什么是機器人編程

  可聯(lián)系到我們生活中，除了電影里的變形金剛還有個人形，那些掃地機器人，聊天機器人，和流水線上的裝配機器人，哪里有“人”的影子？仔細想想“機器人”就是翻譯界的“通假字”。
  今天提到的“機器人”是指通過重構(gòu)改變硬件，通過編程改變軟件的可編程機器人。它一般由以下幾個部分組成：

硬件

  1.基本組件。這就好像我們常見的樂高玩具，含各種形狀的小組件，可以拼成不同的形狀，這是機器人的身體。
  2.傳感器。傳感器就像機器人的眼睛和耳朵，用于獲取外界信息。常用的有獲取速度的超聲波傳感器，獲取顏色或反光度的光線傳感器，獲取外界觸碰的觸碰傳感器等等。
  3.馬達。這是機器人的手和腳，肌肉和關(guān)節(jié)。所有的位置改變都靠它。
  4.控制器。這是機器人的大腦，決定機器人的行為。通過和傳感器連接獲取輸入，通過和馬達連接控制輸出，通過和電腦連接將程序注入。此外控制器可以接收遙控輸入，還可以有圖像或者聲音的輸出。
  

 軟件

  孩子們在電腦或Pad上編寫完一段程序后，下載到控制器后執(zhí)行。執(zhí)行的程序可以獲取傳感器的輸入數(shù)據(jù)，也可以控制輸出。程序本身用的是可視化的編程語言，極易上手。
  綜上所述，機器人編程，就是用硬件構(gòu)造一個身體，用程序給它一套邏輯，利用它的傳感器和馬達，完成一系列的任務(wù)。
  孩子機器人編程啟蒙
  首先，告訴大家現(xiàn)實中機器人的編程搭建，并不像孩子想象中的那樣——給它撒上金粉，念段咒語，就可以開心的跳起舞來。他們會慢慢發(fā)現(xiàn)，自己搭出來的機器人既不那么美麗也不神秘，而即使這樣的機器，它的搭建過程也是非常復(fù)雜的，軟件編程也需要無數(shù)次的修改調(diào)整，就這樣它還經(jīng)常會掉鏈子……嗯~~我想說，孩子們，歡迎來到真實的世界，歡迎換個視角來觀察問題。
  用工程師的視角來看待問題，是做機器人給孩子的收獲。機器不通人情，不會因為你的努力而通融，不會因為你的才華而動心。和它打交道，就得按照它的方式來，沒有捷徑。
  孩子不缺想象力，缺的是想象力和現(xiàn)實世界的妥協(xié)，不知道心中炫酷的想法如何一步一步實現(xiàn)。我想說，在機器人面前，可以先把把藝術(shù)家的天馬行空暫時收收一收，換用工程師的嚴格和腳踏實地來看看這個世界。
  下面分別從硬件、軟件和設(shè)計三方面來說說，在奧蘭熊，老師是如何指導(dǎo)孩子做機器人編程，想要在家教育孩子編程的，可以借鑒使用哦~

機器人硬件

  以樂高機器人的搭建來說，以前那些按照說明書搭建起來的樂高模型，都是浮云。我相信，我們奧蘭熊的學(xué)員中一定有不少家長和孩子按圖紙搭建出很多作品來，有的人水平甚至都可以稱為“”，可扔掉說明書那一刻，想必很多人都懵圈了吧~~一些基本的需求本以為很簡單，可自己就是沒法實現(xiàn)。那豐富的搭建經(jīng)驗，遠不如一個早上系統(tǒng)學(xué)習(xí)的收獲大。下面是我覺得需要系統(tǒng)學(xué)習(xí)的兩點：
  熟悉基本組件和基本技巧
  知道你擁有什么，才知道你可能做出什么。對基本的組件非常熟悉，做的時候才能得心應(yīng)手。以樂高里最常用的兩個單位長度的連接件為例。長度一般模樣類似，為什么會有不同的顏色，僅僅是為了讓做出的東西更多彩嗎？
  其實，不同的顏色后面是不同的功能：黑色的連接是圓口有摩擦的，白色的是圓口沒有摩擦的，藍色的是一邊十字口一邊圓口有摩擦的，紅色的是兩邊十字口的。熟悉這些連接件，才能知道你可能做出怎樣的擴展，才能輕松的找到那個你需要的。
  除了基本的組件，還需要知道搭建的基本技巧。比如說我們經(jīng)常需要將兩條長梁或平行連接，或垂直連接。每種需求可以用哪些連接件以怎么的組合實現(xiàn)？不同的方式有何不同，又有何優(yōu)劣？
  機器人的動力系統(tǒng)，是搭建在電機和齒輪之上。電機提供動力，而齒輪可以改變旋轉(zhuǎn)的速度，方向和力矩，也可以改變力的形態(tài)，將動力以不同的形式傳遞出去。電機和齒輪一起，構(gòu)成了機器人的動力基礎(chǔ)。
  電機的應(yīng)用很直接。要么連著輪軸直接旋轉(zhuǎn)，要么連上齒輪將力轉(zhuǎn)化或傳遞出去。而齒輪是有點難的，要用到一點點數(shù)學(xué)，了解一點點杠桿，還需要明白力和力矩的概念。不過下點功夫去理解齒輪，也就能了解真實世界里很多機械背后的原理，對孩子來說，也是非常有意義的。
  樂高里的齒輪大體分正面齒輪，側(cè)面齒輪和蠕蟲輪。組合起來的用法很多，建議多做些簡單的練習(xí)，打好基本功，熟能生巧，到時候信手拈來。

