机器人创意设计和制作

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机器人创意设计和制作
上海是青少年科技教育中心 葛智伟 编写

活动概述：

人们对机器人有着浓厚兴趣，机器人是人类不满自身能力而产生的一种期盼和梦想，希望有一种比人更强大的机器来代替人类做某些不愿做或无法做的事情。如传说中的中国古代的“木牛流马”、“记里鼓车”等。机器人（ROBOT）这个词就诞生于捷克作家恰佩克的小说中，他描写了一种专为人干活的像人一样的机器。今天各种各样的机器人已经出现在我们的身边，因此人们对机器人的兴趣也与日俱增。富于幻想的青少年对机器人更是乐此不疲，兴趣盎然。

机器人融合了机、电、计算机、信息等几乎所有的技术，而小型拼装式创意机器人以最基础的形态展现了这些技术，如最基本的机械传动技术、基本的控制技术等。

国外的“乐高机器人”、“慧鱼机器人”以灵活的拼装，使活动者的创造力有了发挥的天地。然而这些材料非常昂贵，不能成为一种大众化的学具。小型拼装式“创意机器人”价格低廉，但其任意拼装的特点，也给活动者留有丰富的创造余地，也为学生的发现式、探索式学习提供了有效的载体。

在活动中以任务为驱动，以丰富、刺激的竞技任务去激发学生的兴趣，驱动他们去主动地进行设计和研究。每一种机器人都可以设计几套比赛方案，从而保证了兴趣长盛不衰。

“创意机器人模型”已成为上海未来工程师大赛中“机器人竞技场”项目的指定活动器材，每年安排六个命题，如“扫雷英雄”、“爬竹梯”、“高空投弹”、“推车接力”、“滑雪竞速”、“攀悬崖”等。这些命题极富挑战性，吸引了众多学生的参与。

背景知识：

1． 机构

连杆机构：用销轴等零件将细长的杆件连接起来组成的机构称为连杆机构。杆与杆之间构成转动副，其中作旋转运动的杆称为曲柄，而只能在一定角度范围内作往复摆动的杆称为摇杆。

四连杆机构：主动件B与从动件D分离，主动件B的运动先传给杆件C，再由杆件C将运动传给从动件D，运动传递的中介杆件C称为连杆，固定于静止坐标系的固定件称为机架A。

如果杆件B成为可旋转的曲柄，则杆件D就作往复摇摆运动。

2.  齿轮系统

齿轮系是一种以相互啮合而传输转动和转矩的机械。图2中两个齿轮A和B组成一个简单齿轮系。如果齿轮A与一个动力源（如马达）连接，那么该齿轮称为主动轮，齿轮B成为从动轮。

由于两个齿轮的齿数（本例中齿轮A为10齿，B为40齿）不同，所以当主动轮转动一周后，从动轮只转1/4周。两个齿轮的传动比为：

         本例的传动比：

有时候一个简单的齿轮系无法提供足够的传动比，那么可以齿轮数来构成一个复杂齿轮系，图  是一个四齿轮系，其中齿轮B和C固定在同一个轴上，对于齿轮D而言，齿轮C可以看成主动轮。复杂齿轮系的传动比为：

当主动轮的齿数小于从动轮时，齿轮系作减速传动，此时转矩增大。反之则作加速传动，转矩变小。

3.  控制

用一个开关就能控制一个小马达的转与停。图4是一个最简单的电气控制电路，马达是控制对象，电池提供马达能量，开关担当控制部件。当开关接通时，电池与马达构成回路，电流流过马达使其转动。

控制系统：

我们希望机器人具有人类一样的能力，比如说视觉，人通过眼睛感觉周围实物，大脑对感觉到的信息进行思维处理，然后作出反应。这样的一个处理称之为控制系统。一个控制系统一般由三部分组成：输入装置、控制装置（处理器）和输出装置。

