葛艷紅，李文鋒，周建榮，姚道金

(1.武漢理工大學 物流工程學院，武漢 430070； 2.東莞市博思電子數(shù)碼科技有限公司，廣東 東莞 523000)

基于實驗教學的物聯(lián)網(wǎng)教育機器人設計與應用

葛艷紅1，李文鋒1，周建榮2，姚道金1

(1.武漢理工大學 物流工程學院，武漢 430070； 2.東莞市博思電子數(shù)碼科技有限公司，廣東 東莞 523000)

機器人教育的需要以及機器人本身所蘊含的教育價值，使得機器人被廣泛地用作多種實驗、實踐的教學平臺。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起、物聯(lián)網(wǎng)基礎設施的建設和綜合應用，為機器人教育和工程創(chuàng)新平臺的搭建開辟了新渠道。文中針對高校以機器人為對象的實踐平臺，以及機器人和物聯(lián)網(wǎng)專門研究的需要，開展了物聯(lián)網(wǎng)教育機器人的功能需求分析和設計，并以所開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)教育機器人模擬物理車輛，對停車場進行了實際場景的模擬再現(xiàn)和智能化管理實驗。

物聯(lián)網(wǎng)；教育機器人；創(chuàng)新平臺；實踐教學

機器人學已成為一個多學科交叉的新興學科，其核心是智能技術(shù)，外延則涵蓋了機械、電子、通信、控制、生物等多個學科和技術(shù)領域，具有高度的滲透性、創(chuàng)新性和實踐性，蘊含著豐富的教育元素。機器人在教育領域的應用表現(xiàn)出了無可比擬的教育價值和發(fā)展前景，其多學科交叉融合的特性為培養(yǎng)寬口徑、高素質(zhì)、復合型的工程人才提供了一個良好的平臺[1-3]。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和快速發(fā)展為機器人教育和教育機器人研究提供了強有力的技術(shù)支持和環(huán)境支持[4]，物聯(lián)網(wǎng)教育機器人在這樣的背景下應運而生。在教育機器人中引入物聯(lián)網(wǎng)元素，不僅擴展了機器人的功能性、智能性和趣味性，更拓展了學生的創(chuàng)新思維空間，提高了創(chuàng)新積極性。

1 物聯(lián)網(wǎng)教育機器人定義及功能分析

教育機器人是以激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)綜合能力為目標的機器人產(chǎn)品。將物聯(lián)網(wǎng)元素引入機器人系統(tǒng)，使教育機器人功能更強大，具有自主控制、智能傳感與標識、無線傳輸、分布式協(xié)同、智能交互等特點。這一類新型的具有物聯(lián)網(wǎng)理念的教育機器人，被稱為“物聯(lián)網(wǎng)教育機器人”[5]。物聯(lián)網(wǎng)教育機器人不僅拓寬了教育機器人的功能，也拓展了物聯(lián)網(wǎng)的應用。學生可以根據(jù)自己的需求，利用物聯(lián)網(wǎng)教育機器人產(chǎn)品所提供的主控制器、無線射頻識別(radio frequency identification，RFID)模塊、無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點以及驅(qū)動模塊等，方便地搭建自己的機器人和物聯(lián)網(wǎng)實驗場景，構(gòu)建分布式控制與協(xié)同實驗平臺、物流與交通實驗平臺等，從而更好地理解物聯(lián)網(wǎng)和機器人及其工程應用，滿足物聯(lián)網(wǎng)和機器人教育的需求，提升學生的知識應用能力、工程實踐能力。

物聯(lián)網(wǎng)教育機器人是一類新型的具有物聯(lián)網(wǎng)理念的教育機器人，主要是為教育服務，有別于工業(yè)/軍用機器人。兩者的主要區(qū)別見表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)教育機器人與工業(yè)/軍用機器人的區(qū)別