機器人軟件

  編程說簡單一些就是收集信息指令，做出反應(yīng)。那么機器人的輸入和輸出是什么，它可以收集哪些信息，做出什么樣的反應(yīng)，又能實現(xiàn)什么樣的邏輯呢？
  機器人通過傳感器來收集信息。了解傳感器，就是了解機器人觸碰世界的能力。常用的傳感器比如檢測顏色和反光度的光線傳感器；探測離障礙物距離的超聲波和紅外線傳感器，測量旋轉(zhuǎn)角度和速度的陀螺儀，等等。軟件里面有專門的模塊去獲取傳感器的數(shù)據(jù)，很簡單。
  機器人通過電機做出反應(yīng)。再復(fù)雜的動作，都是通過對電機實現(xiàn)，轉(zhuǎn)速快一點，慢一點；正著轉(zhuǎn)或者反著轉(zhuǎn)。有些機器人還能顯示圖像，聲音，也算是對外界的輸出吧。
  和很多面向孩子的編程軟件一樣，機器人編程平臺提供的編程模塊很豐富，操作起來也很簡單，很適合孩子上手。
  軟件里眾多的要素，比如循環(huán)，函數(shù)，條件判斷，邏輯計算，甚至很高級的數(shù)組，多線程等等，它都支持，而這足以支撐起一個復(fù)雜的程序，實現(xiàn)復(fù)雜的編程思想。
  下面是個小例子，程序通過光線傳感器檢查地面的反光度得到顏色，根據(jù)地面是白色還是黑色控制兩邊的電機讓機器人左偏或右偏，以實現(xiàn)機器人沿黑線走的功能。

機器人編程和純軟件編程的區(qū)別是什么

  純軟件是個虛擬的世界，簡單而完美，就像我們上學(xué)時所說的理想條件下。而真實世界太復(fù)雜了，并且總有意外，因此就需要更健壯的軟件去化解這些復(fù)雜，處理這些意外。
  舉個例子，就以孩子們非常喜歡的挖土機來說明下硬件編程有多復(fù)雜。假設(shè)我們已經(jīng)搭建好了一個挖土機，需要讓它從A點挖土，然后行駛到B點倒土，在純軟件編程里，我們只要一行代碼就可以搞定，但在機器人編程中卻沒有這么簡單。
  ，因為從A→B，地面情況不同，摩擦力不均以及電機微小的偏角誤差，編程中讓它走直線的這個命令，在實際中會產(chǎn)生偏差，而且走的越遠，偏差越大。因此，孩子們在出現(xiàn)這種情況后，需要及時通過陀螺儀校準調(diào)整。
  第二，程序中A→B之間的距離我們假設(shè)設(shè)置的是1米，可挖土機實際上并不會真的走1米，肯定會有誤差。機器人停下后要檢測輪子實際行進的距離，多退少補再做微調(diào)。
  第三，電池的電量也會影響電機的準確度，進而影響行進的距離，速度以及偏角。要想每次運行的結(jié)果完全一樣，要么運行時的電量不能差別太大，要么根據(jù)電量的多少對行為進行補償。
  第四，機器人會偶爾出現(xiàn)死機，讀數(shù)不準等硬件錯誤。比如我們發(fā)現(xiàn)EV3的陀螺儀有時候會突然出錯，在靜止狀態(tài)下讀數(shù)也會改變，必須重啟機器人才能恢復(fù)。控制器本身可能會死機，也必須重啟才能恢復(fù)。
  做軟件測試，次次通過。而機器人，前5次都成功了，第6次還是需要祈禱才行。復(fù)雜的世界，需要復(fù)雜的程序讓他去實現(xiàn)簡單的事。我想這也是機器人編程教給孩子很重要的一點。
  機器人編程，對于有些編程經(jīng)驗的理科生來說，起初都需要花費一定的時間和精力摸索，何況一個孩子，所以孩子學(xué)習(xí)機器人編程，我建議一定要有大人的正確引導(dǎo)，這樣才能帶著孩子一起用工程師的視角去看看這個世界。