作者

羅靚/上海市通河中學(xué)

課題由來

機(jī)器人教學(xué)需求

仿生機(jī)器人是一種模仿生物結(jié)構(gòu)、功能或行為的機(jī)器人。通過學(xué)習(xí)和研究仿生機(jī)器人的制作，可以深入了解生物系統(tǒng)的工作原理和機(jī)制，為機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展提供新的思路和方法。同時(shí)，開展機(jī)器人學(xué)習(xí)可以培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科思維、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，為他們的未來發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

機(jī)器人教學(xué)現(xiàn)狀

缺乏合適的機(jī)器人教學(xué)套件

目前，市場(chǎng)上針對(duì)機(jī)器人教學(xué)的教材教具相對(duì)較少，而且質(zhì)量參差不齊，教師在選擇教材時(shí)面臨困難，難以找到適合學(xué)生年齡、知識(shí)水平和教學(xué)目標(biāo)的套件。

教材內(nèi)容過時(shí)

機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，新的概念、方法和應(yīng)用不斷涌現(xiàn)?，F(xiàn)有的機(jī)器人教材無法及時(shí)跟上這些變化，不能滿足實(shí)際教學(xué)需求。

設(shè)備和材料昂貴

機(jī)器人教學(xué)通常需要一定的設(shè)備和材料支持，如機(jī)器人套件、編程軟件等。這些設(shè)備和材料的價(jià)格較高，往往超出學(xué)?；蚣议L(zhǎng)的預(yù)算，限制了教學(xué)活動(dòng)的開展。

技術(shù)更新快

機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，新的硬件和軟件平臺(tái)不斷推出，這意味著教師需要不斷學(xué)習(xí)和更新知識(shí)和技能，以適應(yīng)新的教學(xué)需求。

當(dāng)前基礎(chǔ)教育機(jī)器人教學(xué)需求

一套能夠涵蓋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)制作的仿生機(jī)器人教學(xué)套件；套件具備智能硬件安裝與拓展使用功能，為人工智能教學(xué)提供可行性；根據(jù)套件進(jìn)行學(xué)習(xí)制作的仿生機(jī)器人作品具備升級(jí)拓展性能，以用于參加比賽。

研究與制作

變速齒輪箱的設(shè)計(jì)

齒輪箱是仿生機(jī)器人的動(dòng)力核心，市面上的比賽機(jī)器人套件通常只有組裝好的齒輪箱，且結(jié)構(gòu)固定，學(xué)生無法進(jìn)行調(diào)整。作者計(jì)劃設(shè)計(jì)一款能夠調(diào)整齒輪比的齒輪箱材料，教師可以通過齒輪箱的教學(xué)，幫助學(xué)生理解齒輪箱的功能和特性，以便在比賽中合理判斷、制作并使用不同轉(zhuǎn)速的齒輪箱。使用SolidWorks軟件繪制設(shè)計(jì)齒輪箱，零件圖紙如圖1所示，簡(jiǎn)介詳見表1。

圖1 齒輪箱零件圖紙

仿生機(jī)器人零件的設(shè)計(jì)

在多年的仿生機(jī)器人參賽、比賽過程中，作者設(shè)計(jì)、制作過一系列機(jī)器人零件用于教學(xué)實(shí)踐（圖2），將這些零件進(jìn)行孔位和結(jié)構(gòu)優(yōu)化與統(tǒng)一后，重新設(shè)計(jì)出一套仿生機(jī)器人制作零件（圖3），仿生機(jī)器人套材零件介紹詳見表2。

圖2 爬桿、推小車、雙足、四足等功能性機(jī)器人

圖3 六足機(jī)器人

線控線路板的設(shè)計(jì)

在一些仿生機(jī)器人比賽中，機(jī)器人比賽項(xiàng)目需要選手用線控設(shè)備對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操控，一些機(jī)器人套件中會(huì)包含一個(gè)兩通道的線控器，但是功能較為單一，往往需要教師帶領(lǐng)學(xué)生自行制作多通道線控設(shè)備。作者設(shè)計(jì)了一款可焊接多通道線路板，不僅減少了制作線控設(shè)備的難度，提高了控制穩(wěn)定性，還通過這個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)了焊接課程，豐富了課程內(nèi)容。

教學(xué)與比賽實(shí)踐

用于機(jī)器人聯(lián)合體成員學(xué)校科技拓展課、科技社團(tuán)的教材內(nèi)容實(shí)施基礎(chǔ)和進(jìn)階教學(xué)；在活動(dòng)中心機(jī)器人教研組教師培訓(xùn)活動(dòng)中作為教師培訓(xùn)內(nèi)容；在活動(dòng)中心周末科技公益課上進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)；自媒體科技創(chuàng)新課程推廣教學(xué)。2015—2023學(xué)年，各校使用機(jī)器人套件制作的機(jī)器人作品參加了各級(jí)各類的機(jī)器人比賽，獲得了各類獎(jiǎng)項(xiàng)。

創(chuàng)新點(diǎn)

本套仿生機(jī)器人制作套件是根據(jù)多年教學(xué)和比賽經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、制作的專用套件。所制作的結(jié)構(gòu)均接受過教學(xué)實(shí)踐與各類比賽的檢驗(yàn)。功能較完善，可拓展性強(qiáng)，對(duì)于機(jī)器人初學(xué)者來說是一個(gè)非常不錯(cuò)的學(xué)習(xí)和制作平臺(tái)。教師和學(xué)生能夠使用本套件結(jié)合配套工具書制作出各款仿生機(jī)器人，有經(jīng)驗(yàn)的科技輔導(dǎo)員可根據(jù)零件圖紙和尺寸標(biāo)注自行設(shè)計(jì)并繪圖，使用激光雕刻機(jī)雕刻木板或者有機(jī)玻璃等材料，制作出零件進(jìn)行教學(xué)研究。

具體特點(diǎn)如下：①機(jī)器人套件可搭建多款仿生機(jī)器人，也可根據(jù)比賽需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改造；②零件重量輕、強(qiáng)度高，搭建作品適合高強(qiáng)度比賽；③孔位設(shè)置合理，無需螺母，搭建方便；④配套齒輪箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、功能強(qiáng)大，可以作為各種功能機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)；⑤主板孔位豐富，可拓展安裝各種智能硬件，豐富了機(jī)器人作品的教學(xué)內(nèi)容與參賽項(xiàng)目；⑥配套課程豐富，包括齒輪箱課程、機(jī)器人制作課程、焊接課程、智能硬件編程課程、APPInventor手機(jī)編程課程等，適用于各年齡段的學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)和制作。

改進(jìn)方案

改進(jìn)方案可包括：新設(shè)計(jì)一些結(jié)構(gòu)件，進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的拓展功能；部分孔位尺寸與位置的修改；增加新款仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)等。

該項(xiàng)目獲得第 38 屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技教育創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)

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來源 | 《中國(guó)科技教育》2025-02

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安