“智能机器人”让学生在创新中自由舞蹈

徐丹

摘 要：智能机器人教学通过体验、感悟和实践，注重学生个性的健康发展和创新精神、实践能力的培养。对学生知识建构、创新意识有积极的推动作用。

关键词：智能机器人；知识建构；创新意识

我校从2004年3月份开始面向高一年级学生开设“智能机器人”选修课程。多年来，在教学实践过程中我发现，智能机器人研究活动对学生知识建构、创新意识和能力的培养有着积极的推动作用。

一、像科学家一样做研究

智能机器人研究活动是一项脑手紧密结合的活动，学生们像做科学研究一样对待每一次活动，通过研究过程来熟悉科学家们的工作方式，认同一种科学精神：不再是侧重于单纯的任务达成，而是从现象到本质进行探讨，筛选出最适合的方案，并进行尝试。这是单纯的课堂教学所难以达到的。

如何使机器人爬楼梯时耗时最短呢？学生研究发现机器人的速度主要取决于两个因素：步幅和步频。不同的机器人，步幅和步频都是不同的。步幅和步频是动态的，肉眼很难直接辨别。怎样才能直观呈现机器人运动时的步幅呢？学生在几何课上得到了启发，利用“几何画板”来对步幅直观描述。

下面利用“几何画板”对不同模型的步幅进行分析（相同半径转动一周）。

我们发现机器人的步频受自身重量、扭矩①、马达转速、电压、电流、摩擦损耗等诸多因素的影响。在制作机器人时，应根据不同的车型特点合理设计齿轮比，合理选用马达、电压、电流，并尽可能的减轻自身重量。

学生还发现了一个值得注意的问题：在功率固定的条件下扭矩与发动机转速成反比，转速越快扭矩越小，反之越大。因此机器人在抬升过程中因扭矩不够大而出现转动缓慢，就会影响机器人的步频。因此在设计齿轮比时，最终的扭矩要足够克服自身重量与摩擦损耗。

二、学会观察生活

看到机器人抓取物体总是很有趣。搭建手臂，夹具，钳子等模型也是学生的兴趣所在。学生通过观察自己的手，发现人手本身就是一个不可思议的机械装置，它可以处理不同形状和大小的物体，能执行抓、搬、举、拿、压、夹、捏、推、拉等动作并且这只是其中的一小部分。这么多功能手是如何实现的呢？

学生查阅了大量的资料，当人做弯曲手指这个动作时，由四个独立运动組成：从指尖到手掌处三个弯曲关节的运动，另外还有一个手指与手掌连接处的左右轻微的运动，然后乘以5（一个手有5个手指）再加上腕关节的运动，这样25个或者更多的独立运动就形成了一个复杂的结构，让我们的手根据物体形状来处理物体。每一个独立的运动都代表一个自由度（DOF）②，在同一个装置中互不影响。

了解了人手的工作原理之后，学生开始考虑机械手的搭建，尽量让它也能像人手一样灵活。用汽压缸作为机械手的驱动装置？气动部件不是在任何时候都适用的。因为我们可能没有空间安装带有一个压力开关或某种马达驱动阀开关的气体压缩机等设备，另外气动部件与控制器RCX连接是相当麻烦的。用马达试试？马达的使用解决了机械手的打开、闭合的问题，但又出现了新问题：①如何让机械手在物体上施加持续的力压紧物体防止掉落。②马达的失速会损坏马达，因此，不能依靠马达的持续旋转来施加这个压紧物体的力。试试蜗轮？蜗轮是单向传动齿轮：它可以传动其它齿轮，而其它齿轮不能带动它。当马达停止时，蜗轮可以防止抓手松开。

学生通过对身边事物细致入微的观察和研究，不断地得到启示，寻求解决问题的最佳途径。智能机器人研究活动正在不知不觉地改变着学生的学习方式和生活态度，让他们通过观察生活而更加热爱生活，热爱学习。

三、强化创新意识

机器人研究活动体现了学科交叉和团队合作，它不仅需要分析问题、解决问题的能力，更需要具有创造性和集思广益、形成概念的能力。学生在活动中要改变思维方式，学会深入思考，养成一种不断创新的思维习惯。

机器人通常使用万向轮来自由改变运动方向，但市面上的万向轮个头和质量都比较大，往往不符合设计要求。学生就开始尝试自己设计一个类似与万向轮的机械装置，以满足需求。

实验：用轴将两个轮胎连接放到平面上，轻轻推动：轮胎平直前进。当用手拿住轴的中间，设法改变方向，有些困难。原因：两个平行轮拐弯时，运动路径长度是不同的，外轮的运动路径长度要长于内轮。在实验中两个轮子是刚性连接③，转动时，行程一样，因此在一个轮子不打滑的情况下是没有办法让其转弯的。

机器人能像汽车一样灵活转向吗？学生开始研究汽车结构，发现在汽车的动力驱动系统中有一个特殊的装置——差速器。其作用是在向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。根据这一原理学生设计了属于机器人的差速器（如图）。

该装置包含配有3个斜齿轮的差速器，两根轴，固定组件的梁和板。将轮子放到桌上并推动，可以实现平稳地朝各个方向转动。

机器人研究活动是一个集体活动，学生可以在这个团队中发挥各自不同的才能：语言表达、逻辑思维、观察、管理、音乐、创意、动手能力和合作交流。同时它又是一个各种学科和技术整合的活动：

这些技术的应用，拓宽了学生的知识面，也使原来处于零散状态的各门学科知识进行有效整合，提高学生对知识的综合运用能力和创新思维的养成。

注释：

①扭矩：扭矩是使物体发生转动的力。

②自由度（DOF）是一种最基本的运动测量尺度，是指一个物体可以运动方向的数量。

③刚性连接是指相邻子结构间的直接对接关系。