工業(yè)/軍用機器人一般用于特定的場合，完成特殊的用途，所以功能相對單一，但是對精度、可靠性、魯棒性的要求很高，不允許輕易出現(xiàn)故障，所以制造成本高，但對開放性和可重構(gòu)性要求不高。物聯(lián)網(wǎng)教育機器人正好相反，對精度、可靠性、魯棒性的要求不是太高，但是卻要求很好的開放性、擴展性和可編程性，以便能讓學生進行二次開發(fā)，動手動腦。同時要求多場景適應性，能不同組合構(gòu)建不同用途機器人實體，滿足不同方面的實驗需要。物聯(lián)網(wǎng)教育機器人最大的特點是允許故障再現(xiàn)，允許學生試錯，甚至可以人為制造故障以便通過實驗反證正確的理論和方法。

本文設計的物聯(lián)網(wǎng)教育機器人主要應用對象為工科大學生和研究生，目的是為他們提供知識應用、學科融合、實驗驗證、動手動腦的實驗平臺，在實驗、實踐過程中理解物聯(lián)網(wǎng)、機器人等相關技術(shù)的理念和內(nèi)涵。因此開發(fā)設計并研究的移動式物聯(lián)網(wǎng)教育機器人，希望體現(xiàn)以下八個方面的教育功能。

1.1 展現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵

“物聯(lián)網(wǎng)”的概念已經(jīng)被炒得如火如荼，但究竟什么是物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)包含哪些關鍵技術(shù)，學生們依然是一頭霧水。因此我們設計的機器人以及它的相關研究旨在體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的概念、內(nèi)涵、技術(shù)架構(gòu)以及應用。移動機器人可以作為物聯(lián)網(wǎng)中的一個移動智能終端。

1.2 機器人的技術(shù)普及

機器人從最初的專有軍事應用，到如今廣泛應用于工農(nóng)業(yè)，甚至已經(jīng)步入尋常百姓家，機器人技術(shù)已經(jīng)無處不在。因此機器人技術(shù)的普及和推廣是時代所需，這也正是我們開發(fā)設計教育機器人的目的之一。

1.3 多種硬件設備的展示

機器人包含很多硬件設施和設備，如機械結(jié)構(gòu)體、驅(qū)動單元、傳感裝置、控制系統(tǒng)等。在我們所設計的機器人平臺上可以充分展示這些硬件的功能和工作原理，并且可以通過實驗優(yōu)化這些硬件設備，以此幫助學生理解這些硬件的各項性能。

1.4 嵌入式操作系統(tǒng)的學習

現(xiàn)在的移動機器人大多為嵌入式機器人。隨著嵌入式操作系統(tǒng)的快速發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)比較豐富、成熟，且大多源碼開放，所以學生可以借此學習、移植嵌入式系統(tǒng)，并進行實驗驗證。

1.5 多種控制原理的實驗驗證

控制系統(tǒng)是移動機器人的核心，決定著機器人的整體性能。除了硬件本身的因素外，不同的控制方法直接決定著控制效果。在本文所設計的機器人平臺上可以進行各種控制原理和方法的實驗驗證和對比分析。

1.6 與其他技術(shù)的聚合應用

機器人技術(shù)可以和其他多種技術(shù)聚合應用，以拓展機器人的功能。將無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor network，WSN)和RFID作為機器人的高級傳感器，一方面可以大大擴展機器人的感知范圍和能力，與環(huán)境的交互更加具體和詳細；另一方面，也為WSN和RFID提供了新的應用環(huán)境和領域。

1.7 培養(yǎng)程序設計能力

在搭建好的機器人軟硬件平臺上，通過多種方法和途徑編寫符合協(xié)議規(guī)范的應用程序控制機器人，驗證程序的可行性和可靠性，鍛煉程序設計能力。

1.8 多種教學應用

該教學移動機器人除了為學生提供多種實踐平臺以外，也可供教師課堂教學時現(xiàn)場演示、示范之用。

2 物聯(lián)網(wǎng)教育機器人設計

物聯(lián)網(wǎng)教育機器人設計包含四個方面：機器人機械結(jié)構(gòu)設計，主控制器和傳感器模塊化設計，物聯(lián)網(wǎng)應用模塊設計以及系統(tǒng)軟件設計。在此不做機械結(jié)構(gòu)的專門設計和研究，只是用一些特質(zhì)的塑料接插件拼裝成能夠承載和容納其他所需器件的基本體即可。

