基于Scratch和ROS的教育機(jī)器人編程與實(shí)現(xiàn)

　　教育機(jī)器人涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)、教育、自動(dòng)控制、機(jī)電、人工智能等領(lǐng)域。它們是機(jī)器人在教育中應(yīng)用的典型案例，旨在培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計(jì)、實(shí)踐和創(chuàng)造的綜合能力。本文首先介紹了國內(nèi)外教育機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。然后，通過文獻(xiàn)分析和比較，提出了當(dāng)前教育機(jī)器人發(fā)展中存在的主要問題。然后，本文探討了Scratch和ROS教育機(jī)器人的編程和實(shí)現(xiàn)，并將圖形、解釋和編譯三種編程語言集成到一個(gè)教育機(jī)器人中。最后，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所實(shí)施的教育機(jī)器人的有效性。

　　機(jī)器人作為制造業(yè)皇冠上的明珠，歷經(jīng)500 年的不斷發(fā)展（從16 世紀(jì)西班牙自動(dòng)祈禱的機(jī)械僧侶起），目前已經(jīng)全面進(jìn)入“機(jī)器人+”時(shí)代，周圍涌現(xiàn)出各種新奇智能的黑科技，如機(jī)械狗、無人機(jī)、自動(dòng)駕駛汽車以及各類服務(wù)機(jī)器人……其中，教育機(jī)器人包括“應(yīng)用于教育行業(yè)的服務(wù)機(jī)器人”和“機(jī)器人專業(yè)教育”兩個(gè)方面，已經(jīng)成為工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人之外的第三類機(jī)器人發(fā)展領(lǐng)域。教育領(lǐng)域中的機(jī)器人將增強(qiáng)或延伸教師的表達(dá)能力、知識(shí)加工能力和溝通能力；機(jī)器人教育將激發(fā)廣大學(xué)生對(duì)智能技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，并大范圍提高學(xué)生信息技術(shù)能力，提升數(shù)字時(shí)代的競(jìng)爭(zhēng)能力。在全球教育機(jī)器人研究領(lǐng)域中，根據(jù)國際權(quán)威文獻(xiàn)庫調(diào)研，文獻(xiàn)引用數(shù)量處于前列的國家有美國、瑞士、意大利、日本和英國等，研究主要聚焦在機(jī)器人教育、語言教育和特殊教育領(lǐng)域。在“機(jī)器人+課堂”方面，日本和韓國更為普及［1］。機(jī)器學(xué)習(xí)、自然人機(jī)交互、仿生科技是教育機(jī)器人研發(fā)中需要長期探索的關(guān)鍵技術(shù)。人們期待教育機(jī)器人能像人一樣思考、像人一樣行走、像人一樣互動(dòng)，并做出如同“真人”一般的細(xì)膩動(dòng)作［2］。對(duì)于教育機(jī)器人的編程與實(shí)現(xiàn)，各國學(xué)者做了大量研究，文獻(xiàn)［3］設(shè)計(jì)了ICalico 和Calysto 開發(fā)工具，用于教育機(jī)器人幫助學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人編程和人工智能學(xué)習(xí)。文獻(xiàn)［4］介紹了應(yīng)用于國際比賽和移動(dòng)機(jī)器人教育的中小型機(jī)器人開發(fā)，主要面向高年級(jí)本科生和研究生的項(xiàng)目導(dǎo)向課程，極大提升學(xué)生知識(shí)整合和應(yīng)用能力，包括路徑規(guī)劃和迷宮解算等人工智能算法實(shí)踐。文獻(xiàn)［5］引入NASA 火星探測(cè)項(xiàng)目場(chǎng)景，構(gòu)建SIPI 實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生通過機(jī)器人編程實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作機(jī)器人等任務(wù)。文獻(xiàn)［6］提出了一種群機(jī)器人教育平臺(tái)，使用ROS 框架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究。文獻(xiàn)［7］開發(fā)了一款超低成本模塊化和可擴(kuò)展的教育機(jī)器人，裝配有局域網(wǎng)和英特網(wǎng)功能，配套在線課程（MOOC）并提供虛擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)室。

　　本文在綜合分析國內(nèi)外教育機(jī)器人基礎(chǔ)上，針對(duì)機(jī)器人編程的特點(diǎn)，基于開源軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)了一種新型教育機(jī)器人，主要內(nèi)容包括教育機(jī)器人問題描述，基本系統(tǒng)配置，多語言轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。

　　目前國內(nèi)外大部分教育機(jī)器人產(chǎn)品針對(duì)不同基礎(chǔ)和年齡進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，提供了非常豐富的課程和學(xué)習(xí)方案。但是并沒有將適用于零基礎(chǔ)的圖形化編程無縫擴(kuò)展至語言編程。本文實(shí)現(xiàn)的教育機(jī)器人方案，將圖形化、解釋型、編譯型三種類別編程語言融為一體，讓學(xué)生在進(jìn)行人工智能和機(jī)器人編程時(shí)，能夠?qū)⑷惥幊谭椒▽?duì)比分析，更好的掌握機(jī)器人編程。在ROS 機(jī)器人操作系統(tǒng)下，低年級(jí)學(xué)生可以用Scratch2 進(jìn)行圖形化編程，到中高年級(jí)用Python 進(jìn)行簡單編程，進(jìn)入大學(xué)之后用Python 和C++進(jìn)行復(fù)雜機(jī)器人編程，循序漸進(jìn)，不斷深入學(xué)習(xí)研究。接口示意如圖1 所示，方案提供了三種編程語言實(shí)現(xiàn)機(jī)器人環(huán)境感知和運(yùn)動(dòng)控制等，這三種方式都可以通過ROS 消息機(jī)制直接控制仿真或真實(shí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，Scratch、Python 和C++可以通過相應(yīng)的模塊進(jìn)行編程轉(zhuǎn)換，將在下節(jié)詳細(xì)介紹。