機器人（樂高）搭建工作室

汪龍 翟立原

編者按：為了促進(jìn)廣大社區(qū)、中小學(xué)校、科技場館及相關(guān)科教機構(gòu)內(nèi)青少年科學(xué)工作室的建設(shè)與發(fā)展，中國青少年科技輔導(dǎo)員協(xié)會和中國科普研究所依托上海市寶山區(qū)青少年科技指導(dǎo)站，研究并開發(fā)出了相關(guān)科學(xué)工作室典型案例，在這里一并展示，供大家參照和借鑒。

工作室概況

機器人是具有一定智能并可以自動完成相關(guān)工作的特定裝置。之所以稱為機器人，是因為這種機器裝置像人一樣，具有一定形狀的“身體”；亦有控制其自身的“大腦”，還可以展現(xiàn)出一定的行為“動作”。在生活、生產(chǎn)和社會其他領(lǐng)域中，青少年都可以看到各種各樣的機器人，如賓館酒店里的自動售貨機、大街上的交通信號燈裝置、銀行里的自助存取款機、工廠里生產(chǎn)線上的機械手、用于空中攝影的無人機，以及探海機器人、掃地機器人和踢足球機器人等。當(dāng)然，對青少年而言，通過參與一系列科學(xué)工作，自己制造出一個機器人，也并不是什么難事。

機器人工作室，就是一個能展現(xiàn)青少年想象力、創(chuàng)造力、合作能力、學(xué)習(xí)樂趣，獲取與機器人相關(guān)科學(xué)知識、技能和方法的開放空間。它可以讓青少年通過參與制造機器人的活動，培養(yǎng)他們的科學(xué)興趣、創(chuàng)新精神和解決問題的實際能力。我們這里所說的機器人工作室，因其使用的是樂高機器人套材，所以又稱為樂高機器人工作室。

來自童話王國丹麥的樂高教育，有著經(jīng)80年優(yōu)化發(fā)展并通過歐洲嚴(yán)格環(huán)保測試的LEGO技術(shù)教育器材，有著30年創(chuàng)新教學(xué)研究的歷史。樂高公司產(chǎn)品被列入改變世界的100項發(fā)明之一，在120多個國家和地區(qū)廣泛推廣。樂高機器人工作室采用全套樂高公司的標(biāo)準(zhǔn)機器人教學(xué)器材，并依托有豐富教學(xué)經(jīng)驗的科技輔導(dǎo)員進(jìn)行指導(dǎo)，通過組織開展充滿創(chuàng)造力和有趣的主題活動，使5～12歲的青少年能夠以機器人為聚焦點，循序漸進(jìn)地從接觸世界到探索世界，逐步全方位了解世界，進(jìn)而成為未來改變世界的人。

就機器人工作室的活動而言，主要包括非編程機器人（指機器人的控制程序已經(jīng)編好并儲存在單片機內(nèi)，操縱者不能更改程序，只能改變機器人的外觀設(shè)計）搭建；遙控機器人（指操縱者通過無線或有線的方式發(fā)出命令，控制機器人完成任務(wù)）搭建；編程機器人（指操縱者編寫控制程序輸入機器人，由機器人自動完成任務(wù)）搭建，諸如足球、籃球、滅火機器人等。而樂高機器人工作室的活動，主要是上述第3種類型，即以編程機器人搭建為主。

活動目標(biāo)

一般來說，機器人工作室的活動目標(biāo)，主要是使青少年接觸機器人技術(shù)，了解與機器人工作相關(guān)的機械、電子和計算機原理及相關(guān)知識；破除青少年對機器人的神秘感，培養(yǎng)他們對機器人工程技術(shù)的興趣；讓青少年學(xué)會機器人模塊的搭建，掌握機器人控制程序的編程和調(diào)試，熟悉機器人的操作控制；激發(fā)青少年的創(chuàng)造性想象力和創(chuàng)造欲望，提高他們解決問題的能力和團隊合作能力。

具體到樂高機器人工作室的活動目標(biāo)，主要是使青少年掌握常用的機械原理，熟練運用各種傳感器完成主體活動，通過機器人圖形化編程技術(shù)編寫機器人運行程序，并親自動手完成制作和調(diào)試，以及嘗試對機器人進(jìn)行控制和改進(jìn)，從而真正體驗到實踐和創(chuàng)新成功后的喜悅和興奮。

場地設(shè)施條件

◇場地條件具備可無償使用，實用面積為60～80平方米的固定活動場所，以及開展活動必需的基礎(chǔ)條件（桌椅、活動器材存放柜、電源接口、應(yīng)急設(shè)施等）。

