教具研發(fā)背景

2020 年修訂版《普通高中信息技術課程標準》提出，要通過典型的應用實例，了解數(shù)據(jù)采集、分析和可視化表達的基本方法?；谛抡n程標準，以開源硬件樹莓派作為控制系統(tǒng)，研發(fā)一套基于人工智能技術的機械手教具；同時，利用Arduino 開源硬件控制舵機的工作，從而控制機械手的動作。使用Python 語言編程可實現(xiàn)機械手手指及手臂轉動，并通過圖像或語音識別技術實現(xiàn)對機械手的控制。本教具以機械手為平臺，讓學生在解決問題的過程中，將所思、所想在機械手平臺上進行操作，通過問題提出與問題分析，最終實現(xiàn)智能機械手的控制，提高學生的人工智能學習質量，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，提升學生利用數(shù)字技術解決實際問題的能力。

問題提出

人工智能教育對中小學教師和學生都是一項挑戰(zhàn)。在課堂中，教師需以生動、形象的方式向學生講授人工智能課程，但因教學平臺的局限性，使得中小學的人工智能課程仍以計算機編程為基礎，缺乏生動有趣的情境和項目，教學易脫離生活，導致學生逐漸失去興趣。目前，中小學還沒有系統(tǒng)的、專業(yè)的人工智能教學平臺，雖然一些學校嘗試使用智能硬件進行教學，但整體上還無法滿足學生的需求。因此，本教具將從學生學段特點和教師特點出發(fā)，開發(fā)適合中小學人工智能教育教學的技術平臺。這一平臺將利用人工智能機械手培養(yǎng)學生對于人工智能技術的興趣，幫助他們掌握人工智能知識。

設計目標

通過三維設計軟件設計手掌和手指零件，并進行零件模型的裝配和3D 打印，驗證手部結構的合理性；控制系統(tǒng)采用樹莓派4B，驅動部分選用Arduino 開源硬件控制舵機的運動；使用開源的Linux 圖形化系統(tǒng)，采用Python 語言進行程序設計。最終完成系統(tǒng)與百度智能云平臺資源的對接，實現(xiàn)智能化手勢識別和語音識別。

研發(fā)過程

機械手結構設計方案討論

方案 1. 線控機械手

手指運動依靠電機控制絲線完成（圖１）。線控機械手結構簡單，易控制，但在使用中容易脫線松動，長時間使用易損壞，因此，未選用此種方案。

方案 2. 舵機連桿直驅結構

通過連桿結構控制手指的伸直與彎曲，利用舵機實現(xiàn)手指的不同彎曲角度，可高質量模仿人手的動作，而且實現(xiàn)起來簡單、耐用，可使用3D 打印技術打印結構件。

平面連桿機構機器人的動力主要來自于電機或舵機，電機或舵機的運動是圓周運動，很多時候機器人要做上下或左右的往復運動，這時就要利用連桿機構，將圓周運動轉變?yōu)樯舷禄蜃笥业耐鶑瓦\動。

最終，通過3D 打印技術打印機械手指，安裝測試后，選擇連桿結構制作的機械手指，以達到學生反復使用與長時間教學的功能。

機械手三維設計與制作

手指模型設計

使用SolidWorks 軟件進行手指的三維設計，模擬人手特點，完成手指的設計和裝配（圖2）。

機械手主要部件設計

使用三維設計軟件，分別設計智能機械手的手掌、手指，整體機械手共有6 個自由度（圖3）。機械手零部件設計完成后，利用3D打印機制作手部結構，并進行組裝。

手腕轉臺的結構設計方案

第1 代手部旋轉結構使用齒輪傳動，舵機驅動小齒輪帶動大齒輪，可有效進行減速，減速齒輪比為24 ∶ 40，大齒輪轉動帶動手部的整體轉動。第2 代則利用舵機直接控制云臺轉軸轉動，轉動距離精確，可平穩(wěn)運行，且結實耐用。

