基于OpenMV 的類人機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐

牛國臣

（中國民航大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300）

0 引 言

當(dāng)今世界教育正在發(fā)生革命性變化，教育模式、教育內(nèi)容正發(fā)生著變革，這對當(dāng)今教育工作者提出了很高的要求，對實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化提出了前所未有的新任務(wù)、新要求[1]。國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃強(qiáng)調(diào)了學(xué)生動手實(shí)踐能力，指出高校要充分注重創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型和技術(shù)技能型的培養(yǎng)，從而增強(qiáng)國家核心競爭力[2]。

當(dāng)前，人工智能逐漸滲透到社會的各個領(lǐng)域，引起教育形式、社會生活和工作方式的深刻變革[3-6]。很多高校正大力推進(jìn)機(jī)器人教育教學(xué)工作，讓每位學(xué)生真正體會到當(dāng)今技術(shù)發(fā)展帶來的學(xué)習(xí)樂趣，從而推動我國學(xué)生的素質(zhì)教育，讓每位學(xué)生緊跟時代潮流[7]。但是，當(dāng)今機(jī)器人教育存在著如下幾點(diǎn)問題。

（1）教育形式不夠多樣化。目前教育教學(xué)實(shí)施大多數(shù)以書本學(xué)習(xí)為主，學(xué)生很難深入研究，這就要求教師開展更多提升學(xué)生技術(shù)能力的教學(xué)措施。

（2）教學(xué)缺乏實(shí)踐平臺。目前機(jī)器人教學(xué)缺乏實(shí)踐平臺，難以對標(biāo)學(xué)生水平，高校開展針對研究生的教學(xué)平臺不能直接供本科使用，缺少能夠針對本科教育的實(shí)踐平臺。大學(xué)生素質(zhì)教育應(yīng)該以學(xué)生為主體，深入淺出地教授學(xué)生相關(guān)技能，這就要求在教育實(shí)踐中選擇適合大多數(shù)學(xué)生的實(shí)踐內(nèi)容。

1 機(jī)器人教育實(shí)施方式

1.1 參加科技競賽活動

科技競賽活動需要學(xué)生從競賽標(biāo)準(zhǔn)的研讀、需求方案的設(shè)計、方案的實(shí)施以及設(shè)計的改進(jìn)方面進(jìn)行思考、探索、學(xué)習(xí)。因此，以參加科技競賽活動的基于工程項(xiàng)目的形式開展工作，能夠有效鍛煉學(xué)生工程實(shí)踐與管理能力。

讓學(xué)生們積極參與機(jī)器人相關(guān)方面的科技競賽活動，會有效調(diào)動每位學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。通常情況下，與機(jī)器人相關(guān)的科技競賽均是以小組的形式開展并完成任務(wù)，這種任務(wù)最終的目標(biāo)是一定的，但是如何完成比賽任務(wù)是沒有任何限制的，在任務(wù)的分配、規(guī)劃及進(jìn)度等方面都是開放的。在這種開放環(huán)境中，學(xué)生的思維不被受限，會為了完成競賽目標(biāo)而積極主動地思考，大大提高學(xué)生的自主思考能力。

在參加每次科技競賽的過程中，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。在教學(xué)實(shí)踐的過程中，首先需要學(xué)生對實(shí)際問題進(jìn)行具體分析，經(jīng)過小組討論，定出初步的比賽計劃，并嚴(yán)格按照計劃執(zhí)行；然后開展機(jī)器人整體的組裝和搭建工作，在這個過程中，既需要學(xué)生運(yùn)用邏輯思維分析問題，又鍛煉了學(xué)生的動手能力，同時鞏固并深化了學(xué)生對機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、機(jī)器人動力學(xué)、機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計和控制理論等相關(guān)知識的理解和學(xué)習(xí)；最后，在對機(jī)器人進(jìn)行調(diào)試時，需要綜合考慮問題以及單模塊的排除問題，反復(fù)調(diào)試，反復(fù)修改，達(dá)到機(jī)器人高效執(zhí)行任務(wù)的預(yù)期效果。

