基于Scratch和ROS的教育机器人编程与实现

　　教育机器人涵盖计算机科学、教育、自动控制、机电、人工智能等领域。它们是机器人在教育中应用的典型案例，旨在培养学生分析、设计、实践和创造的综合能力。本文首先介绍了国内外教育机器人的研究现状和技术发展趋势。然后，通过文献分析和比较，提出了当前教育机器人发展中存在的主要问题。然后，本文探讨了Scratch和ROS教育机器人的编程和实现，并将图形、解释和编译三种编程语言集成到一个教育机器人中。最后，通过仿真和实验验证了所实施的教育机器人的有效性。

　　机器人作为制造业皇冠上的明珠，历经500 年的不断发展（从16 世纪西班牙自动祈祷的机械僧侣起），目前已经全面进入“机器人+”时代，周围涌现出各种新奇智能的黑科技，如机械狗、无人机、自动驾驶汽车以及各类服务机器人……其中，教育机器人包括“应用于教育行业的服务机器人”和“机器人专业教育”两个方面，已经成为工业机器人和服务机器人之外的第三类机器人发展领域。教育领域中的机器人将增强或延伸教师的表达能力、知识加工能力和沟通能力；机器人教育将激发广大学生对智能技术的学习兴趣和动力，并大范围提高学生信息技术能力，提升数字时代的竞争能力。在全球教育机器人研究领域中，根据国际权威文献库调研，文献引用数量处于前列的国家有美国、瑞士、意大利、日本和英国等，研究主要聚焦在机器人教育、语言教育和特殊教育领域。在“机器人+课堂”方面，日本和韩国更为普及［1］。机器学习、自然人机交互、仿生科技是教育机器人研发中需要长期探索的关键技术。人们期待教育机器人能像人一样思考、像人一样行走、像人一样互动，并做出如同“真人”一般的细腻动作［2］。对于教育机器人的编程与实现，各国学者做了大量研究，文献［3］设计了ICalico 和Calysto 开发工具，用于教育机器人帮助学生进行机器人编程和人工智能学习。文献［4］介绍了应用于国际比赛和移动机器人教育的中小型机器人开发，主要面向高年级本科生和研究生的项目导向课程，极大提升学生知识整合和应用能力，包括路径规划和迷宫解算等人工智能算法实践。文献［5］引入NASA 火星探测项目场景，构建SIPI 实验室，学生通过机器人编程实现远程操作机器人等任务。文献［6］提出了一种群机器人教育平台，使用ROS 框架进行实验教学和研究。文献［7］开发了一款超低成本模块化和可扩展的教育机器人，装配有局域网和英特网功能，配套在线课程（MOOC）并提供虚拟环境实验室。

　　本文在综合分析国内外教育机器人基础上，针对机器人编程的特点，基于开源软件开发实现了一种新型教育机器人，主要内容包括教育机器人问题描述，基本系统配置，多语言转换实现，仿真与实验验证等。

　　目前国内外大部分教育机器人产品针对不同基础和年龄进行设计开发，提供了非常丰富的课程和学习方案。但是并没有将适用于零基础的图形化编程无缝扩展至语言编程。本文实现的教育机器人方案，将图形化、解释型、编译型三种类别编程语言融为一体，让学生在进行人工智能和机器人编程时，能够将三类编程方法对比分析，更好的掌握机器人编程。在ROS 机器人操作系统下，低年级学生可以用Scratch2 进行图形化编程，到中高年级用Python 进行简单编程，进入大学之后用Python 和C++进行复杂机器人编程，循序渐进，不断深入学习研究。接口示意如图1 所示，方案提供了三种编程语言实现机器人环境感知和运动控制等，这三种方式都可以通过ROS 消息机制直接控制仿真或真实机器人运动。同时，Scratch、Python 和C++可以通过相应的模块进行编程转换，将在下节详细介绍。