对人工智能教育机器人控制系统开发的分析

郑 越

（重庆邮电大学，重庆 400065）

伴随着信息技术的发展与普及，人工智能逐渐成为了科学技术的重要组成部分，特别是引入到各个教育领域当中，发挥出应有的作用。我国教学事业的发展使教学重心转移，一些编程、创客教育方式受到关注，越来越多的人们进行了人工智能教育的尝试。为了提升教学效果，就要设计出一个完善的机器人控制系统，以此实现高效率的教学开展。

1 研究背景

伴随着我国科学技术的高速发展，使得人工智能与教育进行了全面的融合，这样的发展态势也逐渐成为了教育事业未来发展的主要方向，受到社会各界的广泛关注。2003年，人工智能初步当作选修模块，成为信息技术课程的一部分，这标志着我国的人工智能教育工作进入到了全新的发展阶段。2017年之后，更是迎来了我国人工智能教育事业发展的变革与转折点。所提出的《新一代人工智能发展规划》当中，明确指出人工智能是衡量一个国家未来发展和发展实力的关键指标，因此大力推广中小学阶段的人工智能教育工作，同时制定出各种类型的智能型课程，将其纳入到教育体系当中。从这样的角度来看，当下人工智能教育成为了我国国家战略的发展规划内容组成。

2 核心技术概念

2.1 人工智能

当下在进行发展的进程中，所提出的人工智能，是一种基于机器为主要载体的模拟，或者对于人类智能的实现过程。人工智能当下可拆分为两个重要部分进行区别和理解，其中人工代指人造、人为的概念，也是利用人力可以生产与制造的方式。而智能的实现，则是进行人类智能化的具象化展现。例如，首先是将大脑当作载体的主要记忆，之后还要在进行推理、分析以及探索的过程中，积极创造出更多的思维。其次，则是利用感知的方式，获取到更多的信息感知能力。最后，利用接口等设备，进行相应的反应行为能力的实现。这是一种涉及到计算机科学、信息论、统计学等各种复杂学科的计算机分支内容，在信息技术的应用以及发展进程中，会面临着较大的重要价值。

2.2 教育机器人

教育机器人的提出，基本上是基于当今中小学、大学生为研究对象，所提出的一种教育方面的教具。该设备的设计，主要服务于学生，帮助在日常学习中，能够形成一个较高的科学素养，并积极提升自身的创新思维，最大化学生的学习兴趣。教育机器人的设计过程中，始终都坚持寓教于乐的教学理念，利用各种合理的编程方式，全面实现教育方面的作用与功能，当今已经成为了广大学习爱好者关注的重点。

2.3 语音识别

现阶段提出的语音识别，可以简称为ASR，这是一种利用计算机系统为载体，进行语音内容与文字方面的转变。例如对其机器进行语言方面的交谈处理，以此让机器理解人类发出的指令，实现相关功能性。这样的设计过程中，基于隐式马尔科夫模型为基础，设计出特征提取、模式匹配以及模型训练等技术类型。在当下的发展过程中，主要是利用声学、数字信号处理、语音等多个学科交叉领域方面限制。在语音识别的处理过程中，基本上需要全面保障其技术在受到相关限制之后，可以进行针对性的处理。

2.4 语音合成

计算机系统的设计中，基本上包含着两种文字信息类型，分别为计算机自身的语音合成，其次则是外部的输入信息。当下进行语音合成技术的设计中，就是将这两种形式进行融合，以此形成一个将文字信息转变为汉语口语的输出过程。在进行设计的环节，涉及到数字信号处理、语言学、声学等诸多较为复杂的学科程序以及系统，这样的中文信息处理方式，可以全面提升处理的效果。而对于语音合成技术以及语音识别技术的处理中，也相应涉及到人类与机器语音通信的合成。

3 教育机器人活动价值

在传统的教学方式中，基本上受到教材方面的限制，会更加倾向于对学生提出一个固定的问题，并在之后对学生给出一个较为固定的答案。对于这样的情况而言，会直接导致学生在学习过程中，无法提升自身的参与感，同时在对问题的理解上也较为单一。传统教学模式下，学生始终无法得到创造能力的提升，特别是对于学生而言，会导致学生在学习中，无法构建出一个完整的知识体系。

