基于STEAM機器人的創新實踐模式研究

李真

摘要：當前的編程教育實踐過程中，編程語言較為枯燥，多數學生對編程語言的學習興趣和自信心不足。針對教學需求，設計了一套“低碳環保”機器人實驗教學平臺，該平臺以WER（世界教育機器人大賽）比賽為基礎，將圖形化編程技術引入到學生編程教育，使得學生更加直觀地掌握代碼編程技能，該平臺包含各種電子模塊的底層驅動支持，以便學生在其基礎上控制各類硬件外圍設備，開展創新創意項目實踐。實踐證明該平臺具有良好的直觀性、綜合性和擴展性，不僅滿足了學生對軟硬件開發系統的學習需求，而且對大學生科技創新活動具有良好的促進作用。

關鍵詞：圖形化編程；機器人；實踐教學

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）27-0116-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

近些年來不斷倡導的STEAM教育理念，鼓勵孩子在科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）、數學（Mathematics）領域的發展與提高，培養孩子的綜合素養，從而提高其全球競爭力[1]。STEAM教育明確培養學生的三類技能，包括認知技能、溝通合作技能和創新技能[2]。其中，創新技能是將創新思維轉變為創新成果的中介，包含設計、構圖、表演、展示、建模等[3]，需要為學生提供豐富的探索和實踐機會，并在問題解決情景中提供概念、工具、經驗等，從而培養學生的創新技能。

在STEAM教育中，編程也作為思維訓練的一項重要內容被各界所廣泛認可。學習編程能培養抽象思維、邏輯思考、專注細心、創造力等能力，還能提高孩子的學習習慣和綜合素養[4]。隨著機器人、人工智能技術的發展，編程將成為時代的基本需求。編程教育不是為了培養程序員，而是培養未來一種基本的生存能力。

目前大多數高校都開展了C語言等程序設計類課程，但長期的教學實踐過程表明，學生學習編程語言的興趣和動力不足，解決實際問題的能力沒有明顯提高，動手能力和創新能力也不強[5-6]。近些年來圖形化編程逐步走進大眾的視線。實踐證明，圖形化編程的引入有利于學生快速掌握基礎的編程思想，獲得編程的興趣，并在此基礎上逐漸掌握代碼編程技能。基于此本文設計了一套“低碳環保”機器人實驗教學平臺，不僅可以滿足純軟件類的編程學習，而且能夠與硬件結合，滿足電氣自動化類大學生對軟硬件一體化系統的學習需求。

2 平臺整體設計

2.1 圖形化編程軟件

在圖形化編程中，構成程序的命令和參數通過積木形狀的模塊來實現，直觀明了，簡單易學。編程采用的是AbilixChart3.0圖形化編程軟件，如圖1所示。按照任務的需求編程主要分為巡線、圖像識別、運動控制等。其中巡線的穩定性是任務完成的最關鍵保證，決定著小車能不能順利達到任務點；圖像識別主要用來通過攝像頭完成物體的識別；運動控制主要是控制電機帶動機械臂來完成推拉、旋轉等動作。在此基礎上對任務從易到難一個一個進行挑戰，最后將所有程序進行相連，進行整體的調試。在編寫的過程中，發現程序較長，可以將重復的動作進行整理和打包編寫為子程序，用過主程序調用的方式，讓編程更加簡潔，也可以在后期調試過程中更容易地發現問題所在[7]。

2.2 硬件設計

本平臺設計使用的主控是SKCON9，如圖2所示， 它是能力風暴推出的新一代教育機器人積木系列人工智能控制器，硬件方面延續積木系列設計風格的同時，外殼提供更多結構孔，支持六面搭接，充分實現空間擴展；軟件方面，支持流程圖編程、條形圖編程、 C 語言編程等，有著豐富的學習和應用方式。

