步入開源硬件智能機器人教育時代

智能機器人的應用十分廣泛，無論是工業、農業、軍事，乃至家庭、教育領域都可見其身影。基礎教育領域對應用于教學的機器人性能要求不高，但要有較高的開放性和可擴展性，使用者可根據需要通過增減模塊改變機器人功能，便于自主創新。另外，在學校里使用的設備，注定要具有較高的性價比。

目前，生產教育用機器人的廠商比較多，中小學智能機器人實驗室大多數采用了其中一家或多家廠商的產品。但是，筆者通過文獻調研、機器人競賽及走訪周邊學校發現，各廠商的機器人產品普遍存在以下問題：(1)各廠商產品繁雜，各品牌機器人自成體系、互不兼容。由于沒有統一的技術標準，實驗室在器材更新時大多只能選擇同一廠商的產品，選擇范圍受到限制。(2)機器人產品更新換代迅速，舊型號零配件供應不足。不同型號的機器人配件往往不能互換，舊型號機器人在性能上雖然能滿足教學需要，但停產后配件難尋，只好被迫升級全套器材，造成浪費。(3)機器人功能模塊類型少，擴展性受限。各種型號的機器人多數針對競賽而設計，配備的功能模塊較少，其他類型的模塊由于兼容性問題無法使用，機器人可實現的功能十分有限。(4)機器人核心技術資料不公開，學生不能充分掌握機器人的各種知識。缺少電路原理圖，無法分析零配件功能用途；機器人底層語言的源代碼不公布，不能了解機器人運作原理。(5)缺少技術支援，機器人后期維護難。保修期一過，廠商的技術支持就立即停止。由于跟競賽聯系緊密，教師們在技術上的研討十分保守，教學交流也難以開展。(6)機器人價格較高，建設經費投入大。較高的建設經費使機器人教育進學校的進程異常緩慢，同時，設備單價昂貴，教師擔心設備損壞，不敢“放手”讓學生動手操作機器人，制約了學生的學習積極性。

開源硬件

開源硬件是指與開源軟件相同方式設計的計算機和電子硬件。開源硬件通常發布有詳細的硬件設計資料，如電路圖、材料清單和電路板布局數據等。使用者可以通過購買、委托制造或自制等方式獲得開源硬件。另外，得益于開源硬件獨特的開發和發布方式，制作、使用開源硬件無需擔心版權問題。

在智能機器人領域，最常見的開源硬件是Arduino。

Arduino是意大利一個教學用開源硬件項目。Arduino包含一個單片機開發板、一個簡單易用的軟件開發系統、一系列豐富的傳感器和驅動電路。Arduino的電路板可以自行制作焊接，也可以購買已經組裝好的，軟件開發系統可以從官方站點www.arduino.cc上免費下載使用。

Arduino系統使用C語言編程，并進行了簡化，降低了復雜性，初學者很容易上手，大大降低了入門門檻。筆者在初次接觸Arduino時，只花了幾十分鐘就可以編寫簡單的Arduino程序。如果不想使用字符編程，還可以選擇圖形化的編程工具，通過添加、拖動圖標的方式輕松編程。

商品機器人與開源機器人

常見的由機器人廠商生產的機器人，我們稱為商品機器人；由開源硬件組裝而成的機器人，稱為開源機器人。

開源機器人能否滿足中小學機器人教學的需求?現將智能機器人實驗室使用較為廣泛的兩款商品機器人與使用Arduino制作的開源機器人作一比較(見表1)。

從上述比較可見，開源機器人的配置能媲美甚至優于商品機器人，完全可以滿足中小學機器人教學的需求，且具有以下優點。

1 統一技術規范，新舊型號配件通用。Arduino在開發過程中力求新舊版本的通用，無論從物理結構上還是接口電路電氣性能上，各種新舊型號的控制器和傳感器都可以互相搭配使用，大大節約了硬件資源。

2 功能模塊十分豐富，機器人擴展能力非常強，利于學生創新想法的實現。Arduino能夠使用上百種功能模塊，甚至可以自行開發功能模塊，創新應用得到支持。

3 所有技術資料公開、透明。從電路原理圖、零件清單到編程平臺、源代碼唾手可得，使用者可深入研究機器人的底層技術。

4 技術交流社區活躍，使用者眾多，技術問題可迅速得到解決。Arduino官方論壇注冊用戶達到5.3萬多人，加上其他使用Ardui no的交流社區，用戶可能達到近十萬人。另外，國內相繼涌現了學習使用Arduino的工作坊，如北京Arduino俱樂部、上海“新車間”等。學生無論從網上還是網下都可以找到Arduino用戶進行交流。

5 無技術壟斷現象，器材價格透明，利于推廣。由于技術資料公開，沒有廠商可以壟斷Arduino的生產與銷售，使得Arduino的性價比極高。

建設開源硬件機器人實驗室

通過對商品機器人和開源機器人的研究分析可見，利用開源硬件建設機器人實驗室的優勢是十分突出的。據此，筆者提出建設開源硬件機器人實驗室的構想，籍此擴展機器人實驗室建設的途徑和渠道，為促進中小學機器人教育發展提供參考。

機器人實驗室建設通常包含三方面的內容：計算機、智能機器人、配套設施。筆者依此對開源硬件機器人實驗室建設的配置作如下建議。

1.計算機設備可因學校實際情況而定，采用購買新計算機或者使用原計算機室設備的方法解決。Arduino開發環境對計算機硬件要求很低，但凡正常使用的計算機都能滿足需要。若購買新計算機，可以采購手提電腦，便于運行機器人時隨時隨地調試。

2 智能機器人數量可根據學生實際人數，按照2～3人一臺機器人的標準配備。開源智能機器人零配件可分為基礎配置和拓展配置兩部分。

(1)采用基礎配置的機器人可滿足中小學智能機器人的入門教學需要，完成諸如機器人巡線行走、走迷宮等任務。基礎配置的詳細零部件見表2。

(2)拓展配置是在基礎配置的基礎上增加零部件，以滿足學校機器人課外小組活動以及創新活動的需要。拓展配置零部件見表3。

3 配套設施包含組裝機器人的起子、鉗子等工具。另外，需要鋪設機器人運行場地，配備適量的機械加工設備，如手鉆、鋼鋸、電磨等，以滿足機器人改裝和創新活動的需求。

實驗室的運作方式

目前，機器人教育在中小學尚屬初期的探索階段，能夠學習的經驗很少。如何能更好地發揮實驗室的使用效益，筆者認為可以從以下方面著手。

1 拓展使用對象

實驗室建成初期可先從機器人興趣小組人手，培養一部分有興趣的學生，組成機器入學習團隊。教師可利用機器人興趣小組開展校內的機器人展示、競賽活動，擴大機器人實驗室影響面，吸引更多的學生參與學習。教師應在機器人興趣小組的教學活動中積累經驗，形成自己的教學能力，逐步將課外小組松散的教學行為轉變成面向全體學生的常規課堂教學。

2 拓寬應用面

得益于開源硬件體系，機器人可使用的傳感器種類和使用效果都得到較大提高，教師可利用豐富的硬件資源開拓各種機器人創新應用。同時，Arduino除了在機器人領域的應用外，在其他方面如物理、數學、通用技術等學科也有著廣泛的應用。開源機器人實驗室完全可以成為多個學科的通用實驗室。筆者相信，開源機器人實驗室的使用前景十分廣闊。

(作者單位：廣東廣州市白云區景泰小學)