如何使用Scratch和ROS进行教育机器人编程的设计与实现

　　教育机器人涵盖计算机科学、教育学、自动控制、机械电子、人工智能等领域，是机器人应用于教育领域的典型案例，以培养学生具备分析、设计、实践和创造等综合能力为目标。本文首先介绍国内外教育机器人现状和技术趋势。然后，通过文献分析比较，本文提出当前教育机器人发展的主要问题。接着，本文探讨了基于Scratch和ROS教育机器人编程与实现，将图形化、解释型、编译型三种类别编程语言融于一种教育机器人。最后通过仿真和实验验证了所实现的教育机器人的有效性。

　　机器人作为制造业皇冠上的明珠，历经500 年的不断发展（从16 世纪西班牙自动祈祷的机械僧侣起），目前已经全面进入“机器人+”时代，周围涌现出各种新奇智能的黑科技，如机械狗、无人机、自动驾驶汽车以及各类服务机器人……其中，教育机器人包括“应用于教育行业的服务机器人”和“机器人专业教育”两个方面，已经成为工业机器人和服务机器人之外的第三类机器人发展领域。教育领域中的机器人将增强或延伸教师的表达能力、知识加工能力和沟通能力；机器人教育将激发广大学生对智能技术的学习兴趣和动力，并大范围提高学生信息技术能力，提升数字时代的竞争能力。在全球教育机器人研究领域中，根据国际权威文献库调研，引用数量处于前列的国家有美国、瑞士、意大利、日本和英国等，研究主要聚焦在机器人教育、语言教育和特殊教育领域。在“机器人+课堂”方面，日本和韩国更为普及。机器学习、自然人机交互、仿生科技是教育机器人研发中需要长期探索的关键技术。人们期待教育机器人能像人一样思考、像人一样行走、像人一样互动，并做出如同“真人”一般的细腻动作。

　　对于教育机器人的编程与实现，各国学者做了大量研究，设计了ICalico 和Calysto 开发工具，用于教育机器人帮助学生进行机器人编程和人工智能学习。介绍了应用于国际比赛和移动机器人教育的中小型机器人开发，主要面向高年级本科生和研究生的项目导向课程，极大提升学生知识整合和应用能力，包括路径规划和迷宫解算等人工智能算法实践。引入NASA 火星探测项目场景，构建SIPI 实验室，学生通过机器人编程实现远程操作机器人等任务。提出了一种群机器人教育平台，使用ROS 框架进行实验教学和研究。开发了一款超低成本模块化和可扩展的教育机器人，装配有局域网和英特网功能，配套在线课程（MOOC）并提供虚拟环境实验室。

　　本文在综合分析国内外教育机器人基础上，针对机器人编程的特点，基于开源软件开发实现了一种新型教育机器人，主要内容包括教育机器人问题描述，基本系统配置，多语言转换实现，仿真与实验验证等。