图5 是一个简单的光电控制系统。该系统中输入装置是一个光传感器，它能感知并相应环境的变化，如它受到的光照变强时，流过它的电流就会变大；反之就会变小。

一个晶体三极管可以构成一个最简单的处理器，它根据输入的变化来控制输出电流。继电器是一种界面装置，它为两种不同功能的电流提供了某种控制连接。比如本例中，马达的启动电流需要几百毫安，而三极管的最大输出电流不足100毫安，两者不匹配。而继电器是一种电磁开关，当在继电器的线圈中流入一个比较小的电流时，它就会产生一个吸力，吸力使能够通过较大电流的导电簧片吸合，使继电器的两个接点接通，这相当于一个机械开关接通，而这个开关能流通较大的电流。

马达是一个输出装置，当继电器接通时，马达开始旋转。它将电能转换成机械能。

定时控制：

闹钟是一个典型的定时控制装置。

用一个晶体三极管和电阻电容可以构成一个简单的定时器。电容是存储电荷的容器，当电容通过一个电阻（电阻具有限制电流的作用）进行充电时，电容器两端的电压逐渐上升，当该电压达到0.7V时，晶体三极管导通，于是继电器得电而吸合。

活动目标：

知识目标：通过机器人的设计和制作，了解机器人的一般概念，了解简单的机械原理（如齿轮变速传动、连杆机构等）、电气原理（如电动机供电回路）和控制概念（如键控、光控和控制系统等）。并在探究和创新过程中，主动地学习和理解影响机器人动作的相关物理知识。

方法目标：学习技术设计的一般方法，体验技术设计的过程。学习探究，应用习得的知识和经验对作品存在的问题进行分析，并试图去解决。以趣味、竞技的任务为驱动，激发学生创造的欲望，并尝试和体验创造的过程。学习交流，这包括如何简洁明了的表达自己的设计和创意，如何从他人的评判中汲取营养，如何诚恳、准确地评价自己和他人。

技术目标：了解技术的涵义并掌握基本的技能，如能熟练地使用螺丝刀、钳子、扳手、锤子等工具，并能合理地选择工具。能掌握电烙铁焊接要领，能看懂电路图并进行装配。能设计简单的零部件（如绘制图形和选择尺寸），并能利用工具加工塑料材料。

态度目标：

通过活动，培养学生对机器人的兴趣，并能积极主动地投入到活动中去。通过探究活动，养成踏实、善钻研、不气馁的工作态度。通过比赛活动，强化追求更好的意识。通过交流活动，养成善于自省和诚挚待人的品德。

参加活动的对象要求：

对机器人有兴趣，喜好动手的学生，适合年龄：小学四年级至高中。

组织实施流程：

以校际比赛为宜，时间跨度可以为一学期。具体实施流程为：

1．发动和组织；

2．以班级为单位成立参赛队；

3．组织辅导讲座；

4．课堂设计和制作活动；

5．班级选拔赛和交流活动；

6．校际比赛和交流总结活动。

活动组织建议：

1．关于发动。要做好宣传，建议在校内进行机器人知识和应用版面展示，有条件还可组织观看相关的影视资料，请科学家或工程师进行相关内容的科普讲座，以此吸引更多学生的关注。

2．教师和骨干学生的培训。组织尽可能多的教师成为活动的辅导者，还可组织一些骨干学生加入到辅导者队伍。在全面展开活动之前，辅导者首先要熟悉活动规则，了解相关的知识，掌握活动器材的基本操作方法，并做好机器人样品。举行辅导者教学研讨例会，共同研讨活动中的问题，如列出设计和制作的要点，对机器人运动时产生的一些现象进行分析和提出改进的方向等。