主控搭配各類傳感器、電機、機器臂等部件就可以完成機器人的搭建。本平臺搭建的低碳環保機器人屬于兩輪差速驅動機器人，使相比于四輪驅動機器人，該類機器人僅使用兩個電機驅動，運動控制模型簡潔，速度空間范圍更大，適合于通過狹窄區域。該機器人底盤布局采用兩驅動輪的同軸式布局，后置驅動輪采用大直徑驅動輪對稱分布在底盤兩側，使機器人旋轉中心與重心重合，保障了控制精確性與運動穩定性。前置從動輪選用小直徑萬向輪作為支撐輪，增強運動靈活性，在上述機器人底盤基礎上完成機器人主體的搭建，搭建所得的樣機實物如圖3所示。機器人的主題搭配不同機械臂設計就可以完成指定任務。

機器人運行場地分上下兩層，如圖4所示， 支架為金屬材質，兩層之間通過斜坡相連， 斜坡與一層場地夾角約為30度， 二層場地護欄為木板（高度10cm， 厚度1-2cm）。 在一層場地、 二層場地、斜坡上各鋪有場地膜。

場地上共有2個基地， 一層基地大小為30×30cm（長×寬）；二層基地位于斜坡頂端，大小為64×40cm（長×寬）。在一層和二層平臺上一共有17個可變位置，根據不同的訓練要求，可以在17個位置上放置不同的任務對象，讓機器人小車通過尋跡到達指定地點完成任務。例如：在二層平臺上放置風力發電模型，則機器人小車需從一層基地通過斜坡到達二層基地，然后運行到風力發電模型的位置，再通過機械臂旋轉使發電風扇轉至 2 秒以上，視為發電成功，完成該任務后可以繼續完成其他位置的任務或者返回基地。

3 實踐教學任務設計

下面針對幾個經典的實驗案例來進行介紹：

（1）圖像識別，綠色購物、能量研究院任務機械臂搭建

圖像識別和綠色購物的任務是指機器人首先將識別樣本的信息準確地記錄下來，然后小車運行到綠色購物的位置，將與剛才識別的樣本信息同樣的物品取下。能量研究院則是小車運行到指定任務位置識別位置上的二維碼并顯示二維碼所代表的的文字信息。圖像識別、綠色購物、能量研究院這三個任務的共同點是利用攝像頭采集任務點的圖像信息。

如圖 5 所示，將兩塊2×4一號板結合在一起，利用緊配銷將4根長度最長的11孔直梁固定在板上，盡可能墊高中電機高度，使攝像頭距離待識別物塊一定距離，實現精準識別。利用U型梁和錐直齒輪結構相結合帶動機械臂轉動。將50軸插入中電機，中電機工作時將帶動50軸及以其為軸的12半高錐齒輪轉動，從而帶動U型梁上與其嚙合的20半高錐齒輪轉動，該齒輪能帶動其左右連接的兩個90 度梁運動，最終使機械臂能夠上下轉動，完成任務。此外，為保證能量塊在小車前進和轉向過程中不滑落，將5×7 方形梁結合在兩根90 度梁后端，90度梁高于機械臂上端的其他梁結構，能夠防止能量塊從左右兩側掉落。5×7方形梁能夠防止能量塊在小車加速時由于慣性從后掉落。在機械臂前端插入兩根長度較短的軸，并在軸前端連接90度聯軸器，這樣的鉤狀結構能夠有效地增長機械臂的長度，保證物塊能夠被機械臂撥離平面，同時機械臂不撥下旁邊的其他物塊。

（2）放置能量堆芯，植樹造林任務機械臂

利用緊配銷將2×4一號板以垂直于中電機平面的方式與電機孔位結合，適當增高電機所在高度，保證能量球能夠被精準投入框內。如圖 6 所示，用緊配銷和梁結構將126度4×6梁固定在電機頂部，這樣的結構設計較為巧妙，能讓小車在巡線過程中順帶完成任務。當小車到達能量堆芯附近時，電機差速轉動驅使小車加速左轉，進而使電機上方的梁向左撞擊密鑰手桿，能量堆芯掉入目標區域。利用兩個3×5 90度梁與3倍緊配銷結合，組成收納能量球的框架，并在框架左右兩邊用3孔梁進行加固，防止運動過程中小球掉落。采取與圖像識別機械臂相同的方式帶動機械臂擺動，即利用U型梁和錐直齒輪結構相結合進行傳動。20半高錐齒輪轉動時，能夠帶動穿過其軸心的50軸轉動，進而使得裝載小球的框架下擺，完成放置小球的任務。

