传感技术在教育机器人中的应用
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作者: 陈树刚
概述
教育机器人是一类应用于教育领域的专用机器人，有着自己独特的教育特点：首先是教学适用性，符合教学使用的相关需求；其次是具有良好的性价比，特定的教学用户群决定了其价位适用性；再次就是它功能的开放性和扩展性，可以根据需要增减相应的模块，进行自主创新；此外它还应当有良好的人机交互界面。
机器人教育通常是指学习机器人的基本知识与基本技术，或利用教育机器人优化教育教学效果显著的理论与实践。事实上，教育机器人也是一种十分典型的数字化益智玩具，适用于各个年龄阶段的人群，并且能够以不同角度、通过多样的形式发挥其教育功能，达到一定的教育目的。
传感技术和计算机技术的发展，为机器人在教育领域的应用翻开了新的一页。便捷的程序化设计和多种传感技术的应用，改变了早期教育机器人功能单一、自主设计空间小等特点。特别是传感技术的发展，为教育机器人提供了对环境的识别、判断和适应能力，这如同给机器人赋予了人的感知。
作为传感技术基本单位的传感器，有时能够取代甚至超出人的“五官”。这里所说的“超出”是因为传感器不仅可用于人无法忍受的高温、高压、辐射等恶劣环境，还可以检测出人类“五官”不能感知的各种信息（如微弱的磁、电、离子和射线的信息以及远远超出人体“五官”感觉功能的调频、高能信息等）。因此，传感技术的发展和运用是机器人功能和应用领域拓展的重要前提之一。
教育机器人中传感器的类型划分
1.内部传感器：是对源自机器人自身信号进行测量的传感设备。如：对机器人中的马达旋转圈的测量，如果已知传动装置和车轮的尺寸。通过对马达旋转圈数的测量就可用于计算机器人车轮的旋转圈数，进而估计出机器人走过的距离。
2.触觉传感器：机器人触觉广义上可获取的信息是接触信息、狭小区域上的压力信息、分布式压力信息、力和力矩信息、滑觉信息等。这些信息分别用于触觉识别和触觉控制。目前在教育机器人中也广泛使用了这类传感器。如：AS-MF足球机器人、摔跤机器人、抓举机器人等就都装配了触觉传感器。
3.接近与距离觉传感器：这类传感器是机器人用以探测自身与周围物体之间相对位置和距离的传感器。它的使用对机器人工作过程中适时地进行轨迹规划与防止事故发生具有重要意义。人类没有专门的接近觉器官，如果仿照人的功能使机器人具有接近觉将非常复杂，所以机器人采用了专门的接近觉传感器。它主要起了以下三个方面的作用：(1)在接触对象前得到必要的信息，为后面的动作做准备；(2)发现障碍物时，改变路经或停止，以免发生碰撞；(3)得到对象物体表面形状的信息。
由于这类传感器可用以感知对象位置，故也称为位置觉传感器。传感器越接近物体，越能精确地确定物体位置。相应的传感器有红外式接近传感器、超声波距离传感器等。如：AS-INFOX教育机器人，该产品就具有红外接近传感器和声音传感器等多个接近传感设备。
4.视觉传感器：如同人类的视觉信息系统的作用一样,机器人的视觉信息系统赋予机器人一种高级感觉机构,使得机器人能以“智能”和灵活的方式对其周围的环境作出反应。机器人的视觉信息系统类似人的视觉信息系统,它包括图像传感器、数据传递系统、计算机和处理系统。机器人视觉可以定义为这样一个过程，利用视觉传感器（如摄像机）获取三维景物的二维图像，通过视觉处理器对一幅或多幅图像进行处理、分析和解释，得到有关景物的符号描述，并为特定任务提供有用的信息，用于指导机器人的动作。如：由德普施公司生产的智能移动机器人，其传感设备中就是利用USB网络摄像头来获得图像信息的。
5.多种外部传感器的使用：多传感器信息融合是指协同使用多种传感器，并将各种传感信息有效地结合起来，形成高性能的感知系统来获取对环境的一致性描述的过程。同单一传感器相比，多传感器信息融合在降低信息的不确定性、提高系统获取信息的精确度、降低系统的成本、提高系统的反应速度等方面具有显著的优势。因此，可以采用信息融合技术对监测模块采集的数据进行融合处理。在教育机器人中多种传感器的使用可以拓展机器人的功能和灵敏度，能全面准确地对外部环境信息作出反应。教育机器人可以通过传感器安装平台对各种传感器进行简单快捷的安装和使用，如红外、CCD相机、超声波传感器等。
教育机器人中传感器的选用
对于同一种被测物理量，可以用各种不同的传感器测量。在实际的教学应用过程中，为了选择适合于既定目的的传感器，有必要讨论传感器的正确选择。这里给出几条选用传感器的准则。
1.经济实用性：在多种传感器都能满足对某一物理量进行测量的范围和精度的情况下，我们考虑的侧重点则是由成本高低、测量电路和相配设备是否简单等因素来取舍。
2.教学适用性：在实际的教学运用过程当中，根据学生不同的年龄阶段特征。选择一些能被其认识、理解和应用操作的传感器。
3.持久稳定性：由于教育机器人本身就是作为一种教学器材被选用，而且这种器材具有能够重复使用的特点。所以，我们在选择相应的传感器时，应考虑其重复使用的次数和使用时性能的稳定性。尽量选用数字式传感器，一是它很容易和其他数字电路接口实现积木化，从而容易为学生所熟悉和使用；二是数字化是发展的趋势，选用数字式传感器不会使产品过早淘汰。
展望
随着传感技术和计算机技术进一步发展，机器人在教育领域内将会起着越来越大的作用。首先，由于教育机器人具有较强的趣味性和科学性等特点，吸引着不同年龄阶段人的兴趣，因此，通过机器人在教育领域中的运用，可以不断地增强青少年学习科学的兴趣和探究意识。其次，机器人在教育领域中的应用可以提高学生的现代科学与信息素养，从小打下坚实的科学与信息基础。另外，通过对机器人的改装和调试，能够培养孩子们的合作能力、创新能力和想象力，促进他们的心智发展，启迪他们的思维。因此，针对中小学生的教育机器人的开发将显得尤为重要，在机器人教育深入开展过程中，不但需要广大中小学校、高等院校和教育相关部门的协作与共同努力。同时也需要相关企业的支持，针对不同年龄阶段的学生和教育目标设计出符合教育需要的产品。在借鉴国外中小学人工智能与机器人教育理念与经验的同时，探索一条符合我国中小学开展的人工智能与机器人教育的教学与学习模式，以推进我国中小学人工智能与机器人教育的健康稳步发展。个人认为，机器人教育在基础教育中的实施方案可以从以下几方面着手：(1)教育机器人作为学生实践活动的载体。如，以小组为单位的课外兴趣小组, 对教育机器人的器件进行组装与程序的编写；使教育机器人具有特定的功能，参加各种层次和类型的机器人竞赛。(2)教育机器人作为现代科学与信息课程的载体。(3)编制适用于不同年龄阶段的机器人教育教材。
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