3．活动内容宜多些，以免众多人挤在一起，也使更多人能够在活动中崭露头角。

4．活动按三个层次循序渐进，由制作到设计，由模仿到创新。要根据年龄安排活动内容，小学生着重第一第二层次，不要求第三层次内容。高中生则可以着重第二、三层次。

4．要准备好活动器材、工具和试验场地，使学生随时可以进行试验，这样才能使探究活动正常开展起来。

5．要开好交流会，并经常利用“头脑风暴法”进行作品探讨，用集体的智慧使之不断完善。

器材和资料清单：

1．创意模型一套（附说明书一份）。

2．Ф3mm圆机螺丝、螺母若干，塑料配件、卡纸、木片、线、橡皮、粘接剂若干。

3．“十”字螺丝批（适用于Ф3螺丝）一把、尖头钳一把，以上工具每人一套（建议自备）。

4．公用工具：锤子、锯、铁矬、焊具（电烙铁、焊丝、助焊剂）、电钻、Ф3.2mm麻花钻头若干。

注意事项：

1．电气工具的使用必须注意安全，必须在辅导教师的许可下才能进行操作。

2．对于低年级学生，电动工具的使用必须在辅导教师的许可下才能进行操作。

活动效果评估：

根据学生的过程表现和作品质量及比赛效果评估他们的目标达成度：

1．通过书面卷或交流检验学生对相关知识的理解程度；

2．基本技能（工具使用、识图装配）掌握的熟练程度；

3．通过对模型的分析和改造，检验学生应用知识或技能的能力；

4．在集体探讨问题时，是否能积极思考，并大胆提出自己的见解；

5．最终完成作品的质量（第一层次：是否能按图准确装配；第二层次：是否能有效地解决存在的问题；第三层次：比赛的效果）；

6．活动中表现的态度，第一层次着重于“踏实”，既是否按要求进行，力求搞懂存在的问题；第二层次注重考察“意志力”，既是否有钻研精神，碰到困难时表现的态度；第三层次注重于“追求”和“聆听”，既是否不满足现状，追求做的更好的欲望。是否会聆听他人的意见，并用诚恳的态度和他人交流。

活动方案：

机器人创新活动可以分三个阶段：第一阶段，按图制作机器人原型；第二阶段，发现问题加以改进；第三阶段，创新设计。

活动过程包括制作、竞技和交流三个板块。在不同阶段，三个板块的要求应是递进的。

以大多数学生能达到活动要求为参考依据决定每个阶段的活动案例数。

（一）第一阶段活动方案：

第一阶段的活动目的主要是理解案例中机器人机械机构的构成和运动原理，掌握识图和模型制作的基本技能。

活动案例一：制作一个“四脚行者”机器人

1．材料和工具的准备：

l  拼装式机器人模型材料（材料不以套的形式提供给学生，而是将所有零件按类分放，即以零件仓库的形式向学生开放，学生可以根据装配图所要求的零件自行去配置）。

l  直径3mm“十”字头螺丝用的螺丝批，尖头钳，小锤子，电烙铁（包括焊丝与助焊剂）。

2．活动要求：

（1）       能理解装配图中符号、辅助线的意义，并能够按照图示进行装配。

（2）       能了解简单的技术，如罗批、钳子、电烙铁，并能够比较熟练的掌握这些技术。

（3）       了解连杆机构的运动形态的转换原理。

（4）       总结使用这些技术的体会和经验，通过交流进行分享。

3．制作步骤：

（1）       先按图1、2进行装配

装配程序和制作要点：

a．  首先将机芯输出轴与两凸轮连接起来；

b．  一定要注意连接方式，连接成一体的地方要紧固定（用六角铁螺母），机器人的关节部分要松配合（用塑料方螺母）；

c．  电池盒可以用双面胶粘在机器人合适的部位；

d．  电路连接；

（2）   装上电池，使机器人滑行起来。如果机器人没有动作，可以从两方面进行检测，一是马达电路是否连接正确，二是运动机构是否卡死（所有的关节都应该是活络的）。

提示：如果机器人能够滑动起来，那么原形制作基本完成。

2． 制作体会

以下方面供参考：

（1）   在零件安装次序方面。

（2）   工具使用方面（如安装固定螺丝，焊接）

图1.四脚行者机器人装配图

活动案例二：“双足步行“机器人

（二）第二阶段活动方案：

第二阶段的活动是在第一阶段的基础上展开的，仔细观察已经做成的机器人模型的运动状况，可能会发现机器人在运动上的许多问题，这些问题或许与机构设计有关，也或许与零件的特性有关，它们所反映出的力学问题有待学生运用掌握的知识与经验进行分析，提出解决的方案，进而去解决这些问题。

