摘 要：本文根据教育机器人适用的对象将其分为学习型教育机器人和比赛型教育机器人，针对机器人教育的特点，提出教育机器人设计的总原则，从机械平台、电子器件和控制器、软件平台三个方面研究教育机器人关键技术要求。
关键词：教育机器人；关键技术；移动机器人；机器人教育
机器人技术水平是衡量国家科学技术发展水平的一个重要标志，是多数发达国家和许多发展中国家重点研究发展的高新技术。西方发达国家已经利用机器人技术为社会带来广泛的促进作用和深远影响，如前沿的太空飞行器机器人控制技术、将来有应用前景的地面无人车技术、以及面向家庭并且已经广泛应用于千家万户的扫地机器人等。机器人的研究与应用涉及到的技术学科十分全面，其需要控制技术、检测技术、电子技术、通信技术、机械技术和计算机技术等，是进行技术教育的优秀载体，也是全面培养学生信息素质提高其创新精神和综合实践能力的良好平台。因此，需要把机器人教育引入中小学，引入大中专院校，以教育机器人为教学平台，促进技术学科的教育发展。有利于探索教育改革和人才培养的新途径、新方法，有利于高素质人才的综合培养，同时将推动我国机器人知识和技术的普及。
因此，2003年教育部颁布的普通高中新课程标准将“人工智能初步”及“简易机器人制作”分别列入信息技术和通用技术课程的选修内容；《普通高中物理课程标准（实验）》也针对性地提出“收集资料，了解机器人在生产、生活中的应用”的教学要求；从2003年起，全国中小学电脑制作活动中增加了教育机器人比赛的内容。近几年我国的机器人教育得到较快的发展，但是还存在许多问题：一方面，我国的功利性的教育目标和机器人教育提倡的教育理念还不一致；另一方面，作为机器人教育的实施载体的机器人产品缺少规范，性价比高、适用教学的教育机器人产品比较匮乏。本文以教育机器人的教育目标作为指导思想，分析和研究机器人教育的教育理念，提出教育机器人关键技术应满足的技术要求。
一、教育机器人的界定与分类
教育机器人其硬件和软件架构是为了教育展示和学生的使用，是一种轻工业应用。有学者指出：教育机器人是结合教育学和机器人学原理，以教学为最终目标而制造的机器人，它主要用于辅助讲解机器人的工作原理及机器人学相关学科的基本原理。虽然工业机器人、军用机器人等高科技专业机器人也可做为教育机器人使用，但是其主要功用是机器人本身的技术价值和使用价值。而专门的教育机器人是以教育为第一目的，它是由生产商或者研究机构开发设计，以教育理念为指导，用以激发学生学习兴趣、培养学生表达、思考和创新等综合能力为目标的机器人。其教育目标不在于深入学习机器人专业知识，而是在机器人教育活动中引导学生掌握各种机器人器件的结构和功能、掌握简单的控制技术、学会观察分析和合作、培养学生的动手和创造能力。
教育机器人依据面向的用户对象层次分类，可分为针对高等教育的学习型机器人，和针对基础教育的比赛型机器人。学习型机器人主要目的在于培养学生的综合能力，这类机器人一般具有比较开放的硬件和编程平台，它一般能够提供多种编程语言，能够允许用户自由拆卸和组合机体结构，并允许用户自行设计某些部件，这类机器人的控制较为复杂，能够进行较高层次的科研，其难易程度比较接近专业机器人；比赛型机器人主要目的是用于激发学生的学习兴趣，一般只提供一些标准的器件和程序，编程简单，一般提供图形化的编程界面，只能够进行少量的改动，适用于水平不高的爱好者来使用，用于参加各种简单的机器人竞赛。
比赛型教育机器人是用来作为测试学生的载体，通过该机器人平台的使用，以务实的方式向学生讲授不同的概念，如运动控制，轨迹规划，或远程操作等。进修比赛型教育机器人课程的学生只是使用机器人平台，他们并没有开发平台。学生做的工作是利用该平台，测试不同的硬件模块和软件应用程序。而学习型机器人一般作为科研工具提供给大学生使用，尤其适合研究生以上学历的学生。
二、教育机器人的关键技术
