能做虹吸現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人

■北京市西城外國語學(xué)校劉適寧 張楷若

物理是一門實(shí)驗(yàn)性科學(xué)，在學(xué)習(xí)過程中，老師會(huì)通過實(shí)驗(yàn)的演示和講解來闡述原理，并驗(yàn)證原理的正確性，加深同學(xué)們的印象。

但物理實(shí)驗(yàn)演示的準(zhǔn)備、操作以及演示完后的收拾工作都會(huì)花費(fèi)老師很多的時(shí)間和精力。同學(xué)們有時(shí)為了理解更透徹，總希望老師多做幾遍實(shí)驗(yàn)，加重了老師的教學(xué)負(fù)擔(dān)。

能否制作一個(gè)會(huì)做物理實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人，讓它既能幫助老師在課堂上做實(shí)驗(yàn)、講解，又能在課后重復(fù)演示實(shí)驗(yàn)，并舉例說明實(shí)驗(yàn)在實(shí)際生活中的應(yīng)用？

老師在聽了我們的想法之后提示，可設(shè)計(jì)一個(gè)能進(jìn)行基本的物理實(shí)驗(yàn)操作和演示物理實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人，通過更換其程序模塊和設(shè)備模塊做不同的實(shí)驗(yàn)。

于是，我們決定制作能做虹吸現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人。

一、設(shè)計(jì)思路

許多實(shí)驗(yàn)都可分為幾個(gè)固定環(huán)節(jié)：傳送實(shí)驗(yàn)藥劑（水），送到指定位置并釋放（傾倒）；實(shí)驗(yàn)反應(yīng)，現(xiàn)象展示環(huán)節(jié)；實(shí)驗(yàn)分析、原理闡述環(huán)節(jié)。

我們根據(jù)這幾個(gè)環(huán)節(jié)，先設(shè)計(jì)一個(gè)專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人——演示虹吸現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人。

虹吸現(xiàn)象又稱虹吸效應(yīng)，是一種物理現(xiàn)象，指由于液態(tài)分子間存在引力與位能差能，液體會(huì)由壓力大的一邊流向壓力小的一邊。如圖1所示。

虹吸現(xiàn)象是因?yàn)橐后w壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)而產(chǎn)生。如圖1，由于h1＜h2，根據(jù)帕斯卡定律p=ρgh，裝置左管中的液體壓強(qiáng)大于右管的液體壓強(qiáng)，另外，在B點(diǎn)跟C點(diǎn)分別有大氣壓的作用，大氣壓表現(xiàn)為上低下高，但在此處B點(diǎn)與C點(diǎn)間高度相對(duì)地球的大氣壓計(jì)算高度來說，可以忽略兩者間的大氣壓強(qiáng)差值。所以，p1-ρgh1＞p2-ρgh2，在A點(diǎn)左端的壓強(qiáng)就大于A點(diǎn)右端的壓強(qiáng)，在大氣壓和液體壓強(qiáng)的共同作用下，水朝一個(gè)方向移動(dòng)。

現(xiàn)實(shí)生活中有很多虹吸現(xiàn)象的應(yīng)用。如給固定的魚缸換水時(shí)用的虹吸管以及虹吸馬桶等。

根據(jù)以上思路，機(jī)器人可以由實(shí)驗(yàn)操作臂、實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示倉、實(shí)驗(yàn)說明裝置、機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)等四部分組成，其制作流程如圖2所示。

圖2 機(jī)器人制作流程圖

二、分類設(shè)計(jì)

將機(jī)器人外形制作成人形，外殼用有機(jī)玻璃制作，由頭部、身體和操作臂組成。身體是機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)，為長方形盒狀，包括實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示倉、實(shí)驗(yàn)說明裝置和機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)。盒子的左右為兩條“手臂”，即實(shí)驗(yàn)操作臂。

1.實(shí)驗(yàn)操作臂

左操作臂共有大臂、小臂、手腕和手指4個(gè)關(guān)節(jié)，分別由4個(gè)馬達(dá)控制。大臂、小臂控制整條操作臂的運(yùn)動(dòng)，手腕在倒水時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。手指用來抓握水杯，完成倒水操作。右操作臂控制實(shí)驗(yàn)倉門的開合，有2個(gè)關(guān)節(jié)，分別由2個(gè)馬達(dá)控制。

圖3 實(shí)驗(yàn)操作臂

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示倉

將裝置放在實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示倉內(nèi)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，操作時(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)略向外推出，方便操作臂完成實(shí)驗(yàn)。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示倉

3.實(shí)驗(yàn)說明裝置

實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示倉的外部裝有講解圖的轉(zhuǎn)軸，使用時(shí)由一個(gè)馬達(dá)控制，講解圖能實(shí)現(xiàn)上升、下降，展示結(jié)束后收回?？墒孪仍谵D(zhuǎn)軸上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)以及實(shí)際應(yīng)用的范例。為了增加趣味性，機(jī)器人所有功能的啟動(dòng)都通過語音模塊控制。

4.機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)

機(jī)器人由一個(gè)單片機(jī)控制，可根據(jù)語音指令完成實(shí)驗(yàn)操作和講解。單片機(jī)收到信號(hào)后控制一個(gè)馬達(dá)推出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，然后通過繼電器讓兩個(gè)RCU分別控制左、右操作臂完成實(shí)驗(yàn)。

圖5 實(shí)驗(yàn)說明裝置

圖6 機(jī)器人操作臂負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)倉門的打開和關(guān)閉

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，再控制馬達(dá)收回實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。接著，控制另一個(gè)馬達(dá)拉出講解圖，播放事先錄制好的講解音頻。講解結(jié)束后，收回講解圖，再控制右側(cè)RCU，操作右手臂關(guān)閉實(shí)驗(yàn)倉門，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

三、完善與設(shè)想

能做虹吸現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人還有很大的改進(jìn)空間，比如機(jī)器人體積過于龐大，外觀粗糙；機(jī)器人手臂馬達(dá)的力量不夠大，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。演示圖拉出時(shí)控制不精準(zhǔn)。

我們下一步計(jì)劃采用模塊化的設(shè)計(jì)，通過更換操作臂前部模塊和展示臺(tái)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，完成各種不同的實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)過總結(jié)，僅需更換實(shí)驗(yàn)?zāi)K就能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)有連通器原理實(shí)驗(yàn)、化學(xué)沉淀實(shí)驗(yàn)、化學(xué)擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)、擴(kuò)散熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)等。需更換操作臂前部模塊和展示臺(tái)實(shí)驗(yàn)?zāi)K才能實(shí)現(xiàn)的有浮力實(shí)驗(yàn)。而無法完成的實(shí)驗(yàn)有燃燒實(shí)驗(yàn)、需要通過測(cè)量取固定量物品的實(shí)驗(yàn)等。

總之，我們會(huì)不斷改進(jìn)機(jī)器人，讓它為人們的生活與學(xué)習(xí)帶來更多便利。