活动案例：怎样使“双足步行机器人”走的更好些

1．  材料和工具的准备：

除第一阶段的材料和工具之外，还应准备：

木片、粘合剂、薄的橡皮等材料。

手锯、木锉、铁锉、台钳、钻床（或手枪钻）等工具。

2．  活动要求：

（1）   通过对机器人原型的试走，能找出存在的问题。

（2）   用已经习得的知识和经验对问题进行分析，指出问题的性质和产生的原因。

（3）   善于利用“头脑风暴法”，寻求解决的办法。

（4）       能利用所给的材料和工具，至少解决其中的一个问题。

3．  活动步骤：

（1）建议几个学生组成一个小组，通过对原型试走情况的观察，试图去发现原型存在的缺点，然后小组全体成员利用“头脑风暴法”对问题进行分析和提出改进的意见。

存在的问题： 1． 2． 3．

产生问题的原因 1． 2． 3．

改进的建议

提示：（1）要严格遵守“头脑风暴法”运用原则，希望产生的建议越多越好。

建议只针对一二个问题进行讨论，使话题的指向性更强。

（2）．大家对这些建议一一分析，然后归纳整理成一个对某个问题有可能有效解决的方案。

改进的设计：

（3）．根据设计对原型进行改造

提示：除了活动场所提供的材料和工具外，学生也可以自行找一些合适的材料，鼓励他们利用废弃物。

4．  比赛与交流：

（1）   比赛：（提示：在进行第二阶段活动时，可以将赛题作为解题任务）

以下几项比赛能在工作室中进行。

l   竞速：穿越开阔地（1米宽），穿越时间越短越好。

l   走直线：走到终点时，偏离直线越少、用时越少越好。计分：偏离直线的厘米数加耗时数（秒）为得分，得分越小越好。如偏离20cm，耗时30秒，则得分为“20＋30=50”。

l   走斜坡：设置一个1米长，仰角能在0º到3º之间变换的斜坡。能爬的坡度越大越好。

（2）   交流：

建议以小组为单位进行交流。交流的内容可以是：

l  我们想解决的是一个什么问题；问题产生的原因是什么？

l  我们采用了什么方法加以解决；

l  解决的效果怎样。

（三）第三阶段活动方案：

这一阶段学生的思维将得到拓展，这里有许多有趣的任务，这些任务驱使学生根据任务要求去创作一些很有特点的机器人，让学生在激烈的竞技中以智慧和能力去追求更快更好。在这一阶段，学生在设计时完全不必拘泥与上两个阶段的样式，鼓励用新的设计、独特的方法去解决问题。在这一阶段，将对控制这个概念进行理解并进行一些简单的控制实验。

活动案例：“扫雷机器人”

1．任务：设计和制作一个机器人，它能穿越一个2m2“雷区”，并尽可能多的将“地雷”扫出该区域。扫雷时间为1分钟。

l  可以设计成任意形式的机器人，但不能采用轮式驱动。电源为2节5＃电池。

l  在2m2的区域中均匀放置90个回形针（代表地雷）。

l  机器人可以从区域外的任意一处出发，从任意一处出来。机器人的任何部分都在区域外时才算任务完成。

l  完成任务的好坏以最终扫出区域外的“地雷”数目为惟一评价。

2．  除了第二阶段提供的材料外，还需提供：磁性门封条、线等。

但在这一阶段要鼓励学生自行筹集材料（废旧物品）和必要的工具（需保证安全）。

3．  活动要求：

（1）       根据比赛任务进行设计。

（2）       敢于冒险，鼓励用独特的方案进行创作。

4．  活动步骤：

（1）       运用“头脑风暴法”提出解决方案。

（2）       分别对解决方案中的关键点进行试验，并从中确定一个最终的解决方案。

（3）       筹集和加工材料，并加以制作。

（4）       试验与调整，根据试验的结果，不断修正设计，改善性能。

5．  评价

根据比赛的结果分析原因，进行交流和评价，以下评价依据供参考：

（1）       作品结构合理；

（2）       设计独特；

（3）       完成任务有效；

（4）       设计方案数；

（5）       选择最终方案的方法；

（6）       设计图；

（7）       分工（两人以上的话）；

（8）       能客观、准确分析（很成功或不太成功或失败）原因；

（9）       交流时话语清晰、有条理、吸引人；

（10）   能诚恳、客观地对他人进行评价。

活动案例：机器人空中投弹

1． 任务：

（1）       计和制作一个能爬横杆的机器人，并能够自动地向目标区投弹。投弹必须自动发生，不可以采用遥控、线控等来自外部的控制。“弹”必须与目标接触才能得分。

