【中学生创客.虚拟机器人】1.1机器人是什么样的

第一节 机器人是什么样的

一、任务初探

什么是机器人，机器人在现实生活中有什么作用？在一般的中小学里，我们接触到的机器人是什么样的，是否像科幻小说中描述的那样，具有超级强大的能力？我们要学习机器人技术，该从哪些方面着手，能通过什么途径？

二、知识汲取

（一）机器人概念

捷克著名剧作家和科幻作家卡雷尔·恰佩克在 1920 年发表了科幻剧本《万能机器人》， 发明了机器人 Robot 这个词。在以后的几十年中，机器人的技术一直在不断的发展，新的机器人的形状和功能不断的涌现，以致科学界都很难给机器人下一个准确的定义。很多国家的社会机构都给机器人下了各种各样的定义，但众说纷纭，难以统一。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”

机器人外观上并不都是仿人形的，还有车型、蛇形、圆形、方形等各种不同的形状，它可以根据不同的使用环境和要完成的任务需要而采用不同的形状。

（二）机器人的三原则

随着科技的发展，机器人具有越来越强的智能和其他能力。为了使机器人能更好的服务人类社会，避免对人类照成伤害，在 1940 年美国科幻作家阿西莫夫提出了“机器人三原则”：

第一条：机器人不得伤害人类，或无故使人类受到伤害。

第二条：机器人必须服从人类的命令，除非这条命令与第一条相矛盾。第三条：机器人必须保护自己，除非这种保护与以上两条相矛盾。

后来科学家们又在这三原则基础上添加了其他的原则，以使机器人的行为能得到更好的约束。但机器人三原则已成为实际机器人工业中需遵守的准则。

（三）机器人的应用

机器人的种类很多，应用的范围也非常广泛，尤其在一些会对人类健康产生危害的领域，  如有毒，高辐射、深海探测等工作环境更是发挥着不可替代的作用。有应用在工业生产中的工业机器人，如焊接机器人；有应用在战场上的军事机器人，如排雷机器人；有运用在服务领域的机器人，如扫地机器人；有运用在娱乐上的机器人，如机器狗。总之，现代机器人已经渗透到我们的生活中，在各行各业发挥着重要的作用。

（四）教学机器人

为了能让同学们学习机器人技术，很多公司开发了各种各样的教学机器人，同学们可以通过这些教学机器人，来了解机器人的工作原理，可通过编写程序来控制机器人的运行。

教学机器人一般都有一个控制系统，为了节省空间和功耗，以前的教学机器人一般采用8 到 16 位的单片机来作为控制系统。现在基本上是由 32 位的处理器来担当。在这里运行预先编制好的程序，它是机器人的指挥中枢，负责数据的处理和命令发送。

教学机器人是一种具有高度自动化的机器，它具有对外界环境进行感知的能力，并能自己做出一定的反应。人们要从外界获取各种信息，需要借助我们的感官系统。机器人要感知外界环境变化，也需要这种类似的系统。传感器就是机器人的感官系统。传感器是一种检测装置，它能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。传感器的种类非常多，从功能上来看，有红外传感器、颜色传感器、声音传感器、触动传感器、角度传感器、超声波传感器等；从采集的数据输出结果来看，可分为模拟传感器和数字传感器。随着科技的发展、传感器的种类和测量精度也在不断的提高。

教学机器人一般也有驱动系统。机器人控制系统发出的指令，通过电信号，传送到驱动系统。教学机器人的驱动系统一般分为直流电机和伺服电机等。直流电机的转速比较快，类似汽车的马达。伺服电机能根据给定的数值，转过比较精确的角度，如同人的关节。

