

（天津工業職業學院，天津 300400）

互聯網技術的出現和應用，給課程教學帶來了很多的新工具、新方法，進一步豐富了教學內容，如何更好地運用互聯網等技術提升教學成效，成為當前相關專業教師面臨的重要課題[1-2]。在智能課程教學方面目前依然存在以下兩點不足：①學生創新思維不足。目前對智能課程的教學而言，大多采用教師演示的方式完成相關的實驗，學生們缺乏將所想變為現實的自主性，導致教師很難激發學生的創新性思維和自主性學習。②學習平臺有限。隨著科技的發展，需要將越來越新的知識補充到課程教學過程中。目前由于采用的實驗設備不足以滿足當今快速發展的需求，因此在教學過程中加入新的技能知識尤為重要。綜上，可以看出加強新時期“互聯網+”背景下智能機器課程研究具有重要的現實意義[3-4]。

“互聯網+”背景下，智能機器人課程開發設計需要結合實際，以學生為中心，從課程設計、教學開展與評價等方面不斷創新，這樣才能更好地提升教學有效性，更好地激發學生學習興趣，在潛移默化中鍛煉學生思維與技能，提升學生綜合素養，使學生更好地適應未來社會發展需求[5]。

本設計平臺通過采用當今人工智能教育的方式為各個階段對智能機器人感興趣的學生提供學習平臺，為教師們提供教學演示平臺，符合當今“互聯網+”的發展形勢。本平臺主要有教學演示模塊、傳感器認知模塊、圖形化編程模塊、自主開發模塊以及3D打印模塊，為不同階段學生提供個性化與差異化的自主學習平臺。同時，采用互聯方式，可以在各種設備上進行學習，滿足各個層次的學生需求。

1 教學平臺設計研究

智能機器人教學平臺是基于“互聯網+”的智能教學平臺，通過互聯網計算機系統提供即時、有效、全面且針對性的學習、診斷。涵蓋優質教學資源，用戶可進行智能機器人相關工作原理講解、圖形化編程控制機器人運動、與教師進行在線交流答疑、用戶集體討論共享資源等操作。在互聯網信息通訊高度發達的現代社會，智能機器人教學平臺包括海量機器人示例、視頻輔導、針對性教學等特色功能，是更精準、更即時、更有效地進行學習的智能教學系統，能為對智能機器人有濃厚興趣的愛好者提供一個自主學習的平臺，是提高教學效率、學習效率的主流方式。在人工智能技術發展的今天，為廣大的用戶提供了一個學習智能機器人的方法。

1.1 實現功能

智能機器人教學平臺是一個集環境感知與通信、動態決策與規劃、行為控制與執行、人機交互及教學演示等多功能于一體的綜合教學演示系統。它集中了傳感器技術、信息處理、電子工程、計算機工程、自動化控制工程等多學科的研究成果。下面對其實現的部分功能進行簡要闡述[6-7]。

1.1.1 環境感知與通信

智能機器人能夠通過搭載超聲波模塊、OpenMv模塊、紅外光電對管、溫濕度感知模塊、Wi-Fi模塊、藍牙模塊、GPRS數據傳輸單元等傳感器對周圍環境進行識別，智能機器人主控制器可以對識別信息進行處理得到相應的環境信息以完成感知功能；利用Wi-Fi模塊與GPRS數據傳輸單元智能機器人可以將環境信息傳遞到數據存儲服務器，并通過監控裝置實時展示；利用藍牙模塊智能機器人可以與手機等移動設備相連，通過移動客戶端對智能機器人進行管理與控制[8-9]。

1.1.2 動態決策與規劃

智能機器人主控制器能夠對獲取到的各類信息如傳感器檢測信息、智能機器人運行狀態等信息進行合理分類，并對不同類別的信息作出實時反應。如避障循跡模式下智能機器人主控制器能夠及時處理傳感器檢測到的路面信息，識別出前進道路上的障礙并下達避讓指令，識別出地上的軌跡并下達循跡指令。教學演示模式下智能機器人主控制器能夠定時下達自檢指令以獲取運行狀態，并實時判斷是否出現故障，定時下達數據傳輸指令回傳機器人狀態信息；同時可以接收監控設備或移動客戶端發出的實時編程控制指令，并下達相應功能指令以完成教學展示功能。

1.1.3 行為控制與執行

智能機器人搭載的主控制器可以根據設定程序在不同工作環境及模式下對被控器件下達指令。接收信息的被控器件如超聲波模塊、OpenMv模塊等傳感器實現環境感知功能，負責智能機器人行動的電機以及控制傳感器方向位置的舵機實現智能機器人的行為運動功能。

1.2 平臺設計思路

本平臺主要包含教學示范模塊、理論知識學習模塊、實踐操作指導模塊、在線答疑模塊、集體討論專區、文件服務模塊、傳感器認知模塊、圖形化編程模塊、自主開發模塊以及3D打印模塊，以滿足不同用戶的需求。

