虚拟仪器在智能机器人实践课程中的应用

常曦　薛建新　张世明　蒋川群

摘 要：智能机器人课程是一门多学科交叉课程，其教学内容和教学方式需要根据具体学科有所侧重。文章针对如何使学生快速掌握智能机器人的操作技能这一问题，提出在计算机科学与技术学科中，将虚拟仪器开发环境LabVIEW引入智能机器人实践课程，将多学科设计问题转变为软件设计问题，将设备操作问题转换为可视化编程问题，充分发挥学科的软件设计优势，降低入门门槛。

关键词：智能机器人；虚拟仪器；LabVIEW；实践课程

0 引 言

机器人技术的迅猛发展和广泛应用，加剧了对机器人技术相关专业人才的需求。机器人是自动化控制、机电工程、电子工程和计算机科学与技术等多学科综合的产物，对于具备这些综合知识的人才的培养需要多学科协同完成，相关学科在相关专业内容的选择也需要根据自己的学科特点有所侧重。计算机科学与技术学科学生在自动化控制、机电、电子等方面的知识基础比较薄弱[1]，但接受过算法和软件设计的完整训练。在智能机器人课程实践环节，有效发挥计算机科学与技术学科的优势特点，降低课程的入门门槛，使学生快速掌握相关技能，是首先要考虑的问题。将虚拟仪器LabVIEW引入智能机器人实践课程，能够屏蔽复杂的底层仪器和设备，实现多学科设计问题向软件设计问题、设备操作问题向可视化编程问题的转变，充分发挥学科优势在实践教学中的作用，使学生快速入门。

1 虚拟仪器LabVIEW简介

LabVIEW（laboratory visual instrument engineering workbench）[2]是由美国国家仪器公司研发的虚拟仪器开发环境，目前已成为产业界和学术界普遍采用的仪器控制和数据采集软件标准，用其进行原理设计和系统实现时，可大大提高工作效率[3]。

LabVIEW集成了可视化编程的直观性、高性能和灵活性，提供用可视化图标代替文本编辑的图形化开发环境以及专为测试测量与自动化控制应用设计的高性能模块及其配置功能，既可增强用户构建自己的科学和工程系统的能力，又可提供实现仪器编程和数据插件系统的便捷途径，它具有强大的模拟功能，其模拟环境可为模拟机器人的运动提供支撑环境。

2 虚拟仪器应用过程

2.1 应用基础

在智能机器人实践课程中采用类人机器人NAO作为实践教学平台来说明LabVIEW的应用框架。NAO是ROBOCUP标准竞赛平台，支持多种程序语言，便于学生进行探索性实验和主动性学习，符合以机器人实验为载体的实践创新培养体系[4]。

2.2 应用框架

LabVIEW在类人机器人NAO上的应用，可归纳成单元模块应用、结构化扩展应用、基于状态机的综合应用等3大功能模块以及模拟器显示。

2.2.1 单元模块应用

单元模块应用涉及动作、传感器、语音和视觉等相关单元（图1）。动作相关单元涉及机器人各个关节、刚度、各种行走方向的控制等，如与机器人姿态调整相关的姿态单元（a）；传感器相关单元涉及各传感器数据的采集和查看（b）；语音相关单元涉及机器人说话内容的配置和声音的控制（c）；视觉相关单元涉及摄像头数据的采集和监查（d）。这些多样的单元对应各种真实仪器信号的收集和显示，通过LabVIEW虚拟元器件可以大幅降低学生对仪器的操作难度。

2.2.2 结构化扩展应用

结构化扩展包含顺序、条件和循环等3种经典程序结构在机器人编程中的应用（图2），3种结构与单元应用的组合可以使得搭建的机器人应用更加灵活和完整。例如，利用顺序结构可将说话单元与姿态单元进行顺序连接，搭建机器人在背唐诗之前完成两种不同的姿态（a）；利用条件结构可将传感器单元与说话单元进行条件连接，构建当发现前方有障碍时，机器人说出“前方有障碍”的警语（b）；利用循环结构可将传感单元与图像单元进行连接，不断检测运行过程中的障碍情况，通过图像单元显示左右两侧障碍距离（c）。通过对这3种经典结构的应用，将机器人的应用场景转换为典型的计算机编程问题。

2.2.3 基于状态机进行综合应用

尽管结构化扩展应用可完成任务，但当应用流程需要在特定的条件下改变时，需要采用状态机实现应用的综合。利用状态机可以实现机器人语音识别的结果，控制机器人行走的方向以及结束行走（见图3），该程序包含9种状态：初始化、听、向前走、向后走、向左走、向右走、左转、右转以及停止。这不仅便于学生明确各个独立状态的应用，还可以通过状态连接实现机器人的复杂应用。

2.2.4 模拟器显示

动作的设计可以借助模拟器视图显示NAO机器人的关节参数配置，通过模拟器观察已设计的连续动作情况，无需在机器上直接测试，这有利于机器人设备的有效使用，如NAO配置八段锦第七式“攒拳怒目增气力”时的关节参数信息（见图4）。

3 虚拟仪器应用评价

虚拟仪器LabVIEW在智能机器人实践教学中的应用效果可以从以下3个方面来体现。

1） 降低入门门槛。

虚拟仪器的应用将复杂的电路、传感器等的设置问题转换成只需要懂得基本的算法设计思想和编程技能就可以操作机器人的问题，有效地降低了课程的入门门槛，使学生的学习信心倍增。

2） 提高实验效率。

LabVIEW平台将对各种仪器进行调试和运行获取数据的过程转变为各种控制单元，包括运动控制单元、传感器控制单元、语音控制单元以及视频控制单元等参数输入和结果获取的过程；将各种仪器的电路控制的过程转变为LabVIEW平台结构化连线的功能。这种将复杂问题分步解决的方式有利于问题的简化，大大提高学生实验的效率。

3）实验成品的功能性有明显提升。

利用LabVIEW平台将各类信号的处理和识别转变为数据结构的设计和算法的优化问题，大幅提高计算机科学与技术学科知识的应用面。就实验成果而言，其功能性和创新性都有顯著提升，学生可在短时间内完成使用超声波避障走迷宫、人机交互系统、八段锦展示等项目。

4 结 语

智能机器人课程融合了多学科知识，将虚拟仪器开发平台LabVIEW应用于智能机器人实践教学环节，不仅可以让学生有效掌握并应用多样的实验仪器开展多样的机器人应用，还可以无缝地集成后续课程的专业知识，进一步提升应用效果。

参考文献：

[1] 王旭仁， 何花， 周全， 等. 深入完善“智能机器人”实践课程体系，促进实践教学[J]. 计算机教育， 2009（11）： 116-118.

[2] National Instrument. LabView[EB/OL]. [2017-9-23]. http：//www.ni.com.

[3] 陈春朝， 李春洋， 李玖栋， 等. LabVIEW软件在教学中的应用[J]. 计算机与现代化， 2010（3）： 89-92.

[4] 陈小平， 罗文坚. 以机器人实验为载体的实践创新培养体系研究[J]. 研究生教育研究， 2011（3）： 48-52.

（实习编辑：景贵英）endprint