1.2 開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐

機(jī)器人教育和機(jī)器人相關(guān)科研項(xiàng)目在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力方面具有重要的作用。在教師的帶領(lǐng)下，有豐富競賽經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀學(xué)生對沒有競賽經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目開展前期的培訓(xùn)，利用多學(xué)科融合的教育思想，將機(jī)器人的知識分解并擴(kuò)展到大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)等多個學(xué)科，誘導(dǎo)學(xué)生探索創(chuàng)新機(jī)器人的理念，積極思考，擴(kuò)展課外知識面，使學(xué)生將學(xué)科知識擴(kuò)展到生活的方方面面，建立知識間的相互聯(lián)系，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力[8-9]。通過項(xiàng)目組形式開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動，有效激發(fā)學(xué)生參與機(jī)器人相關(guān)技術(shù)研發(fā)、程序設(shè)計與項(xiàng)目創(chuàng)新實(shí)踐等方面的興趣和愛好。

為保證學(xué)生盡快融入社會，把握當(dāng)今時代發(fā)展的趨勢，對接市場需求，對于已形成一定應(yīng)用成果的課題，將根據(jù)成果階段、推廣運(yùn)作難易度等因素與航大科技進(jìn)行分類對接工作，積極指導(dǎo)其參與申報各類型創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目、各層次創(chuàng)業(yè)大賽、入駐企業(yè)孵化器及對接校外企業(yè)，進(jìn)行產(chǎn)品轉(zhuǎn)化工作。

1.3 實(shí)驗(yàn)室開放

由于機(jī)器人技術(shù)是一門難度較高、綜合性強(qiáng)、跨學(xué)科的新興技術(shù)，綜合了機(jī)械、計算機(jī)、自動化、通信、電子和人工智能等學(xué)科的最新成就，因此在理工類專業(yè)的實(shí)踐性環(huán)節(jié)中，開展實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，在培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計、創(chuàng)新、應(yīng)用、動手能力等方面具有極其重要的意義。

實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供了學(xué)習(xí)場地，大學(xué)三年級學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)室的主要管理人員，負(fù)責(zé)定期開展競賽或機(jī)器人相關(guān)知識的培訓(xùn)，以提高實(shí)驗(yàn)室全體人員的專業(yè)技術(shù)水平。在學(xué)生的課程設(shè)計或畢業(yè)設(shè)計中，根據(jù)任務(wù)需要，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行硬件系統(tǒng)模塊設(shè)計、軟件系統(tǒng)模塊設(shè)計、組裝、調(diào)試等多個環(huán)節(jié)的實(shí)踐，增強(qiáng)大一大二學(xué)生對所學(xué)專業(yè)的感性認(rèn)識，增強(qiáng)學(xué)生對于專業(yè)課程的學(xué)習(xí)熱情和課程學(xué)習(xí)的針對性。

2 基于OpenMV的類人機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐

類人機(jī)器人因在醫(yī)療和服務(wù)等領(lǐng)域的廣泛需求以及作為評價人工智能等多個學(xué)科技術(shù)的理想平臺，而備受研究者青睞，是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱門課題之一[10]。類人機(jī)器人的研究具有廣泛的應(yīng)用價值，可以為我國今后人工智能的發(fā)展打下堅實(shí)的基礎(chǔ)，正是由于其工作空間廣泛、能源利用效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前很多研究人員正開展著深入研究工作。

機(jī)器人完成相關(guān)任務(wù)需要對周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時感知，環(huán)境感知需要機(jī)器人的視覺系統(tǒng)協(xié)助完成。目前機(jī)器人硬件設(shè)計對本科生比較困難，同時由于圖像處理算法需要數(shù)學(xué)等相關(guān)知識運(yùn)用比較靈活難以研究，需要設(shè)計針對本科學(xué)生的實(shí)踐平臺。OpenMV 集成了主控與視覺多個系統(tǒng)功能，具有穩(wěn)定性高、傳輸效率高等特點(diǎn)，可使每位初學(xué)者免除硬件設(shè)計等問題；同時內(nèi)部編程語言易于上手，設(shè)計基于OpenMV 的類人機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐可以做到因材施教，為本科學(xué)生提供多樣化的實(shí)踐項(xiàng)目。

