如何使用Scratch和ROS進行教育機器人編程的設計與實現(xiàn)

　　教育機器人涵蓋計算機科學、教育學、自動控制、機械電子、人工智能等領域，是機器人應用于教育領域的典型案例，以培養(yǎng)學生具備分析、設計、實踐和創(chuàng)造等綜合能力為目標。本文首先介紹國內(nèi)外教育機器人現(xiàn)狀和技術趨勢。然后，通過文獻分析比較，本文提出當前教育機器人發(fā)展的主要問題。接著，本文探討了基于Scratch和ROS教育機器人編程與實現(xiàn)，將圖形化、解釋型、編譯型三種類別編程語言融于一種教育機器人。最后通過仿真和實驗驗證了所實現(xiàn)的教育機器人的有效性。

　　機器人作為制造業(yè)皇冠上的明珠，歷經(jīng)500 年的不斷發(fā)展（從16 世紀西班牙自動祈禱的機械僧侶起），目前已經(jīng)全面進入“機器人+”時代，周圍涌現(xiàn)出各種新奇智能的黑科技，如機械狗、無人機、自動駕駛汽車以及各類服務機器人……其中，教育機器人包括“應用于教育行業(yè)的服務機器人”和“機器人專業(yè)教育”兩個方面，已經(jīng)成為工業(yè)機器人和服務機器人之外的第三類機器人發(fā)展領域。教育領域中的機器人將增強或延伸教師的表達能力、知識加工能力和溝通能力；機器人教育將激發(fā)廣大學生對智能技術的學習興趣和動力，并大范圍提高學生信息技術能力，提升數(shù)字時代的競爭能力。在全球教育機器人研究領域中，根據(jù)國際權威文獻庫調(diào)研，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，研究主要聚焦在機器人教育、語言教育和特殊教育領域。在“機器人+課堂”方面，日本和韓國更為普及。機器學習、自然人機交互、仿生科技是教育機器人研發(fā)中需要長期探索的關鍵技術。人們期待教育機器人能像人一樣思考、像人一樣行走、像人一樣互動，并做出如同“真人”一般的細膩動作。

　　對于教育機器人的編程與實現(xiàn)，各國學者做了大量研究，設計了ICalico 和Calysto 開發(fā)工具，用于教育機器人幫助學生進行機器人編程和人工智能學習。介紹了應用于國際比賽和移動機器人教育的中小型機器人開發(fā)，主要面向高年級本科生和研究生的項目導向課程，極大提升學生知識整合和應用能力，包括路徑規(guī)劃和迷宮解算等人工智能算法實踐。引入NASA 火星探測項目場景，構建SIPI 實驗室，學生通過機器人編程實現(xiàn)遠程操作機器人等任務。提出了一種群機器人教育平臺，使用ROS 框架進行實驗教學和研究。開發(fā)了一款超低成本模塊化和可擴展的教育機器人，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)境實驗室。

　　本文在綜合分析國內(nèi)外教育機器人基礎上，針對機器人編程的特點，基于開源軟件開發(fā)實現(xiàn)了一種新型教育機器人，主要內(nèi)容包括教育機器人問題描述，基本系統(tǒng)配置，多語言轉換實現(xiàn)，仿真與實驗驗證等。