基于NAO机器人在高职人工智能机器人专业教学中的应用

    郭钺

    摘 要：将NAO机器人虚拟仿真软件Choregraphe图形编辑程序应用到高职人工智能机器人专业教学中，可以完成学生对人工智能机器人认识、编程实践操作、指令盒数据库及3D仿真演示等，实现了教学内容与工作能力的有效对接，提高了教学的安全性和趣味性，为后续人工智能机器人实操实训打下良好基础。

    关键词：Choregraphe; 图形编辑; 人工智能机器人; 专业教学

    中图分类号：TP249 ? ? ?文献标识码：A? ? ?文章编号：1006-3315（2019）04-126-001

    Aldebaran Robotics公司出来的NAO是目前世界上最为人熟知且是最广泛地应用于教育和研究上的人形机器人。作为机器人足球世界杯指定的官方平台，人形机器人NAO由25个关节构成，每个关节由电机和电动制动器控制，装配有摄像头、红外传感器、超声波传感器、惯性器件等，而NAO机器人通过使用红外线传感器、无线网络、相机、麦克风和扬声器与人进行互动。用户可以通过上述设备来完成输入。而状态输出可以通过多个LED和扬声器来传递。NAO机器人具有丰富、强大的函数库，在Linux，Windows，Mac OS等操作系统下，均可利用C++，MATLAB，Python语言、以及基于图形接口编程的Choregraphe对其编程操作。目前，全球多个高等学校和研究机构已将NAO机器人用于教育和科研工作。2017年咸阳职业技术学院电子信息学院引进NAO机器人平台，并将其用于第二课堂及技能大赛，意在锻炼学生的创新能力和科研能力。

    将Choregraphe应用于NAO人工智能机器人专业教学中，可以滿足在没有人工智能机器人实训设备的情况下进行人工智能机器人课程教学的要求，通过虚拟仿真技术建立机器人工作场景，实现机器人工作路径规划等工作，让学生掌握人工智能机器人技术。

    1.Choregraphe在NAO人工智能机器人专业教学中应用的价值与意义

    1.1实现与岗位工作能力对接

    离线编程、虚拟仿真技术在人工智能机器人运行、调试、维护等工作岗位中得到广泛应用，在高职教育中主要是培养学生提前适应岗位工作的能力，将离线编程仿真技术作为课程融入到人工智能机器人专业教学中，在学校对学生进行离线编程、虚拟仿真技术培训，以便能有效的实现教学内容与岗位工作能力无缝对接。

    1.2提高教学安全性

    人工智能机器人实训设备的控制操作需要严格遵守机器人安全操作规程，一旦违规操作就可能发生危险，对学生或设备造成伤害，采用Choregraphe虚拟仿真软件在电脑上模拟实际动作，机器人速度过快、路径运算错误以及运行关节点错误等都可以在发现问题后及时进行改正，直到调整到最佳状态而不会发生任何危险，保证了教学的安全性。

    1.3提高教学趣味性

    通过丰富的教学项目，以Choregraphe图形编程系统创建虚拟工作站，通过Python汇编语言让整个机器人控制系统自主运行，通过虚拟仿真3D来实现机器人运动的动画，让学生可以看到机器人模拟演练的效果，以提高学生的成就感与积极性。

    2.Choregraphe在人工智能机器人专业课程教学中的应用

    2.1课程体系连接人工智能机器人虚拟仿真课程是基于机器人控制系统调试与维护岗位能力分析，采用虚拟仿真软件搭建智能系统控制平台，对机器人系统进行离线编程、仿真、调试，最后将仿真调试好的程序应用于机器人运行中，主要培养学生智能电机控制系统的编程、仿真调试能力以及学生分析问题、解决问题的能力。相关课程可与人工智能机器人基础、Pathon语言汇编进行互通。

    2.2人工智能机器人认识实践

    NAO人工智能机器人所应用的图形编程软件Choregraphe的指令数据库涵盖了一共70个大约11种不同类型的指令。指令资料库的配置如下：LED：可以控制NAO的LED。传感器：可以取得NAO的传感器。逻辑：用于逻辑运算。数学：有关数学的指令盒以及可以产生随机数。动作：许多不同动作。行走：可以走路。声音：可以输入/输出的声音。影片：可以使用相机来辨识物体。追踪：可以追踪特定物体。工具：可以调整其他盒子的输入。通信：可以使用信箱、蓝牙和红外线通信装置。

    这些指令来控制机器人完成一系列复杂的动作。NAO机器人总共有25个关节：头部关节2个，每个手臂各有五个（总共10个），每条腿各有五个（总共10个），一个在骨盆，2个用在执行手的开合运动。每个关节可以独立控制，但在骨盆的两个关节需同时控制。每个关节都有一个角度的限制。将机器人模型导入到Choregraphe后，打开3DNAO界面，用户可以输入关节值来使机器人移动。关节坐标运行中可以看到机器人的关节轴所在的位置，每个关节轴的当前运动角度。通过调整线性控制按钮来改变关节轴承旋转的角度及距离;可以观察机器人运动的三维动画来查看机器人应用能力，并且可以多视角观察机器人运行状态，仿佛机器人就摆在学生面前，让学生对NAO机器人产生感官上的认识。

    2.3编程实践

    人形机器人NAO所提供的大部分功能可以通过 Choregraphe图形编程来实现。很多不同的任务像是打开LED，重复几组动作，发出声音等等都可以被Choregraphe指令支持，而且可以被用来执行很多不同的机器人任务种类。然而执行不被现有指令支持的任务却很困难，这种情况下我们可以使用 c/c++和python语言来建立新的指令。

    3.结束语

    将人工智能机器人NAO的Choregraphe图形编程软件引入到人工智能机器人专业教学中，将学生轻易接触不到的人工智能机器人呈现在学生面前，学生可以通过指令库中已有的指令、手动语言编程等方式让机器人完成指定动作，还可以通过软件进行虚拟动画仿真，在电脑上完成整个机器人系统的编程调试工作，提升了教学的安全性，并且能够进一步提高学生的学习兴趣和动力，取得了良好的教学效果。