教學示范：通過教學視頻以及遠程交互的方式實現用戶之間的交流、溝通與學習。本模塊中有提前錄制好的教學視頻，包括理論知識教學和實踐操作指導2個部分。

理論知識模塊：智能機器人的基本概念、定義與特性、組成和工作原理、關鍵技術、機械結構系統、驅動機構與運動機構、控制系統、感覺系統、通信系統、導航系統、多傳感器信息融合技術、智能機器人的相關示例等章節。每一章具有相關習題，方便學生鞏固知識，加深理解。

實踐操作指導模塊：智能機器人機構的組裝與調試、感知系統的組裝與調試、控制系統的組裝與調試、運動系統的組裝與調試以及軟件中圖形化編程的教學。

在線答疑模塊：為了提高教學質量，學生還可以通過文字、聲音等形式與教師進行在線的溝通與交流。

集體討論專區：平臺中有一單獨的討論模塊，用戶參與討論，通過文字、圖畫、聲音等方式進行溝通與交流，管理員為最高權限人，可以對用戶的發言進行控制。

文件服務模塊：學生可以查看、上傳或下載平臺上教師分享的文件，也可以在討論區共享文件。

傳感器認知模塊：該模塊通過對智能機器人所用傳感器的介紹，包括對位置角度傳感器、速度和角速度傳感器、加速度和角加速度傳感器、姿態角的檢測傳感器、觸覺與接近傳感器、測距傳感器、聽覺傳感器、視覺傳感器、導航相關傳感器等傳感器的認識和使用教程，讓用戶更加清晰地認識各個模塊，該模塊還可以對每個傳感器進行選型等操作。

圖形化編程模塊：用戶從封裝好的編程語句庫中選擇自己需要的語句，拖到編程主界面中，設計一種“卡扣”結構，使語句每一條語句可以連接起來，保證程序實現順序執行，該模塊符合當今“互聯網+”的發展趨勢，降低了編程的難度，讓每位用戶能夠自主進行簡單編程操作，可滿足各個階段用戶的需求。

自主開發模塊：針對自己創新想法，可通過該模塊進行編程設計，滿足自身的特殊需求，從而激發每位用戶的興趣，提升智能化水平。

3D打印模塊：用戶可以自行打印模型，供硬件所用，通過界面提交遠程操控3D打印機進行打印。

2 實例驗證

本文以基于OpenMv的小球識別實驗為例，對智能機器人教學平臺進行相關研究。

2.1 項目任務

本實驗主要完成小車上電之后，小球信息通過OpenMv模塊傳給Arduino主控板，控制小車進行前進、后退、左轉、右轉等動作，使小車靠近小球，距離小球10 cm時小車停止運動。

2.2 項目準備

在該實驗前需要對涉及到的相關傳感器、整個機器人控制系統理論知識進行深入掌握。該平臺在實驗前采用思維導圖形式，對所涉及知識內容進行列舉，學生可以點擊相關模塊進行實驗前的學習。

實驗用具：已搭建好的小車1輛（可采用設計軟件自行進行小車車體的設計，通過3D打印完成機體的設計）、Arduino主控板1個、拓展板1個、OpenMv模塊1個以及導線若干。OpenMv模塊如圖1所示。

圖1 OpenMv模塊

2.3 項目原理討論

采用團隊討論與動畫講解等形式完成該項目原理的討論。原理如下：小球顏色信息可在LAB顏色空間中表示，經OpenMv模塊處理后，可以將小球顏色信息轉變為電壓信息，作為Arduino主控板的輸入信息。當小球在小車正前方時，小車前進；當小球在小車左側時，小車左轉；當小球在小車右側時，小車右轉，這樣就可以使小球始終在小車視野正前方，進而逐步靠近小球，如圖2所示。

圖2 小車運動模式

2.4 實驗步驟

2.4.1 硬件組裝

將OpenMv模塊與Arduino主控板的接線進行再次檢查：OpenMv模塊的P6引腳接到拓展板的A0引腳，OpenMv模塊的GND接到拓展板的GND引腳，OpenMv模塊的Vcc接到拓展板的3.3 V引腳。

2.4.2 程序編寫

對傳感器、項目原理等相關知識學習完畢，可以采用圖形化編程軟件完成程序設計。打開Mixly軟件，進入圖形化編程主界面，可以自行進行相關程序設計。編程界面如圖3所示。

圖3 編程界面

3 結語

基于“互聯網+”的智能機器人教學平臺可以有效幫助學生對智能機器人涉及知識進行鞏固提升。動手式、項目式的教學模式更加能夠激發學生的學習興趣，讓學生將思想變成現實，真正做到以學生為中心。該平臺可以在教學、機器人競賽訓練等都有一定的應用價值，可以大大提升學生學習效率，為不同智能機器人掌握程度的學生提供學習平臺。