虛擬儀器在智能機器人實踐課程中的應用

常曦　薛建新　張世明　蔣川群

摘 要：智能機器人課程是一門多學科交叉課程，其教學內容和教學方式需要根據具體學科有所側重。文章針對如何使學生快速掌握智能機器人的操作技能這一問題，提出在計算機科學與技術學科中，將虛擬儀器開發環境LabVIEW引入智能機器人實踐課程，將多學科設計問題轉變為軟件設計問題，將設備操作問題轉換為可視化編程問題，充分發揮學科的軟件設計優勢，降低入門門檻。

關鍵詞：智能機器人；虛擬儀器；LabVIEW；實踐課程

0 引 言

機器人技術的迅猛發展和廣泛應用，加劇了對機器人技術相關專業人才的需求。機器人是自動化控制、機電工程、電子工程和計算機科學與技術等多學科綜合的產物，對于具備這些綜合知識的人才的培養需要多學科協同完成，相關學科在相關專業內容的選擇也需要根據自己的學科特點有所側重。計算機科學與技術學科學生在自動化控制、機電、電子等方面的知識基礎比較薄弱[1]，但接受過算法和軟件設計的完整訓練。在智能機器人課程實踐環節，有效發揮計算機科學與技術學科的優勢特點，降低課程的入門門檻，使學生快速掌握相關技能，是首先要考慮的問題。將虛擬儀器LabVIEW引入智能機器人實踐課程，能夠屏蔽復雜的底層儀器和設備，實現多學科設計問題向軟件設計問題、設備操作問題向可視化編程問題的轉變，充分發揮學科優勢在實踐教學中的作用，使學生快速入門。

1 虛擬儀器LabVIEW簡介

LabVIEW（laboratory visual instrument engineering workbench）[2]是由美國國家儀器公司研發的虛擬儀器開發環境，目前已成為產業界和學術界普遍采用的儀器控制和數據采集軟件標準，用其進行原理設計和系統實現時，可大大提高工作效率[3]。

LabVIEW集成了可視化編程的直觀性、高性能和靈活性，提供用可視化圖標代替文本編輯的圖形化開發環境以及專為測試測量與自動化控制應用設計的高性能模塊及其配置功能，既可增強用戶構建自己的科學和工程系統的能力，又可提供實現儀器編程和數據插件系統的便捷途徑，它具有強大的模擬功能，其模擬環境可為模擬機器人的運動提供支撐環境。

2 虛擬儀器應用過程

2.1 應用基礎

在智能機器人實踐課程中采用類人機器人NAO作為實踐教學平臺來說明LabVIEW的應用框架。NAO是ROBOCUP標準競賽平臺，支持多種程序語言，便于學生進行探索性實驗和主動性學習，符合以機器人實驗為載體的實踐創新培養體系[4]。

2.2 應用框架

LabVIEW在類人機器人NAO上的應用，可歸納成單元模塊應用、結構化擴展應用、基于狀態機的綜合應用等3大功能模塊以及模擬器顯示。

2.2.1 單元模塊應用

單元模塊應用涉及動作、傳感器、語音和視覺等相關單元（圖1）。動作相關單元涉及機器人各個關節、剛度、各種行走方向的控制等，如與機器人姿態調整相關的姿態單元（a）；傳感器相關單元涉及各傳感器數據的采集和查看（b）；語音相關單元涉及機器人說話內容的配置和聲音的控制（c）；視覺相關單元涉及攝像頭數據的采集和監查（d）。這些多樣的單元對應各種真實儀器信號的收集和顯示，通過LabVIEW虛擬元器件可以大幅降低學生對儀器的操作難度。

2.2.2 結構化擴展應用

結構化擴展包含順序、條件和循環等3種經典程序結構在機器人編程中的應用（圖2），3種結構與單元應用的組合可以使得搭建的機器人應用更加靈活和完整。例如，利用順序結構可將說話單元與姿態單元進行順序連接，搭建機器人在背唐詩之前完成兩種不同的姿態（a）；利用條件結構可將傳感器單元與說話單元進行條件連接，構建當發現前方有障礙時，機器人說出“前方有障礙”的警語（b）；利用循環結構可將傳感單元與圖像單元進行連接，不斷檢測運行過程中的障礙情況，通過圖像單元顯示左右兩側障礙距離（c）。通過對這3種經典結構的應用，將機器人的應用場景轉換為典型的計算機編程問題。

2.2.3 基于狀態機進行綜合應用

盡管結構化擴展應用可完成任務，但當應用流程需要在特定的條件下改變時，需要采用狀態機實現應用的綜合。利用狀態機可以實現機器人語音識別的結果，控制機器人行走的方向以及結束行走（見圖3），該程序包含9種狀態：初始化、聽、向前走、向后走、向左走、向右走、左轉、右轉以及停止。這不僅便于學生明確各個獨立狀態的應用，還可以通過狀態連接實現機器人的復雜應用。

2.2.4 模擬器顯示

動作的設計可以借助模擬器視圖顯示NAO機器人的關節參數配置，通過模擬器觀察已設計的連續動作情況，無需在機器上直接測試，這有利于機器人設備的有效使用，如NAO配置八段錦第七式“攢拳怒目增氣力”時的關節參數信息（見圖4）。

3 虛擬儀器應用評價

虛擬儀器LabVIEW在智能機器人實踐教學中的應用效果可以從以下3個方面來體現。

1） 降低入門門檻。

虛擬儀器的應用將復雜的電路、傳感器等的設置問題轉換成只需要懂得基本的算法設計思想和編程技能就可以操作機器人的問題，有效地降低了課程的入門門檻，使學生的學習信心倍增。

2） 提高實驗效率。

LabVIEW平臺將對各種儀器進行調試和運行獲取數據的過程轉變為各種控制單元，包括運動控制單元、傳感器控制單元、語音控制單元以及視頻控制單元等參數輸入和結果獲取的過程；將各種儀器的電路控制的過程轉變為LabVIEW平臺結構化連線的功能。這種將復雜問題分步解決的方式有利于問題的簡化，大大提高學生實驗的效率。

3）實驗成品的功能性有明顯提升。

利用LabVIEW平臺將各類信號的處理和識別轉變為數據結構的設計和算法的優化問題，大幅提高計算機科學與技術學科知識的應用面。就實驗成果而言，其功能性和創新性都有顯著提升，學生可在短時間內完成使用超聲波避障走迷宮、人機交互系統、八段錦展示等項目。

4 結 語

智能機器人課程融合了多學科知識，將虛擬儀器開發平臺LabVIEW應用于智能機器人實踐教學環節，不僅可以讓學生有效掌握并應用多樣的實驗儀器開展多樣的機器人應用，還可以無縫地集成后續課程的專業知識，進一步提升應用效果。

參考文獻：

[1] 王旭仁， 何花， 周全， 等. 深入完善“智能機器人”實踐課程體系，促進實踐教學[J]. 計算機教育， 2009（11）： 116-118.

[2] National Instrument. LabView[EB/OL]. [2017-9-23]. http：//www.ni.com.

[3] 陳春朝， 李春洋， 李玖棟， 等. LabVIEW軟件在教學中的應用[J]. 計算機與現代化， 2010（3）： 89-92.

[4] 陳小平， 羅文堅. 以機器人實驗為載體的實踐創新培養體系研究[J]. 研究生教育研究， 2011（3）： 48-52.

（實習編輯：景貴英）endprint