“智能機(jī)器人”讓學(xué)生在創(chuàng)新中自由舞蹈

徐丹

摘 要：智能機(jī)器人教學(xué)通過體驗(yàn)、感悟和實(shí)踐，注重學(xué)生個(gè)性的健康發(fā)展和創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力的培養(yǎng)。對學(xué)生知識建構(gòu)、創(chuàng)新意識有積極的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人；知識建構(gòu)；創(chuàng)新意識

我校從2004年3月份開始面向高一年級學(xué)生開設(shè)“智能機(jī)器人”選修課程。多年來，在教學(xué)實(shí)踐過程中我發(fā)現(xiàn)，智能機(jī)器人研究活動(dòng)對學(xué)生知識建構(gòu)、創(chuàng)新意識和能力的培養(yǎng)有著積極的推動(dòng)作用。

一、像科學(xué)家一樣做研究

智能機(jī)器人研究活動(dòng)是一項(xiàng)腦手緊密結(jié)合的活動(dòng)，學(xué)生們像做科學(xué)研究一樣對待每一次活動(dòng)，通過研究過程來熟悉科學(xué)家們的工作方式，認(rèn)同一種科學(xué)精神：不再是側(cè)重于單純的任務(wù)達(dá)成，而是從現(xiàn)象到本質(zhì)進(jìn)行探討，篩選出最適合的方案，并進(jìn)行嘗試。這是單純的課堂教學(xué)所難以達(dá)到的。

如何使機(jī)器人爬樓梯時(shí)耗時(shí)最短呢？學(xué)生研究發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的速度主要取決于兩個(gè)因素：步幅和步頻。不同的機(jī)器人，步幅和步頻都是不同的。步幅和步頻是動(dòng)態(tài)的，肉眼很難直接辨別。怎樣才能直觀呈現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的步幅呢？學(xué)生在幾何課上得到了啟發(fā)，利用“幾何畫板”來對步幅直觀描述。

下面利用“幾何畫板”對不同模型的步幅進(jìn)行分析（相同半徑轉(zhuǎn)動(dòng)一周）。

我們發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的步頻受自身重量、扭矩①、馬達(dá)轉(zhuǎn)速、電壓、電流、摩擦損耗等諸多因素的影響。在制作機(jī)器人時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的車型特點(diǎn)合理設(shè)計(jì)齒輪比，合理選用馬達(dá)、電壓、電流，并盡可能的減輕自身重量。

學(xué)生還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)值得注意的問題：在功率固定的條件下扭矩與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成反比，轉(zhuǎn)速越快扭矩越小，反之越大。因此機(jī)器人在抬升過程中因扭矩不夠大而出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)緩慢，就會(huì)影響機(jī)器人的步頻。因此在設(shè)計(jì)齒輪比時(shí)，最終的扭矩要足夠克服自身重量與摩擦損耗。

二、學(xué)會(huì)觀察生活

看到機(jī)器人抓取物體總是很有趣。搭建手臂，夾具，鉗子等模型也是學(xué)生的興趣所在。學(xué)生通過觀察自己的手，發(fā)現(xiàn)人手本身就是一個(gè)不可思議的機(jī)械裝置，它可以處理不同形狀和大小的物體，能執(zhí)行抓、搬、舉、拿、壓、夾、捏、推、拉等動(dòng)作并且這只是其中的一小部分。這么多功能手是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

學(xué)生查閱了大量的資料，當(dāng)人做彎曲手指這個(gè)動(dòng)作時(shí)，由四個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)組成：從指尖到手掌處三個(gè)彎曲關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，另外還有一個(gè)手指與手掌連接處的左右輕微的運(yùn)動(dòng)，然后乘以5（一個(gè)手有5個(gè)手指）再加上腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，這樣25個(gè)或者更多的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)就形成了一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，讓我們的手根據(jù)物體形狀來處理物體。每一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)都代表一個(gè)自由度（DOF）②，在同一個(gè)裝置中互不影響。