2.1 主控器設計

控制系統(tǒng)是移動機器人的核心，負責對感知識別層生成的大量信息進行管理、處理、決策，對外提供服務。同時根據(jù)處理的數(shù)據(jù)結(jié)果或系統(tǒng)命令完成目標任務，或反作用于環(huán)境。在該模塊的設計中應主要解決數(shù)據(jù)如何存儲、如何檢索、如何使用、如何不被濫用等問題。

本文所設計的物聯(lián)網(wǎng)教育機器人需要較高的工作頻率、較快的處理速度、具有多種數(shù)據(jù)通信接口以及豐富的擴展接口，為此設計了一個具有雙層架構(gòu)的移動機器人控制系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

主控制器采用基于ARM9內(nèi)核的32位控制器，其較強的處理能力能保障控制算法的有效執(zhí)行；從控制器采用8位AVR單片機，用于收集機器人的傳感信息并實現(xiàn)機器人的運動控制。這種分級控制架構(gòu)有效緩解了由于多中斷源頻繁中斷給主控制模塊帶來的壓力(傳感器數(shù)據(jù)丟失，底層程序執(zhí)行周期過長，系統(tǒng)延遲等)，明顯加快機器人的反應能力，提高了機器人運行的穩(wěn)定性。由于控制器為主從式雙層架構(gòu)，因此其資源較單MCU架構(gòu)更豐富，大大增強了控制系統(tǒng)的處理速度和擴展能力。

圖1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 傳感器模塊化設計

模塊化設計是指通過對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能但不同性能、規(guī)格的產(chǎn)品進行功能的分析，再劃分并設計出一系列功能模塊，使用的時候，通過增減模塊數(shù)量或模塊的不同排列組合形成不同的產(chǎn)品，以滿足多元化的需求。

傳感器模塊是機器人的“五官”，根據(jù)需要可以選擇性安裝，即插即用。本文針對物聯(lián)網(wǎng)教育機器人的需要，設計了多種檢測傳感器和驅(qū)動器，如巡線陣列傳感器、紅外復眼傳感器、紅外測距傳感器、電子羅盤、高功率電機驅(qū)動器等。將這些傳感器和驅(qū)動器進行模塊化設計，一方面，增強了它們的通用性；另一方面，可以方便隨時拆裝與組合以適應不同的任務需求。每個模塊設計有標準的I2C總線協(xié)議接口、UART串口等多種通用數(shù)據(jù)接口，使模塊有很好的兼容性。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)單元模塊開發(fā)

物聯(lián)網(wǎng)單元模塊主要有RFID模塊、WSN模塊、藍牙通信模塊、Wi-Fi模塊等。這些模塊主要實現(xiàn)機器人的網(wǎng)絡功能、機器人之間的信息交互、機器人和環(huán)境之間的信息交互、機器人與上位機的信息交互。機器人的網(wǎng)絡功能通過Wi-Fi、3G等實現(xiàn)；而信息交互則通過WSN節(jié)點、RFID或藍牙實現(xiàn)，如圖2所示。

2.4 通信協(xié)議設計與開發(fā)

物聯(lián)網(wǎng)教育機器人涉及的通信主要包括：機器人控制器與物聯(lián)網(wǎng)模塊的通信，以及物聯(lián)網(wǎng)模塊之

圖2 機器人通信模式

間的通信，見表2。首先，要設計穩(wěn)定、靈活、魯棒性強的通信協(xié)議，確定各模塊間的通信接口，使之能自由組合；然后，根據(jù)設計的協(xié)議，開發(fā)機器人控制器底層驅(qū)動程序和各模塊上的通信接口程序。具體的通信協(xié)議(自制協(xié)議)在此略。

表2 模塊通信列表

2.5 系統(tǒng)界面設計

為了實現(xiàn)機器人的遠程可編程控制，本系統(tǒng)設計了一個基于socket連接的機器人網(wǎng)絡控制服務器。遠程用戶根據(jù)該服務器的接口定義，編寫基于socket連接的控制程序，遠程下載至機器人控制器，實現(xiàn)對機器人的自主控制，完成期望的任務。