但是，在进行机器人的教学开展中，其教学主题的趣味性比较强，加上可以全面提升更加开放性的问题，进行问题的集中解决，因此在这种学习方式下，学生不仅仅可以从一个角度思考问题，而是从多个角度出发，进行问题的系统性分析与掌握。这样的教学方式下，也相应地成为当下教学体系当中重点考量对象。一个良好的教育机器人的教学模式使用，全面发挥出了教学的灵活性，让学生的自身创造力、想象力得到提升，最大化自身的开放性思维。

学生在接受这样的教学中，可以在构思、设计以及开发的全过程中，受到机器人的教育影响。积极鼓励学生进行主动探索，提升动手能力。让学生在未来体验的过程中，感受到抽象理论转变为具体内容的过程，满足当下较为复杂的教学要求。

4 机器人教具控制系统的设计

4.1 设计方案

从人类的形体结构以及智力角度进行分析，可以成为类人机器人的设计模板，并逐渐成为人工智能领域当中，十分重要的代表。在当下对教学工作的科学课程设计中，这样的机器设备使用，极大提升学生对于课堂的兴趣值，推动教学工作的顺利开展。实际机器人的控制系统设计，更多的是让其机器人在运行中，具备观察、对比、测量、记录以及组装等基础的操作行为，之后针对课堂当中的实际情况，进行体验、搜索、研讨、编程以及调试等与课堂教学息息相关的各种内容的处理。这样让机器人保持较高水平的通识，便能够在后期的教学开展中，发挥出机器人感知、机器人学习、机器人控制等课程模块相关的设计与调整。其次，对于机器人的设计中，也会涉及到遥感技术、语音交互、目标识别、路径规划以及轨迹跟踪等诸多方面的技术应用与研究。一个完整的控制系统设计方式下，加大提升机器人的教学能力，无论是教学的辅助能力还是指导能力，都可以帮助学生形成较强的学习积极性，最终实现各种教学目标。

4.2 总体配置

文章提出的机器人设计方案当中，基于某品牌的微型计算机进行设计，其中涉及到诸多的模拟人脑的设计环节。为了实现机器人在运行过程中的运算控制，还要对机器人进行不同控制模块的分别设计与分析，使机器人可以独立运行，并处理各种教学方面的需求，提升整体教学性能。

4.3 系统结构与组成

（1）机器人整机运算控制器。这是一种在进行设计中，其由于采用的是先进的精简指令集，这个模块下的设计方式，也是业内较为主流的微型电脑主板，具备着较强的功能。在运行中，对于较为复杂的数据，可以实现较为快速的处理，同时及时发出相关指令。而设计系统采用的是Linux操作系统，这是一种较为完美兼容机器人算法控制的方式，体积方面比较小，可以较为便捷地安装到空间有限的机器人内部。其次，40针的GPIO直接连接的方式，可以读取到传感器当中的输入控制舵机当中，进行数据信息的直接输出。另外，在无线连接的过程中，能够轻易实现与外界电脑的互通处理。该平台下，具备着存储大量数据信息的能力。采用了USB与CSI接口，这是一种机器人运行环节，为语音识别模块以及视觉识别模块服务的设计阶段。在后续的平台深度开发进程中，这样的设计方式提供了良好的技术基础，便于相关工作人员的进一步研究。

（2）舵机控制器配置。在对舵机控制器的处理中，其信息处理基本上都在PWM内进行处理。在主板位置上，所使用的PWM的控制，仅仅出现一个单独的通道。为了能够控制全部的舵机，就要配置出相对应的控制通道。当下对于外界舵机控制卡的使用中，基本上要全面保障系统的处理过程中，所采用2个16通道的舵机控制器，特别是在进行处理过程中，能够连接32路的舵机。其次，还要将舵机控制电压，始终保持在6 v的水平，并基于一个特殊的芯片实现控制效果。