◇設(shè)施條件（30萬元）

·科技輔導(dǎo)員專用設(shè)施：臺式計算機、投影儀及投影屏幕。

·青少年專用設(shè)施：樂高9797活動套材12套、臺式計算機12臺。

·工作室輔助設(shè)施：置物箱、設(shè)備轉(zhuǎn)運箱、吸塵器、展櫥、貨架、網(wǎng)絡(luò)、多媒體等。

人員配備條件

配備1名具有一定管理經(jīng)驗的專（兼）職管理人員和1名專（兼）職科技輔導(dǎo)員，建立3人以上科技輔導(dǎo)員志愿者隊伍。

容納青少年數(shù)量

可同時容納12名青少年參與工作室內(nèi)的活動。

開放時間

每月不少于16天。

活動內(nèi)容

◇技術(shù)與設(shè)計概念的認(rèn)知，諸如資源、能源、技術(shù)系統(tǒng)、控制技術(shù)、創(chuàng)新思維、設(shè)計技巧、審美、制作技術(shù)和交流技術(shù)等。

◇利用樂高活動套材，讓青少年熟悉機器人控制器（可編程主機）、動力源（電動機）、傳感器（光電傳感器、聲音傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等）、機械部分（齒輪、輪軸、橫梁、插銷）等結(jié)構(gòu)及其功能，并嘗試進(jìn)行能按指令行動的機器人之搭建。

◇開展創(chuàng)意訓(xùn)練，就像玩?zhèn)鹘y(tǒng)的樂高積木一樣，通過青少年自由發(fā)揮創(chuàng)意，拼湊各種機器人模型，而且可以讓它真正動起來——完成一定的任務(wù)。

活動形式

展示、培訓(xùn)、競賽、個人或小組體驗及探究等。

工作室典型活動案例

活動名稱 制作一個會打高爾夫球的機器人。

活動目的 學(xué)習(xí)伺服電機的使用；學(xué)習(xí)順序、等待命令的正確用法。

活動目標(biāo) 設(shè)計一個打高爾夫球的運動員；可以正確擊打到高爾夫球。

活動人數(shù) 約12人。

活動所需器材 樂高9797活動套材12套、臺式電腦12臺。

活動內(nèi)容 利用給定的樂高9797活動套材，制作一個打高爾夫球的裝置；完成裝置的制作后，利用圖形化軟件編寫一個能正確擊打高爾夫球的程序。

活動過程

·培訓(xùn)學(xué)習(xí)

培訓(xùn)青少年學(xué)會使用圖形化軟件編程。視覺信息是人們最便于接受和理解的信息表示形式之一，圖形化軟件正是依托圖形的生成、表示和操作，把人們想要讓機器人做的事情用程序表達(dá)出來。在圖形化編程軟件中，用圖標(biāo)代替了文本指令，青少年編程者只需調(diào)用圖標(biāo)，然后通過連線規(guī)定數(shù)據(jù)的流向即可。整個編程工作如同在畫程序框圖，既簡單明了又生動有趣。

培訓(xùn)青少年學(xué)會看懂零件裝配圖。樂高機器人零件主要包括梁、連桿、片、磚、軸、軸套、銷、連接器、齒輪等，而其中每種零件又有不同的規(guī)格，如梁就有l(wèi)x4綠色梁、黑色直角梁、黃色拐角梁、5孔灰色平梁等。在識別和熟悉上述零件的基礎(chǔ)上，即可讓青少年學(xué)習(xí)看懂零件裝配圖，重點是如何通過畫在平面上的圖形想象出零件完整的立體結(jié)構(gòu)和空間形狀，快速確定零件的尺寸大小和規(guī)格，以及零件之間連接的技術(shù)要求等。

·嘗試制作

學(xué)會看懂零件圖后，即可指導(dǎo)青少年按圖中所示零件之間的相互連接，嘗試制作，一步一步整體安裝完成（大約40分鐘）。具體步驟如下。

首先從樂高9797活動套材挑選出所需材料（如圖1）：NXT控制器1個、伺服電機1個、連接線l根、藍(lán)色球1個、直角灰色連接銷4個、雙排灰色連接銷2個、l5單位無突點梁5根、9單位無突點梁2根、5單位無突點梁2根、3單位無突點梁l根、3x5直角梁2根、長連接銷4個、短連接銷8個、軸連接銷2個、連軸器2個、3單位軸1根。

組裝電機底座：用直角灰色連接銷及短連接銷如圖2、圖3所示安裝起來。

安裝伺服電機：按圖4所示將雙排灰色連接銷連接到電機上。

組裝底座與電機：如圖5所示，將底座與電機拼裝起來。

組裝機械臂：用直角灰色連接銷及長連接銷如圖6所示安裝起來。

完成整機組裝：將連接線一端接入NXT控制器A接口，另一端接入電機接口。

·運用圖形化編程軟件編寫一個擊球的程序

·效果測試

青少年將自己完成的作品進(jìn)行展示、調(diào)試。

·創(chuàng)意拓展

在完成上述制作后，引導(dǎo)青少年再嘗試設(shè)計一個可以自動發(fā)球并擊打的機器人。