考慮到目前Internet網(wǎng)上的網(wǎng)絡用戶多使用Windows系統(tǒng)，為了方便用戶使用，我們開發(fā)設計了PC機Windows系統(tǒng)下的客戶控制平臺界面，用戶遠程控制機器人時要填入移動機器人服務的ID，客戶端會自動連接相應編號的機器人服務器。

3 物聯(lián)網(wǎng)教育機器人實驗案例——智能停車場模擬實驗

該實驗是利用機器人模擬現(xiàn)實中的運動物體(車輛)，實現(xiàn)情景再現(xiàn)，為實際場景教學、大型復雜工作或生活環(huán)境預研提供濃縮版模型，如大型停車場的車位和車輛管理、物流公司的車輛調(diào)度等。

搭建機器人小車和“迷你”停車場如圖3所示。兩個機器人代表兩輛車輛，筆記本電腦代表停車場信息管理系統(tǒng)。機器人車輛攜帶電子標簽、WSN節(jié)點和避障傳感器。機器人車輛到達停車場入口處時，標簽被門禁RFID閱讀器讀取、識別，將車輛信息送入信息管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)按照就近原則分配空位給車輛機器人，并在系統(tǒng)中實時顯示。機器人收到指令后依次進入各自的車位。

圖3 多機器人模擬車輛出入車庫實驗

實驗結(jié)果顯示，無線通信確保了機器人之間以及機器人與管理系統(tǒng)之間的“連接”和信息交流；避障傳感器避免了機器人相互之間以及機器人與周圍“建筑”的碰撞并保持一定的距離；RFID使得機器人與停車場信息管理系統(tǒng)建立了聯(lián)系。實驗很好地體現(xiàn)了機器人之間的相互感知與通信，以及RFID、WSN等物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術(shù)的綜合應用。實驗不足之處：1)機器人數(shù)量有限，群體復雜性體現(xiàn)不夠充分；2)停車場信息管理系統(tǒng)指定空位給機器人需要有電子導航功能和相關設備的支持，目前還不能廣泛普及。

4 結(jié)束語

機器人教育離不開機器人平臺，工程應用教學離不開實體平臺。機器人本身具有的學科綜合性、交叉性、創(chuàng)新性已得到師生的廣泛認同，將物聯(lián)網(wǎng)元素引入教育機器人，構(gòu)建以機器人技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托的物聯(lián)網(wǎng)教育機器人平臺，不僅可以開展機器人和物聯(lián)網(wǎng)的教育和研究，開展工科學生的創(chuàng)新能力訓練和培養(yǎng)，更是機器人技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成應用的有益探索。

[1]王成軍，沈豫浙．開展機器人教育 培養(yǎng)創(chuàng)新能力[J]．中國地質(zhì)教育，2010(1)：109-111．

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[5]葛艷紅.基于物聯(lián)網(wǎng)的教育機器人關鍵技術(shù)研究[D].武漢：武漢理工大學，2013.

Design and Application of IOT Educational RobotsBased on Experimental Teaching

GE Yanhong1, LI Wenfeng1, ZHOU Jianrong2, YAO Daojin1

(1．School of Logistics Engineering,Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China；2．Dongguan BDS Technology Limited，Dongguan 523000，China)

As the demand of robotics education and the value of educational robot contains, it makes the robot widely used in a variety of experiment and practice teaching platform. The rise of IOT (Internet of Things) technology and the construction of IOT infrastructure and integrated applications, pave the way to build a robot platform for robotics education and engineering innovation. This paper focuses on robotics experimental platform in the university and the demand of research of robot and IOT, to design the educational robot based on IOT according to the functional requirements that be analyzed. Finally, the educational robot based on IOT is used to simulate the physics vehicle, to act the real scene of the parking lot and some intelligent management experiments.

internet of things；educational robots；innovation platform；practice teaching

2014-12-16；修改日期:2015-06-04

湖北省國際合作項目(2011BFA012)。

葛艷紅(1968-),女，博士，副教授，主要從事物聯(lián)網(wǎng)與機器人技術(shù)、Web技術(shù)與虛擬現(xiàn)實方面的研究。

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.007