（3）巧取能源與采取能量塊任務機械臂搭建。

由于完成這兩個任務不需要機械臂進行較為復雜的擺動或旋轉操作，此機械臂設計并不復雜，主要分為上部和下部兩個部分，如圖 7所示，機械臂上部，兩根長度最長的直梁分別通過兩塊3×5 90度梁結合在一塊5×7方形梁的兩端。兩塊5×7方形梁后端通過緊配銷左右對稱地結合在與直梁結合的方形梁兩端，前端結合由兩根11孔直梁和3孔 直梁構成的簡單梁結構。兩塊方形梁可在小車前行時推動活動推桿，完成采集能量塊任務。較長直梁用于在巧取能源任務中打開下部解鎖裝置，而較短梁則能解決了能量塊下落時被卡住無法落入機械臂的問題。機械臂下部結構全部采用梁搭建，由直梁和兩根126度梁構成裝載能量塊的平面，有效防止了小車轉彎時能量塊從旁側滑出的問題。

（4）收集能量球任務機械臂

該機械臂結構如圖8 所示，采用20聯軸器將80軸固定在方形梁前端中間位置，利用90度聯軸器連接該軸與50軸，在50軸的另一端插入1個90度聯軸器，形成鉤狀結構。采用大電機驅動機械臂轉動，將兩個3×5的90度直角梁固定在大電機左右兩側，用緊配銷將方形梁與兩個直角梁結合，小車行駛到任務地點附近時，方形梁對齊小球所在平臺，在小車前行的過程中推動平臺后移。待小球下落后，電機轉動便可帶動方形梁上方的鉤型結構轉動，從而鉤住能量框，將其帶回基地[8]。

4 實踐平臺對大學生科技創新活動的促進作用

大學生學科競賽、科技立項等各類科技創新活動，對學生的綜合應用能力培養具有極其重要的作用，且大多數競賽中都包含了程序設計這一環節，并且占比有越來越大的趨勢。除了培養學生的編程技能之外，編程教育還可以培養學生的綜合能力，促進其溝通合作和創新技能的發展。

該創新教育平臺不僅使得有創新和實踐想法的學生有地可去、有事可做，而且為我院的大學生科研創新基地開放注入了新的內容和活力。2017年以來，該創新教育平臺培育了一批學生，在智能汽車競賽、機器人創意大賽、電子設計競賽等各類省部級科技創新競賽中獲獎50余項，并且學生們積極申報各類科技項目。該創新教育平臺不但可以降低同學們的學習門檻，提升學習效率，而且對各類學科競賽、科技立項等有較好的支撐作用，大大提高同學們參與科技創新實踐活動的積極性，氛圍日漸濃厚，整體創新能力得到了顯著提升[9]。

參考文獻：

[1] 彭敏，郭夢嬌.STEAM教育的基本內涵與發展路徑研究[J].教育理論與實踐，2018，38（25）：14-18.

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[3] 李瑞生，王秋云，安德智，等.計算機程序設計類課程實踐教學的改革與創新[J].實驗技術與管理，2012，29（4）：183-185，198.

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[5] 劉明，陳講清，聶銀鑫.基于云端一體的實驗室監控系統設計與實現[J].實驗技術與管理，2018，35（10）：68-72.

[6] 朱軼，曹清華，單田華，等.基于Android、樹莓派、Arduino、機器人的創客技能教育探索與實踐[J].實驗技術與管理，2016，33（6）：172-176，206.

[7] 商新娜，張寶森，孫連英，等.基于自研硬件設備編程的程序設計基礎課程教學改革探索[J].實驗技術與管理，2014，31（7）：182-185.

[8] 陶虹平，張小青.促進計算思維落地——計算機編程上機實踐教學改革[J].教育教學論壇，2018（48）：78-79.

[9] 楊力.基于WebKit的圖形化編程軟件[D].長春：吉林大學，2015.

【通聯編輯：李雅琪】