針對基于OpenMV 的類人機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐可以開展類人機(jī)器人競走、投籃機(jī)器人實(shí)踐項(xiàng)目、高爾夫機(jī)器人實(shí)踐項(xiàng)目以及點(diǎn)球機(jī)器人實(shí)踐項(xiàng)目，本文以高爾夫機(jī)器人實(shí)踐項(xiàng)目為例進(jìn)行實(shí)踐設(shè)計?？砷_展相關(guān)實(shí)踐項(xiàng)目以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)，見表1。

表1 類人機(jī)器人實(shí)踐項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)踐內(nèi)容

基于OpenMV 的高爾夫機(jī)器人主要通過搭載OpenMV 作為主控，通過實(shí)時與機(jī)器人的舵機(jī)控制板進(jìn)行通信，能夠完成擊中高爾夫球入洞的效果。實(shí)踐要求對球和球洞的識別與定位都靠機(jī)器人自主識別來完成。首先機(jī)器人采用視覺的方式對高爾夫球與球洞進(jìn)行識別，確定相對距離和方位；然后采用單臂或雙臂協(xié)調(diào)的方式進(jìn)行擊球；最后將高爾夫球打入洞內(nèi)里，實(shí)踐場地見圖1。

圖1 高爾夫機(jī)器人實(shí)踐場地圖

OpenMV 是一個機(jī)器視覺模塊，它的視覺識別原理是圖像識別技術(shù)，可利用Python 語言編寫代碼實(shí)現(xiàn)識別高爾夫球與球洞的功能，該集成板的外觀和尺寸見圖2。

圖2 OpenMV 實(shí)物圖及尺寸

本實(shí)踐采用類人機(jī)器人完成相關(guān)的智能化動作。舵機(jī)是一個能夠控制旋轉(zhuǎn)角度的電動機(jī)，它由傳感器、直流電機(jī)、控制電路和減速齒輪4 部分組成。舵機(jī)旋轉(zhuǎn)位置通過單片機(jī)產(chǎn)生的特定的PWM 脈寬控制信號控制，可通過控制PWM 波的高電平時間實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)角的變化的功能。

該機(jī)器人由多個舵機(jī)拼接組成，見圖3。這些舵機(jī)仿照人的四肢關(guān)節(jié)分布，以方便機(jī)器人更靈活地完成動作。類人機(jī)器人是智能機(jī)器人領(lǐng)域中不可缺少的一部分，類人機(jī)器人比輪式機(jī)器人更好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、搬運(yùn)等更復(fù)雜的動作。因此，類人型雙足機(jī)器人將在今后的智能機(jī)器人發(fā)展規(guī)劃中占極大比重。

該雙足機(jī)器人共17 個舵機(jī)，每個舵機(jī)都有其相應(yīng)的功能，由圖3 可知舵機(jī)分布情況。

圖3 類人機(jī)器人

（1）此機(jī)器人頭部有一個舵機(jī)，通過舵機(jī)的轉(zhuǎn)動結(jié)合搭載的攝像頭實(shí)現(xiàn)目標(biāo)搜索。

（2）機(jī)器人左右臂各3 個舵機(jī)，從上往下的功能依次是：第一個舵機(jī)用來控制手臂的前后擺臂動作，第二個舵機(jī)負(fù)責(zé)手臂抬降的動作，第三個舵機(jī)負(fù)責(zé)彎曲手掌的動作。

（3）機(jī)器人左右腿部各有5 個舵機(jī)從上往下的功能依次是：第一個舵機(jī)負(fù)責(zé)大腿部左右跨步動作，第二個舵機(jī)負(fù)責(zé)大腿部的前后抬腿動作，第三個舵機(jī)負(fù)責(zé)小腿部的前后抬腿動作，第四個舵機(jī)負(fù)責(zé)腳掌的前后踮腳動作，第五個舵機(jī)負(fù)責(zé)腳掌的左右踮腳動作。

