教育機器人涵蓋計算機科學、教育、自動控制、機電、人工智能等領域。它們是機器人在教育中應用的典型案例，旨在培養學生分析、設計、實踐和創造的綜合能力。本文首先介紹了國內外教育機器人的研究現狀和技術發展趨勢。然后，通過文獻分析和比較，提出了當前教育機器人發展中存在的主要問題。然后，本文探討了Scratch和ROS教育機器人的編程和實現，并將圖形、解釋和編譯三種編程語言集成到一個教育機器人中。最后，通過仿真和實驗驗證了所實施的教育機器人的有效性。

　　機器人作為制造業皇冠上的明珠，歷經500 年的不斷發展（從16 世紀西班牙自動祈禱的機械僧侶起），目前已經全面進入“機器人+”時代，周圍涌現出各種新奇智能的黑科技，如機械狗、無人機、自動駕駛汽車以及各類服務機器人……其中，教育機器人包括“應用于教育行業的服務機器人”和“機器人專業教育”兩個方面，已經成為工業機器人和服務機器人之外的第三類機器人發展領域。教育領域中的機器人將增強或延伸教師的表達能力、知識加工能力和溝通能力；機器人教育將激發廣大學生對智能技術的學習興趣和動力，并大范圍提高學生信息技術能力，提升數字時代的競爭能力。在全球教育機器人研究領域中，根據國際權威文獻庫調研，文獻引用數量處于前列的國家有美國、瑞士、意大利、日本和英國等，研究主要聚焦在機器人教育、語言教育和特殊教育領域。在“機器人+課堂”方面，日本和韓國更為普及［1］。機器學習、自然人機交互、仿生科技是教育機器人研發中需要長期探索的關鍵技術。人們期待教育機器人能像人一樣思考、像人一樣行走、像人一樣互動，并做出如同“真人”一般的細膩動作［2］。對于教育機器人的編程與實現，各國學者做了大量研究，文獻［3］設計了ICalico 和Calysto 開發工具，用于教育機器人幫助學生進行機器人編程和人工智能學習。文獻［4］介紹了應用于國際比賽和移動機器人教育的中小型機器人開發，主要面向高年級本科生和研究生的項目導向課程，極大提升學生知識整合和應用能力，包括路徑規劃和迷宮解算等人工智能算法實踐。文獻［5］引入NASA 火星探測項目場景，構建SIPI 實驗室，學生通過機器人編程實現遠程操作機器人等任務。文獻［6］提出了一種群機器人教育平臺，使用ROS 框架進行實驗教學和研究。文獻［7］開發了一款超低成本模塊化和可擴展的教育機器人，裝配有局域網和英特網功能，配套在線課程（MOOC）并提供虛擬環境實驗室。

　　本文在綜合分析國內外教育機器人基礎上，針對機器人編程的特點，基于開源軟件開發實現了一種新型教育機器人，主要內容包括教育機器人問題描述，基本系統配置，多語言轉換實現，仿真與實驗驗證等。

　　目前國內外大部分教育機器人產品針對不同基礎和年齡進行設計開發，提供了非常豐富的課程和學習方案。但是并沒有將適用于零基礎的圖形化編程無縫擴展至語言編程。本文實現的教育機器人方案，將圖形化、解釋型、編譯型三種類別編程語言融為一體，讓學生在進行人工智能和機器人編程時，能夠將三類編程方法對比分析，更好的掌握機器人編程。在ROS 機器人操作系統下，低年級學生可以用Scratch2 進行圖形化編程，到中高年級用Python 進行簡單編程，進入大學之后用Python 和C++進行復雜機器人編程，循序漸進，不斷深入學習研究。接口示意如圖1 所示，方案提供了三種編程語言實現機器人環境感知和運動控制等，這三種方式都可以通過ROS 消息機制直接控制仿真或真實機器人運動。同時，Scratch、Python 和C++可以通過相應的模塊進行編程轉換，將在下節詳細介紹。