（1.重庆科技学院智能与技术工程学院，重庆 401331；2.重庆市凤鸣山中学，重庆 404000）
摘要：蜘蛛型绘图机器人是利用时下热门的Arduino单片机技术、上位机软件技术和开源软件技术，用控制步进电机控制画笔绘制人、物肖像。利用机器人直观的演示效果，充分激发中小学生的学习兴趣和热情，夯实开发基础技术，在指导教师负责下，学生分组分工完成了绘图机器人的开发任务。项目完成后，项目组对项目成果进行了宣传和推广，让更多的中小学学生、教师了解机器人设计的魅力。
一、研究的现状及其意义
习近平总书记在2015年北京“世界机器人大会”指出：当前，世界正处在新科技革命和产业革命的交汇点上。科学技术在广泛交叉和深度融合中不断创新，特别是以信息、生命、纳米、材料等科技为基础的系统集成创新，以前所未有的力量驱动着经济社会发展。随着信息化、工业化不断融合，以机器人科技为代表的智能产业蓬勃兴起，成为现代科技创新的一个重要标志——中国将机器人和智能制造纳入了国家科技创新的优先重点领域[1-3]。在国内制造业转型升级的大潮中，机器人扮演了关键先生的角色。而在新的产业革命的全球竞争中，其也是最核心的技术能力之一。
在全国第三次教育工作会议上，党中央、国务院明确、郑重地把“重点培养学生的创新精神”写入党的教育方针[4-7]。这里面涵盖了计算机知识、数学知识、物理知识、结构学知识等[8-10]，这种多学科的综合性、合作性学习，极大地激发了学生的学习兴趣，有效地培养了学生的创新能力和综合素质能力。所以课题组认为在中小学开展机器人教育有着重要的意义，具体如下：
1、有利于激发学生的兴趣和参与热情,促使学生主动进行探究式学习，充分发挥学生的主动性和创造性，老师只是作为活动组织者。
2、有利于培养学生良好的观察、思考习惯和认真、细心的工作态度。机器人活动可以培养学生良好的观察习惯，提高观察能力。
3、有利于培养学生的逻辑思维能力。制作机器人，大至整个制作过程的构思、计划、步骤的拟定，小至机器人结构中大小齿轮的选择、位置的摆放，都需要调动学生的逻辑思维。
4、有利于培养学生的团队意识和合作精神。机器人制作活动涉及的知识很广泛，许多活动学生不可能一个人完成整个任务，必须要有多名同学的协作。并在协作的过程中相互探索、发现有用的信息，然后和其他成员共享。
综上，在中小学开展智能机器人教育，开发机器人文化的教育功能和发掘智能机器人的教育价值，对推进教育创新，促进教育改革和教育现代化，对创造型、研究型、专家型教师队伍的形成，对提高中小学生的创新和实践能力，同时对我国机器人事业的发展、人才高地的建设，具有重要的现实意义和战略意义。
二、系统设计
利用时下热门的Arduino单片机技术、上位机软件技术和开源软件技术，用控制步进电机控制画笔绘制人、物肖像。
准备实现功能如下：“绘图执行部件”连接在左右两个步进电机上形成稳定的对称传动结构，电脑将拟绘制图形的数据发送到主控单片机，主控单片机应用“GRBL”自动雕刻算法发控制信号给“绘图执行部件”，完成绘图。
该系统主要包括机械结构设计、硬件电路设计、下位机软件设计、上位机软件设计等，具体如下：
（1）机械结构设计
绘图执行部件结构设计，在画布上设计两个步进电机为端点的固定传动结构。将左右两侧步进电机线头分别从左侧步进电机滑轮线头左端和右侧步进电机滑轮线头右端引出连接后作为支撑线，将绘图执行部件滑轮平稳放在支撑线上。
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（2）硬件电路设计
电源设计、步进电机电路设计、控制IO电路设计。采用Arduino uno r3作为主控芯片，用ULN2003做为步进电机驱动芯片。
（3）软件设计
软件设计包括下位机软件设计和上位机软件设计，下位机软件设计，开发环境为：Arduino IDE，主要模块包括：“GRBL”自动雕刻算法应用、步进电机驱动程序设计、下位机和上位机通信程序设计、IO控制程序设计。上位机软件设计，开发环境为VB6.0，包括导入矢量图模块、上位机与下位机通信模块、界面设计等模块。
三、人才培养
利用机器人直观的演示效果，充分激发中小学生的学习兴趣和热情，夯实开发基础技术，在指导教师负责下，让学生分组分工完成绘图机器人的开发与制作。
（1）现场演示，激发兴趣。
课题组将目前最新的机器人技术以直观的视频、图像形式展示给中小学生，激发学生的兴趣，让跟多的学生能参与到课题组里面来。
（2）基础知识培训，确定分组和分工。
课题组教师对已报名参加学生，开展基础的单片机C语言和上位机软件设计课程培训，根据学生的兴趣方向和学习能力分组和分工，若报名学生多可分为多个项目组。
（3）任务布置，组织实施。
项目组负责人由指导教师担任，将具体的开发任务分配到每一个学生，并制作时间表，定期检查项目进度，保证项目顺利完成。
（4）项目展示，扩大影响面。
指导教师和中小学负责老师、项目组学生商议，展示方式和展示地点，让更多的中小学学生、教师了解机器人设计的魅力。
四、总结
本课题设计并实现一个能够在画布上自主绘制人、物肖像的绘图机器人，有以下益处：（1）绘图机器人具备直观的演示效果，在画布上直接绘制电脑中的图形，可激发中小学生对机器人制作的兴趣和热情。（2）通过制作绘图机器人，中小学生可掌握机械结构、电路设计、软件设计、运行调试的基本知识，提升中小学生创新基础知识应用能力。（3）绘图机器人项目团队须由多名学生组成和指导教师，指导教师作为项目负责人，分配不同任务给项目组成员并指导按错，提升中小学生的团队协作能力和合作意识。
参考文献
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论文作者:冯骊骁1 陈国荣1 陈玲2 陈治州2 钟雨辰2
论文发表刊物:《知识-力量》2019年3月下
论文发表时间:2019/1/22
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