2.2 實(shí)踐意義

使用線性CCD 作為圖像采集模塊存在圖像獲取時間長、效率低等缺點(diǎn)，本實(shí)踐采用基于OpenMV 的類人機(jī)器人，大大提升了實(shí)現(xiàn)效果。正是由于OpenMV 具有集成度高、體積小、易操作的優(yōu)點(diǎn)，因此實(shí)踐易于上手，進(jìn)而帶動學(xué)生積極性。OpenMV 內(nèi)部采用Python 語言編寫代碼，Python 語言是當(dāng)今人工智能發(fā)展潮流中最受編程人員歡迎的語言之一，其內(nèi)部封裝的庫函數(shù)能夠簡化程序編寫。針對目前大學(xué)生教育存在害怕編程等問題，此實(shí)踐采用Python 語言，讓每位初學(xué)者更喜歡編程，能夠大大提高動手能力。結(jié)合目前人工智能的發(fā)展趨勢，設(shè)計此實(shí)踐能夠很好地鍛煉學(xué)生的動手能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下基礎(chǔ)。通過舉一反三的方式，設(shè)計更多符合當(dāng)今時代發(fā)展趨勢的實(shí)踐項(xiàng)目將有效提升我校學(xué)生的專業(yè)技能水平，為國家輸出更多復(fù)合型人才。

3 實(shí)踐成果與分析

本實(shí)踐成功應(yīng)用到對機(jī)器人比賽的培訓(xùn)中，通過編程階梯式設(shè)計的方式，讓每位學(xué)生體會機(jī)器人帶給的成功喜悅。在教學(xué)實(shí)踐中，通過舉一反三的方式，該實(shí)踐方式還成功拓展出類人機(jī)器人的競走實(shí)踐活動、類人機(jī)器人的投籃以及點(diǎn)球?qū)嵺`，每個教學(xué)實(shí)踐的開展都能夠充分調(diào)動學(xué)生積極性，營造了更加良好的學(xué)習(xí)氛圍。

機(jī)器人比賽涉及多個學(xué)科、多個領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，也是創(chuàng)新教育、素質(zhì)教育與前沿研究相結(jié)合的有效途徑。參加大學(xué)生機(jī)器人大賽致力于培養(yǎng)大學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作精神、智能產(chǎn)品設(shè)計及仿真能力、智能算法開發(fā)能力以及人工智能應(yīng)用能力。通過組織參賽，在備賽、現(xiàn)場參賽各個環(huán)節(jié)都可以提高大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和科研技能水平，推動各相關(guān)高校大學(xué)生之間的科技文化交流。通過組織培訓(xùn)參加比賽近兩年獲獎情況見表2，競賽機(jī)器人見圖4。

表2 華北五省大學(xué)生機(jī)器人大賽獲獎情況

圖4 高爾夫類人機(jī)器人競賽

同時，在實(shí)踐教學(xué)中鼓勵學(xué)生自主創(chuàng)新，提高創(chuàng)作能力。圖5 為學(xué)生在實(shí)踐過程中自主設(shè)計的24 路舵機(jī)控制板，并成功應(yīng)用于實(shí)踐。在2018 年華北五省機(jī)器人比賽中，類人機(jī)器人所用控制板就是自主研發(fā)的電路板。

圖5 自主研發(fā)設(shè)計電路板

4 結(jié) 語

通過智能化教育的多種實(shí)施方式，為學(xué)生提供多樣化的學(xué)習(xí)方式，打破了傳統(tǒng)教學(xué)的弊端。通過以基于OpenMV 的類人機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐為例，舉一反三，為學(xué)生提供更多種實(shí)踐項(xiàng)目，取得了較好的教學(xué)效果。學(xué)生的技能水平得到了很大的提高，學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力有所改善。實(shí)踐證明，類似該形式的教學(xué)實(shí)踐能夠培養(yǎng)一批在機(jī)器人領(lǐng)域勇于創(chuàng)新、善于動手、奮勇拼搏的科技精英人才，符合當(dāng)今社會教育要求，能夠?yàn)樯鐣峁└嗟膭?chuàng)新型、交叉型、復(fù)合型人才。