（五） 虚拟机器人

当前很多中小学陆续开展了机器人活动。随着活动的深入，也碰到了很多问题：

（1）因为机器人设备在价格上相对还比较昂贵，而且也比较容易损坏，给大规模开展学习活动带来了阻碍。

（2）机器人的不同传感器的应用对环境均有一定的要求，如环境不佳则将引起传感器无法获取正确的环境值，在普通的教学环境中要达到这个要求比较困难。

（3）每个教学任务都需要不同的任务场地，且这些任务场地往往是三维的，使得学校很难准备这么多的场地。

以上等种种问题，导致现在的中小学机器人活动无法大范围开展，使得众多对机器人科学感兴趣的同学只能望而兴叹！

但学习机器人技术有利于提高同学们的思维创新能力、程序编写能力、团队合作能力。  如何能让更多的同学参与到机器人技术学习中来，享受机器人带来的乐趣。虚拟机器人技术解决了这一系列的问题。

虚拟仿真机器人平台允许用户在计算机上创设各种不同的场景，搭建机器人，添加各种传感器，编写程序，并模拟运行。虚拟

机器人平台使得面向大众的机器人教学成为可能。当前在中小学教学中应用比较普通的机器人虚拟平台主

要有以下几种：

1．纳英特虚拟机器人平台 NSTRSS

NSTRSS 是纳英特公司推出的一款以.NET 平台为基础，使用 Microsoft DirectX9.0 技术的 3D 机器人仿真软件。用户通过构建虚拟机器人、虚拟环境，编写虚拟机器人的驱动程序，模拟现实情况下机器人在特定环境中的运行情况。

它具有如下的特点：  

（1）全 3D 场景。用户可自由控制视角的位置，角度，甚至以第一人称方式进行场景漫游。

（2）实时运行调试。运行时，依据实际运行情况，调整机器人参数，帮助用户快速实现理想中的效果。

（3） 

自由灵活的机器人搭建与场地搭建。用户可自由选择机器人及其配件，进行机器人搭建，可自行编辑 3D 训练比赛场地，所想即所得。

（5）与 NSTRobot 无缝连接。NSTRobot 生成的控制程序代码可有 NSTRSS 直接调用， 大大节省编程时间。

2．中鸣 3D 仿真平台中鸣 3D 仿真平台是

一款使用虚拟仿真技术开发的，集机器人搭建、比赛场地设计和 3D 仿真于一身的软件平台。

这套 3D 仿真平台主要应用于机器人编程的教育以及竞赛方面。最大的特点是用户可以自行搭建机器人，根据自己的需要设计机器人的结构以及功能，然后将编写好的机器人程序导入机器人就可以放到三维虚拟的比赛场地上面完成任务，或者和其他对手同台竞技。

除此之外，开放场地的设计也可以提高整套软件的灵活度，用户可以自行设计比赛，在娱乐的同时不断积累知识，更有兴趣投入学习。

软件中集成了机器人快车来进行程序编写。机器人快车采用图形化编程的方式，简单易学，简单而实用。

3．LEGO Digital Designer

LEGO Digital Designer，简称 LDD，是由乐高公司开发的一款仿真设计软件。该软件提供了大部分的乐高组件，逼

真程度非常高，可以根据自己的需要设计搭建机器人。该软件还可以很轻松的生成每一步搭建步骤，并且列出每个步骤所需要的组件。其他人按照这些步骤，利用真实的乐高组件，可以完整的把在电脑上设计好的作品搭建出来。但该软件不能设计程序，也没办法导入编制好的程序，所以只能用来设计机器人模型。

4．iRobotQ 3D 机器人在线仿真平台

该仿真平台平台是基于网络互动模式设计，以强大物理引擎作为技术支撑， 以机器人为载体的科技创新平台。该平台提供了丰富的场景元素，用户可以通过简单的堆积组合就能方便构造一个任务场景，场景有点类似游戏中的创意， 比较能吸引同学们的兴趣。提供了物理引擎的支持，任务中的各种元素具有了重量、体积、摩擦、能耗、力等物理属性，任务变得更加贴近真实环境。同时，该平台脱离了硬件的限制，可以提供形态功能更多的机器人组件和传感器，使得任务的设计可以更加丰富。该平台基于网络平台，使得机器人活动的组织变得更加方便，同学们也有了更多竞争交流的平台。