控制系統(tǒng)與動力部件

主控系統(tǒng)——樹莓派

智能機械手采用樹莓派4 作為主控制系統(tǒng)，速度快、成本低，使用Linux 圖形化操作系統(tǒng)。同時，使用Arduino 開源硬件作為下位機控制舵機的運行，配備顯示器和USB 接口等外部設備，可方便連接鼠標和鍵盤。

控制系統(tǒng)——Arduino 控制器

Arduino 主板是一種開源硬件（圖4），使用方便，如果有足夠的技術，還可對其進行改造。其主要組成部分包括：①數(shù)字口D0—D13， 共14 個； ② 模擬口為A0—A5，共6 個；③板載LED 燈，TX和RX 指示燈； ④ 1 個復位鍵；⑤ 下載接口； ⑥ 外接電源接口。Arduino 控制主板體積小、重量輕，使用ATMEGA328P 單片機，這款單片機是8 位處理器，擁有32 KB閃存與2 KB 內存。

基于樹莓派和Arduino控制器，完成控制系統(tǒng)搭建，通過220 V 轉５ V 的電源實現(xiàn)整體系統(tǒng)供電，同時還進行了攝像頭、電子屏幕等設備的安裝與調試，控制系統(tǒng)如圖5 所示。

動力部件——舵機

手腕的云臺舵機使用高扭力金屬齒舵機，手指連桿驅動舵機使用9 g 銅齒舵機。舵機與Arduino 連接示意圖如圖6 所示。

在控制系統(tǒng)上，機械手采用先進的樹莓派作為上位機，Arduino作為下位機，功能強大，成本較低，舵機采用金屬齒輪，高扭力的數(shù)字舵機控制機械手指和云臺，可重復使用，持久力長。

機械手的軟件實現(xiàn)

利用機器學習實現(xiàn)手勢識別

手勢識別技術利用機器學習原理，通過對手勢的大量采集，將樣本數(shù)據(jù)在機器學習的算法模型中訓練，得到訓練后的手勢識別模型，模型經(jīng)過驗證后就可進行應用，如圖7 所示。

基于 Python 語言編程實現(xiàn)手勢識別

為了更好地結合信息技術國家教材，特使用Python 語言進行程序設計。手勢識別的程序需要以下5 個步驟實施。

◆加入手勢分析模塊

f r o m a i p i m p o r t AipBodyAnalysis

◆連接百度大腦，輸入ID 號和密碼

app_id='ID 號'

api_key='api key '

secret_key='secret_key'

g e s t u r e _ c l i e n t=AipBodyAnalysis（app_id，api_key，secret_key）

◆編寫攝像頭采集圖片程序

Serial（）

Camera（）

Window（"cap"，320，240）

threading.Thread（target =Dynamic_Show）.start（）

◆主程序代碼

圖8 是一段簡短的程序，可識別4 種手勢，機械手模擬做出相應的手勢動作。本教具可識別15 種常見手勢。

◆程序運行結果

當程序運行后，屏幕上彈出圖像采集小窗口，學生可進行手勢識別，如圖9 所示。學生做出手勢動作后，智能機械手會模擬學生的手勢，控制舵機擺出相同的手勢，如圖10 所示。

在本教具研發(fā)中，利用“百度大腦”中訓練好的手勢和語音識別模型，可高質量識別人的手勢和語音，教師在教學時可提前為學生注冊賬號，課上學生直接編寫程序實現(xiàn)人工智能機械手的任務。編程一般過程為：注冊賬號—編寫程序（引入模塊、關聯(lián)智能平臺、編寫主程序代碼）—運行程序。

智能機械手配套課程

配合機械手教具，設計了讓機械手具備“智能”的大單元課程，學生由淺入深，逐步學習人工智能知識，通過在機械手教具上編程、實驗，激發(fā)他們對于人工智能的學習興趣。

本文系北京市教育學會“十四五”教育科研2023 年度一般課題“大中協(xié)同共育人工智能拔尖創(chuàng)新人才的實踐研究”（DC2023-002）成果。

該項目獲得第37 屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導員科技教育創(chuàng)新成果一等獎■