机器人（乐高）搭建工作室

汪龙 翟立原

编者按：为了促进广大社区、中小学校、科技场馆及相关科教机构内青少年科学工作室的建设与发展，中国青少年科技辅导员协会和中国科普研究所依托上海市宝山区青少年科技指导站，研究并开发出了相关科学工作室典型案例，在这里一并展示，供大家参照和借鉴。

工作室概况

机器人是具有一定智能并可以自动完成相关工作的特定装置。之所以称为机器人，是因为这种机器装置像人一样，具有一定形状的“身体”；亦有控制其自身的“大脑”，还可以展现出一定的行为“动作”。在生活、生产和社会其他领域中，青少年都可以看到各种各样的机器人，如宾馆酒店里的自动售货机、大街上的交通信号灯装置、银行里的自助存取款机、工厂里生产线上的机械手、用于空中摄影的无人机，以及探海机器人、扫地机器人和踢足球机器人等。当然，对青少年而言，通过参与一系列科学工作，自己制造出一个机器人，也并不是什么难事。

机器人工作室，就是一个能展现青少年想象力、创造力、合作能力、学习乐趣，获取与机器人相关科学知识、技能和方法的开放空间。它可以让青少年通过参与制造机器人的活动，培养他们的科学兴趣、创新精神和解决问题的实际能力。我们这里所说的机器人工作室，因其使用的是乐高机器人套材，所以又称为乐高机器人工作室。

来自童话王国丹麦的乐高教育，有着经80年优化发展并通过欧洲严格环保测试的LEGO技术教育器材，有着30年创新教学研究的历史。乐高公司产品被列入改变世界的100项发明之一，在120多个国家和地区广泛推广。乐高机器人工作室采用全套乐高公司的标准机器人教学器材，并依托有丰富教学经验的科技辅导员进行指导，通过组织开展充满创造力和有趣的主题活动，使5～12岁的青少年能够以机器人为聚焦点，循序渐进地从接触世界到探索世界，逐步全方位了解世界，进而成为未来改变世界的人。

就机器人工作室的活动而言，主要包括非编程机器人（指机器人的控制程序已经编好并储存在单片机内，操纵者不能更改程序，只能改变机器人的外观设计）搭建；遥控机器人（指操纵者通过无线或有线的方式发出命令，控制机器人完成任务）搭建；编程机器人（指操纵者编写控制程序输入机器人，由机器人自动完成任务）搭建，诸如足球、篮球、灭火机器人等。而乐高机器人工作室的活动，主要是上述第3种类型，即以编程机器人搭建为主。

活动目标

一般来说，机器人工作室的活动目标，主要是使青少年接触机器人技术，了解与机器人工作相关的机械、电子和计算机原理及相关知识；破除青少年对机器人的神秘感，培养他们对机器人工程技术的兴趣；让青少年学会机器人模块的搭建，掌握机器人控制程序的编程和调试，熟悉机器人的操作控制；激发青少年的创造性想象力和创造欲望，提高他们解决问题的能力和团队合作能力。

具体到乐高机器人工作室的活动目标，主要是使青少年掌握常用的机械原理，熟练运用各种传感器完成主体活动，通过机器人图形化编程技术编写机器人运行程序，并亲自动手完成制作和调试，以及尝试对机器人进行控制和改进，从而真正体验到实践和创新成功后的喜悦和兴奋。

场地设施条件

◇场地条件具备可无偿使用，实用面积为60～80平方米的固定活动场所，以及开展活动必需的基础条件（桌椅、活动器材存放柜、电源接口、应急设施等）。

◇设施条件（30万元）

·科技辅导员专用设施：台式计算机、投影仪及投影屏幕。

·青少年专用设施：乐高9797活动套材12套、台式计算机12台。

·工作室辅助设施：置物箱、设备转运箱、吸尘器、展橱、货架、网络、多媒体等。

人员配备条件

配备1名具有一定管理经验的专（兼）职管理人员和1名专（兼）职科技辅导员，建立3人以上科技辅导员志愿者队伍。

容纳青少年数量

可同时容纳12名青少年参与工作室内的活动。

开放时间

每月不少于16天。

活动内容

◇技术与设计概念的认知，诸如资源、能源、技术系统、控制技术、创新思维、设计技巧、审美、制作技术和交流技术等。

◇利用乐高活动套材，让青少年熟悉机器人控制器（可编程主机）、动力源（电动机）、传感器（光电传感器、声音传感器、温度传感器、压力传感器等）、机械部分（齿轮、轮轴、横梁、插销）等结构及其功能，并尝试进行能按指令行动的机器人之搭建。

◇开展创意训练，就像玩传统的乐高积木一样，通过青少年自由发挥创意，拼凑各种机器人模型，而且可以让它真正动起来——完成一定的任务。

活动形式

展示、培训、竞赛、个人或小组体验及探究等。

工作室典型活动案例

活动名称 制作一个会打高尔夫球的机器人。

活动目的 学习伺服电机的使用；学习顺序、等待命令的正确用法。

活动目标 设计一个打高尔夫球的运动员；可以正确击打到高尔夫球。

活动人数 约12人。

活动所需器材 乐高9797活动套材12套、台式电脑12台。

活动内容 利用给定的乐高9797活动套材，制作一个打高尔夫球的装置；完成装置的制作后，利用图形化软件编写一个能正确击打高尔夫球的程序。

活动过程

·培训学习

培训青少年学会使用图形化软件编程。视觉信息是人们最便于接受和理解的信息表示形式之一，图形化软件正是依托图形的生成、表示和操作，把人们想要让机器人做的事情用程序表达出来。在图形化编程软件中，用图标代替了文本指令，青少年编程者只需调用图标，然后通过连线规定数据的流向即可。整个编程工作如同在画程序框图，既简单明了又生动有趣。

培训青少年学会看懂零件装配图。乐高机器人零件主要包括梁、连杆、片、砖、轴、轴套、销、连接器、齿轮等，而其中每种零件又有不同的规格，如梁就有lx4绿色梁、黑色直角梁、黄色拐角梁、5孔灰色平梁等。在识别和熟悉上述零件的基础上，即可让青少年学习看懂零件装配图，重点是如何通过画在平面上的图形想象出零件完整的立体结构和空间形状，快速确定零件的尺寸大小和规格，以及零件之间连接的技术要求等。

·尝试制作

学会看懂零件图后，即可指导青少年按图中所示零件之间的相互连接，尝试制作，一步一步整体安装完成（大约40分钟）。具体步骤如下。

首先从乐高9797活动套材挑选出所需材料（如图1）：NXT控制器1个、伺服电机1个、连接线l根、蓝色球1个、直角灰色连接销4个、双排灰色连接销2个、l5单位无突点梁5根、9单位无突点梁2根、5单位无突点梁2根、3单位无突点梁l根、3x5直角梁2根、长连接销4个、短连接销8个、轴连接销2个、连轴器2个、3单位轴1根。

组装电机底座：用直角灰色连接销及短连接销如图2、图3所示安装起来。

安装伺服电机：按图4所示将双排灰色连接销连接到电机上。

组装底座与电机：如图5所示，将底座与电机拼装起来。

组装机械臂：用直角灰色连接销及长连接销如图6所示安装起来。

完成整机组装：将连接线一端接入NXT控制器A接口，另一端接入电机接口。

·运用图形化编程软件编写一个击球的程序

·效果测试

青少年将自己完成的作品进行展示、调试。

·创意拓展

在完成上述制作后，引导青少年再尝试设计一个可以自动发球并击打的机器人。