几年来，我国的教育机器人产业也得到较快发展，市场上教育机器人的品牌较多，并各自形成特色。然而，由于我国没有制定机器人产品的统一标准，生产商和研究机构各自从商业角度来开发和设计产品，与机器人教育理论融合程度不高。由于没有遵循教育理念来设计和开发教育机器人，造成教育机器人各品牌的软硬件自成体系，大多互不兼容，开放性差。此外，还未形成技术实力特别强和市场份额特别大的领导型公司形成事实的行业标准来引导教育机器人行业的发展。
针对上述问题，教育机器人的技术要求可以从如下几个方面考虑：首先，教育机器人产品应具有低价实用、开放性好、兼容性强的特点，降低用户购买和使用的门槛；其次，教育机器人产品应系列化和标准化。建立教育机器人技术标准一方面可供企业研发机器人产品提供行业指导，另一方面也作为学校选用合适的机器人的参考标准。为了方便用户使用和维护机器人，教育机器人设计应遵循模块化的原则，建议总的设计原则如下：（1）硬件和软件模块平台是开放的，硬件和软件单元必须是易于增减；（2）模块具有独立性，即整体系统工作时或者不拆卸整个系统的情况下，也能对独立模块进行设置和操作；（3）可操作性；（4）鲁棒性；（5）人在工作环境中操作设备的安全性；（6）较为精确的运动能力；（7）高度自治的能量，拥有电池组，机器人运行时不需要外部供电；（8）能够自主或是在遥控模式下执行任务；（9）易于编程，机器人本体和编程平台之间通信操作方便。教育机器人平台根据其功能特性分为如下几个模块（图1）：
（1）机械平台
机械平台是教育机器人的结构框架，机器人本体的各机构模块需要设计成可以接插的各种标准连接件。竞赛型和学习型教育机器人其机械平台设计的原则不同：竞赛型教育机器人，其应该具有较强的“搭积木”的特性，用户可以根据比赛要求将机器人搭建成不同的形状；学习型教育机器人其机械平台结构形状比较固定，一般不能做较大的改动，但是要求功能扩展性比较强，能够连接多种外设、传感器和执行机构，能够提供较大的驱动力、负重能力，有较强的能源续航能力，一般能把PC作为控制器。
（2）电子器件和控制器
电子器件一般是设计成一块包含了各种传感器、控制芯片和驱动电路的电路板，同时通过结构牢靠，方便连接各种数据接口的外壳封装成一个“盒子”。这些芯片包括主控芯片，电机控制芯片，通信芯片，传感器信号处理芯片，电源转换芯片等。硬件平台通过外连的传感器了解外部的各种情况，作出判断后对机器人的各个部件发出指挥命令，从而控制机器人的所有行动。
控制器是控制机器人感知与决策的核心器件，用于运行机器人控制程序，提供用户界面接口，完成坐标变换、运动规划和任务作业等。通用PC运算能力强，技术成熟、可靠性高、数据接口具有开放性，因此学习型教育机器人的控制器可选用PC为主控制器，设计机器人时可以将PC主板固化在机器人的机体上，但是这种设计使得机器人后续升级较为麻烦，另外一种形式是设计接口，将笔记本电脑作为控制器安放在机器人平台上。开发人员可以选择合适的软件、硬件，以较低的成本组成较强性能的系统，而且还方便进行二次开发。比赛型教育机器人由于其工作任务较为简单，对控制器的运算能力要求不高，且机体较小，电池组的容量有限，可采用DPS，ARM芯片作为控制器。
（3）软件平台
软件平台作为PC上位机，用于提供给用户编写机器人控制程序。通过编译器编译，将写好的控制程序最终下载到机器人的控制器中。教育机器人其编程界面可以设计成两种：一种是适合高级用户使用的代码语言界面，这种一般是学习型机器人的编程方式；另外一种是适合于初级用户使用的图形化界面，这种一般是比赛型机器人的编程方法。两种语言都通过编译器编译后将代码下载到控制器中。
图形化设计界面应包括 “模块库”（表1）和“流程设计”，前者用于方便用户确定操作对象，后者用于联系和控制这些模块。在图形化界面中还应设计一个面板，用于存放从模块库中选中的控件对象，用户设计机器人程序时将这些控件对象组合成完整的流程图，在各控制节点中加入适当的控制参数，然后转化为代码语言程序，最后编译下载到机器人的控制器中。此外，图形化的编程界面还应该具备模拟环境的功能，即可在计算机屏幕上创建虚拟机器人及场地环境，能模拟显示机器人运动的轨迹和参数的动态变化，以适应机器人教学需求和相关各种比赛项目。