机器人教学探究之机械入门

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1、机器人教学探究之机械入门机器人教学探究之机械入门1课题背景伴随着全新的信息科学与技术发展和全球性的教育改革，国际青少年电脑机器人活动于20世纪90年代在一些发达国家青少年中逐步兴起。近几年来，机器人教育已经在全国发达城市中小学中广泛开展起来，并大有普及之势。2006年，我校申报宝山区区级课题《机器人步行模式的研究与设计》，期间在上海大学的指导和我校科技教师的共同努力下于2009年顺利结题，课题从高中教学层面探讨了机器人机构设计如何应用于高中学段学生。2理论基础我们考虑从机器人的一个板块出发，利用学生对机器人机械结构的

2、认识和研究开始逐步破解学生对机器人的神秘感，锻炼学生的科研能力，引导学生从设计出发，自己动手设计并制作机器人。从而让学生能够从中体验较为完整的科研过程，使他们学到科学有效的思维方式，提高逻辑思维能力、规划能力，提高分析问题和解决问题的能力。同时，在课程及活动屮穿插结合专家讲座以及实践探索等一系列方式来了解智能机器人的发展和应用状况，并在组装机器人的过程中培养学生的动手能力、协作能力和创造能力。最终的目的是能为同学们开设一门能充分发挥创造力的创新课程，或者说向这个目标做一些有益尝试。我们知道了一般机器人的设计可以分为三

3、个部分：机械部分、电路部分和程序部分，而其中最为基础的便是机械部分。高中最常见的机器人活动竞赛就是单马达的简易机器人搭建了，通过不同的结构可实现跑步、爬杆、爬梯（图1）等不同的动作。类似的比赛中经常有一条规则是一定要使用曲柄连杆机构，不得使用轮式，这就涉及到了一个基本的机构学概念一一机械传动，具体的搭建方式虽然可以参照机器人的说明书，但如果能真正掌握其原理必然让学生对机器人有更深一层次的认识。有了这些理论基础和想法，我们咨询了上海大学机械工程系的专家，从可行性角度对本课题进行了论证，在肯定我们想法的同吋专家还从技术角

4、度解答了我们的一些疑问，提供了我们一些新的思路和手段。我们打算笫…步就从机械板块进行教学的深入探究，让学牛重新认识机械设计这一可能会被忽略的机器人最基础的部分。3课程设计遵循这样一个切入点我们针对机械结构部分为学生设计了以下的一系列学习课程，大致分为了这样儿个阶段：3.1观察分析阶段一开始通过对机器人的搭建及观察，学生接触简易单马达机器人,从实际出发认识一个机器人完成整个运动过程的基木方式，培养学生的动手能力和合作精神，并使其掌握读图纸、零件装配等一些基本工程技术素养。3.2理论学习阶段本环节通过对四杆机构这样一种常

5、用的传动方式的介绍，带领同学从单纯照搬图纸过度到进行简易机构分析的层面。机器人制作课程实际是一种跨学科的学习课程，须灵活运用各种学科的知识。现在的高中课程中，学生们学了很多数学、物理、计算机方面知识和解题方法，但遇到实际问题往往就不会运用了。如本环节用到了很多他们学过的数学知识，既让他们觉得设计并不是那么遥不可及从而失去信心和兴趣，乂让他们在真实的情景中体验学以致用的快乐，更好的提升他们学习科学文化知识的热情。3.3技术实践阶段有了一定的理论基础以后我们可以利用一系列的技术手段让学生的所学得到巩固提高，来一次理论联系

6、实际。受到了《神奇的仿真技术》课程的启发，我们考虑借助计算机仿真这一手段。一方面机械结构的实物的设计制作存在一定成木，另外计算机辅助设计作为一门新兴学科也已经登陆到了高中课堂（一些学校已经开设了AUTOCAD.CAXA等课程）。经过我们的儿次尝试这一环节可以通过多种方式去实现，比如可结合数学计算利用VB的绘图功能进行二维机构仿真（图2）,再比如有一些现成的软件（如workingmodel2D）可以实现类似真实模拟环境下的机构仿真。最新的探究屮我利用了上海市青少年活动中心组织的培训，掌握了工程设计领域的权威软件ProE

7、,其中即可实现三维模型的建模，又可模拟真实的三维运动（图3）,很好地为学生的自主探究提供的一种手段。3.4创新实践阶段在经过了上述各阶段的学习以后，学生对于机械结构的认识可以说有了一个质的飞跃，这为其以后参与到各项机器人的活动中打下了扎实的基础。至少在机器人的机械部分，我们总结出了即使在是看似再简单的机械结构，也要经历结构设计、运动模拟、计算机辅助设计、计算机辅助制造等环节。而冃这个流程不是一蹴而就的，必将经过反复的修改和测试，下面我们來看一个成功的例了。4具体案例以下为第24届英特尔上海市创新大赛我校机器人创意设计

8、一等奖作品的论文节选，该论文中的学生就是在经过了上述过程的学习后改进了一个步行机器人结构，虽然在参赛过程中专家对于其在实用性方面还存在一定争议，但评委们一致认为在机械结构设计这一部分,其科学性和新颖性已经达到了一定高度。论文改进了一个容易跌倒的双足步行机器人结构，通过模拟人行走的膝关节和踝关节从结构上进行了一定创新，基本达到了课题制定的目标，下