了解了人手的工作原理之后，學(xué)生開始考慮機(jī)械手的搭建，盡量讓它也能像人手一樣靈活。用汽壓缸作為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置？氣動(dòng)部件不是在任何時(shí)候都適用的。因?yàn)槲覀兛赡軟]有空間安裝帶有一個(gè)壓力開關(guān)或某種馬達(dá)驅(qū)動(dòng)閥開關(guān)的氣體壓縮機(jī)等設(shè)備，另外氣動(dòng)部件與控制器RCX連接是相當(dāng)麻煩的。用馬達(dá)試試？馬達(dá)的使用解決了機(jī)械手的打開、閉合的問題，但又出現(xiàn)了新問題：①如何讓機(jī)械手在物體上施加持續(xù)的力壓緊物體防止掉落。②馬達(dá)的失速會(huì)損壞馬達(dá)，因此，不能依靠馬達(dá)的持續(xù)旋轉(zhuǎn)來施加這個(gè)壓緊物體的力。試試蝸輪？蝸輪是單向傳動(dòng)齒輪：它可以傳動(dòng)其它齒輪，而其它齒輪不能帶動(dòng)它。當(dāng)馬達(dá)停止時(shí)，蝸輪可以防止抓手松開。

學(xué)生通過對身邊事物細(xì)致入微的觀察和研究，不斷地得到啟示，尋求解決問題的最佳途徑。智能機(jī)器人研究活動(dòng)正在不知不覺地改變著學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和生活態(tài)度，讓他們通過觀察生活而更加熱愛生活，熱愛學(xué)習(xí)。

三、強(qiáng)化創(chuàng)新意識

機(jī)器人研究活動(dòng)體現(xiàn)了學(xué)科交叉和團(tuán)隊(duì)合作，它不僅需要分析問題、解決問題的能力，更需要具有創(chuàng)造性和集思廣益、形成概念的能力。學(xué)生在活動(dòng)中要改變思維方式，學(xué)會(huì)深入思考，養(yǎng)成一種不斷創(chuàng)新的思維習(xí)慣。

機(jī)器人通常使用萬向輪來自由改變運(yùn)動(dòng)方向，但市面上的萬向輪個(gè)頭和質(zhì)量都比較大，往往不符合設(shè)計(jì)要求。學(xué)生就開始嘗試自己設(shè)計(jì)一個(gè)類似與萬向輪的機(jī)械裝置，以滿足需求。

實(shí)驗(yàn)：用軸將兩個(gè)輪胎連接放到平面上，輕輕推動(dòng)：輪胎平直前進(jìn)。當(dāng)用手拿住軸的中間，設(shè)法改變方向，有些困難。原因：兩個(gè)平行輪拐彎時(shí)，運(yùn)動(dòng)路徑長度是不同的，外輪的運(yùn)動(dòng)路徑長度要長于內(nèi)輪。在實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)輪子是剛性連接③，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，行程一樣，因此在一個(gè)輪子不打滑的情況下是沒有辦法讓其轉(zhuǎn)彎的。

機(jī)器人能像汽車一樣靈活轉(zhuǎn)向嗎？學(xué)生開始研究汽車結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在汽車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中有一個(gè)特殊的裝置——差速器。其作用是在向兩邊半軸傳遞動(dòng)力的同時(shí)，允許兩邊半軸以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，滿足兩邊車輪盡可能以純滾動(dòng)的形式作不等距行駛，減少輪胎與地面的摩擦。根據(jù)這一原理學(xué)生設(shè)計(jì)了屬于機(jī)器人的差速器（如圖）。

該裝置包含配有3個(gè)斜齒輪的差速器，兩根軸，固定組件的梁和板。將輪子放到桌上并推動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)地朝各個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

機(jī)器人研究活動(dòng)是一個(gè)集體活動(dòng)，學(xué)生可以在這個(gè)團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮各自不同的才能：語言表達(dá)、邏輯思維、觀察、管理、音樂、創(chuàng)意、動(dòng)手能力和合作交流。同時(shí)它又是一個(gè)各種學(xué)科和技術(shù)整合的活動(dòng)：

這些技術(shù)的應(yīng)用，拓寬了學(xué)生的知識面，也使原來處于零散狀態(tài)的各門學(xué)科知識進(jìn)行有效整合，提高學(xué)生對知識的綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新思維的養(yǎng)成。

注釋：

①扭矩：扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的力。

②自由度（DOF）是一種最基本的運(yùn)動(dòng)測量尺度，是指一個(gè)物體可以運(yùn)動(dòng)方向的數(shù)量。

③剛性連接是指相鄰子結(jié)構(gòu)間的直接對接關(guān)系。