（2）       机器人必须用二个“手”交替运动进行攀爬。

（3）       测试是在一根2 m长的，离底高度为1.2m，杆径6~ 8m m的金属管上进行，测试时间为1分钟。在场地中间和终点各有一个30×30cm2的目标区。测试时，机器人一旦释放，就不能再去触碰它。

（4）       允许测试2次，以成绩最好一次计算得分。

（5）       计分：

一旦弹子投中目标（无论中点还是终点目标），比赛即告结束。以投中目标用时少的为优。

2．  关于控制的设计提示：

采用什么控制方式没有限定，以下提供两种控制方式供参考：

（1）       绕线控制：取一段一定长度的线，通过绕线的方式，用线去打开一个“门”，使弹子从容器中释放出来。

（2）       电子延时控制：采用一个电子延时器，调整延时时间，当延时时间一到，控制“门”打开。

（3）       如果选择终点投弹，则可以利用机器人在终点与杆相碰的事件，去引发一个机械机构打开释放门，也可以去触发一个电子控制电路。

附：

创意机器人模型零件清单：

第一阶段活动案例：

双足步行机器人：

高空突击机器人：

推车神行机器人：

滑雪机器人：

第二阶段活动案例：

问题1：如何使机器人走得直（走直线）？

问题2：如何使滑雪机器人滑行得快（滑板和撑竿）？

问题3：如何使双足机器人走得稳健？

问题4：如何使推车机器人走得快而直？

第三阶段活动案例：

一、             步行爬阶梯机器人

1．  设计和制作一个“步行机器人”，它能够沿着阶梯爬上一个斜坡。

2．  机器人的脚及数量没有限制，但该机器人必须用“脚”进行行走，既不能用轮或类似轮的方式进行驱动。

3．  必须使用规定的齿轮箱与电机，可以自制辅助零件，电源规定为2节A3电池。

4．  测试是在一个阶高1.5cm、台阶平面长10cm、宽15cm，共有16个台阶的跑道上进行。阶梯的两边有挡板。测试时间为1分钟。测试时，机器人一旦释放，就不能再去触碰它，一旦触碰，本轮测试成绩为零。

5．  允许测试2次，以成绩最好一次计算得分。

6．  评分：

① 以秒为单位记录机器人走完全程所用的时间，如10秒计为10分，最高为60分。

② 在规定时间内不能走完全程者，以离终点距离每10cm加5分，最高为50分。

总得分为①+②。得分越小名次越前。

二、     攀岩机器人

1．  设计和制作一个能模仿人垂直上爬的攀岩机器人。该机器人不能采用轮子或履带来行进，且只能有一个规定的动力来驱动。

2．  必须使用规定的齿轮箱与电机，可以自制辅助零件。电源规定为2节A3电池，电池可以不在机器人的身上。

3．  测试场地为一个宽15cm，高2m，两边有5 cm厚度的挡板的铁质垂直平面（如白板）。

4．  测试时间为1分钟。测试时，机器人一旦释放，就只能操纵线来调整行进方向，如用手或其它物品去触碰它，则本轮测试成绩为零。

5．  允许测试2次，以成绩最好一次计算得分。

6．  计分：

以秒为单位记录机器人走完全程所用的时间，如10秒计为10分，最达为60分。

得分越小名次越前。

三、     爬梯机器人

1．设计和制作一个能模仿人爬垂直“竹梯”的机器人。

2．机器人可以是自己设计的，可以自制辅助零件，但该机器人必须模仿人爬梯的动作进行运动。

3．必须使用规定的电机和齿轮箱。电源最多采用3节A3电池。

4．测试场地：梯长1.5m，梯宽（外沿）22cm，横档间距2.5cm。竖立放置。

5．允许测试2次，以成绩最好一次计算得分。

6．计分：

① 以秒为单位记录机器人走完全程所用的时间，如10秒计为10分，最达为60分。

② 在规定时间内不能走完全程者，以离终点距离每30cm加10分，最大为50分。

总得分为①+②。得分越小名次越前。