（3）舵机配置。对相类似的一些小型机器人设计方式参考，可以在文章提出的控制系统设计中，采用7 v的舵机。实际使用的过程中，将其尺寸选择为20 mm×40.5 mm×40 mm的水平。这样的舵机大小使用，十分适用于小型机器人的关节位置安装，无论是在建模阶段还是在安装的过程中，都可以发挥出应有的空间节约效果。之后在传输的过程中，基本上传输方式都是通用型的12 C的水平，之后在控制角度的处理上，无论是传输速率还是在接线方面，都十分便捷，加上操作方面的便捷性，更加全面提升了设计的合理性。

（4）DSP芯片。文章使用的DSP芯片，可以在使用的过程中，始终保持较高的灵活性，之后进行相应的模拟处理系统的处理中，就要保障对一个模拟系统进行良好的引用，避免出现对硬件设计，或者出现对调整参数的处理。数字处理系统的运行，在进行参数的调整中，就要利用信号处理软件进行处理，以此满足不同情况下的设置和实际需求。而在精度的调整中，是模拟处理系统，在长期运行当中，受到系统当中精度方面的器件影响。在同一批次的产品处理上，始终保持着一个较高的性能值。另外，在数字处理系统的工作开展中，其精度方面始终与计算机的算法、字节长度相关，因此这个阶段就需要在设计系统当中确定下来。

其次对于可靠性与可重复性的分析中，要全面考虑到环境温度、湿度、噪声以及电磁场方面的干扰和影响。另外，在数字可靠性分析中，提升与各个元器件之间的合理设计与联系，保证接口方面的合理。

最后在虚拟特性与升级的设计中，也是设计过程中十分重要的设计阶段。一个模拟处理系统，仅仅可以在运行中对应一个功能的实现，因此在后续进行升级环节，显然会受到各方面的技术影响，无法实现高速率的运行和处理。在数字处理系统的运行中，始终都要设计一个集成化的控制系统模块，这样才可以最大化运行效果。

（5）外部存储器。文章设计的教育机器人，采用了扩展化的静态不挥发的RAM，在实际运行阶段，可以保持10年以上的运行周期。另外，在可靠的上电、掉电等方面的数据扩展保护功能上，也相应地需要保持电压控制在一个合理的空间中。在运行阶段，要始终将地址线可以预期符合扩展接口的处理方式。当下地址线的A16与其他的地址线的处理上，保持相对应的准确处理。

（6）传感器。这是机器人的运行过程中，十分重要的设计环节，只有使用一个科学合理的传感器，才可以让其运行过程中，全面提升处理的效果。设计环节，始终都要对其感知前、左、右等方面的障碍物，进行针对性的分析，全面提升迷宫的处理能力。其次，在机器人的底部设计中，需要安装光电模块，这是为了可以吸纳对色彩方面处理，同时加强与周围其他传感器的交互水平，实现更加高级的功能。当下在对机器人的设计中，还要全面结合其教育的内容以及形式，对其机器人进行个性化的设计与调整。一个良好的教育机器人，不仅仅会对当下的教育内容服务，同时也可以伴随着教学事业的开展，不断提升教育功能。因此，就要在传感器的设计中，采用可升级化的处理，积极保障全面处理过程中传感器的运行，特别是要在未来发展进程中，有效对传感器进行多方面的分析以及控制，保障未来教育机器人可以伴随着教育事业的发展，而不断提升和优化自身的教育服务能力，帮助教师进行高效率的教学开展。需要注意的是，在这样的教学工作开展中，也要进一步推动当下各个方面的系统细节处理，只有明确出控制平台当中实际的控制模式和控制效果，才可以让其在未来控制过程中，发挥出应有的控制作用，最大化处理全面效果。这样的处理方式下，充分满足了教育机器人的实际教育功能需求。

5 总结

综上所述，伴随着科学技术的发展，当下教学工作开展中，教育机器人的使用越发受到人们的关注。只有保障在未来进行教学开展中，首先对教育机器人进行控制系统的合理化设计，才可以实现最大化的控制效果。