徐丹

摘 要：智能機器人教學通過體驗、感悟和實踐，注重學生個性的健康發(fā)展和創(chuàng)新精神、實踐能力的培養(yǎng)。對學生知識建構、創(chuàng)新意識有積極的推動作用。

關鍵詞：智能機器人；知識建構；創(chuàng)新意識

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

一、像科學家一樣做研究

智能機器人研究活動是一項腦手緊密結合的活動，學生們像做科學研究一樣對待每一次活動，通過研究過程來熟悉科學家們的工作方式，認同一種科學精神：不再是側重于單純的任務達成，而是從現(xiàn)象到本質進行探討，篩選出最適合的方案，并進行嘗試。這是單純的課堂教學所難以達到的。

如何使機器人爬樓梯時耗時最短呢？學生研究發(fā)現(xiàn)機器人的速度主要取決于兩個因素：步幅和步頻。不同的機器人，步幅和步頻都是不同的。步幅和步頻是動態(tài)的，肉眼很難直接辨別。怎樣才能直觀呈現(xiàn)機器人運動時的步幅呢？學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行分析（相同半徑轉動一周）。

我們發(fā)現(xiàn)機器人的步頻受自身重量、扭矩①、馬達轉速、電壓、電流、摩擦損耗等諸多因素的影響。在制作機器人時，應根據(jù)不同的車型特點合理設計齒輪比，合理選用馬達、電壓、電流，并盡可能的減輕自身重量。

學生還發(fā)現(xiàn)了一個值得注意的問題：在功率固定的條件下扭矩與發(fā)動機轉速成反比，轉速越快扭矩越小，反之越大。因此機器人在抬升過程中因扭矩不夠大而出現(xiàn)轉動緩慢，就會影響機器人的步頻。因此在設計齒輪比時，最終的扭矩要足夠克服自身重量與摩擦損耗。

二、學會觀察生活

看到機器人抓取物體總是很有趣。搭建手臂，夾具，鉗子等模型也是學生的興趣所在。學生通過觀察自己的手，發(fā)現(xiàn)人手本身就是一個不可思議的機械裝置，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、拉等動作并且這只是其中的一小部分。這么多功能手是如何實現(xiàn)的呢？

學生查閱了大量的資料，當人做彎曲手指這個動作時，由四個獨立運動組成：從指尖到手掌處三個彎曲關節(jié)的運動，另外還有一個手指與手掌連接處的左右輕微的運動，然后乘以5（一個手有5個手指）再加上腕關節(jié)的運動，這樣25個或者更多的獨立運動就形成了一個復雜的結構，讓我們的手根據(jù)物體形狀來處理物體。每一個獨立的運動都代表一個自由度（DOF）②，在同一個裝置中互不影響。

了解了人手的工作原理之后，學生開始考慮機械手的搭建，盡量讓它也能像人手一樣靈活。用汽壓缸作為機械手的驅動裝置？氣動部件不是在任何時候都適用的。因為我們可能沒有空間安裝帶有一個壓力開關或某種馬達驅動閥開關的氣體壓縮機等設備，另外氣動部件與控制器RCX連接是相當麻煩的。用馬達試試？馬達的使用解決了機械手的打開、閉合的問題，但又出現(xiàn)了新問題：①如何讓機械手在物體上施加持續(xù)的力壓緊物體防止掉落。②馬達的失速會損壞馬達，因此，不能依靠馬達的持續(xù)旋轉來施加這個壓緊物體的力。試試蝸輪？蝸輪是單向傳動齒輪：它可以傳動其它齒輪，而其它齒輪不能帶動它。當馬達停止時，蝸輪可以防止抓手松開。

學生通過對身邊事物細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。智能機器人研究活動正在不知不覺地改變著學生的學習方式和生活態(tài)度，讓他們通過觀察生活而更加熱愛生活，熱愛學習。

三、強化創(chuàng)新意識

機器人研究活動體現(xiàn)了學科交叉和團隊合作，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。學生在活動中要改變思維方式，學會深入思考，養(yǎng)成一種不斷創(chuàng)新的思維習慣。

機器人通常使用萬向輪來自由改變運動方向，但市面上的萬向輪個頭和質量都比較大，往往不符合設計要求。學生就開始嘗試自己設計一個類似與萬向輪的機械裝置，以滿足需求。

實驗：用軸將兩個輪胎連接放到平面上，輕輕推動：輪胎平直前進。當用手拿住軸的中間，設法改變方向，有些困難。原因：兩個平行輪拐彎時，運動路徑長度是不同的，外輪的運動路徑長度要長于內輪。在實驗中兩個輪子是剛性連接③，轉動時，行程一樣，因此在一個輪子不打滑的情況下是沒有辦法讓其轉彎的。

機器人能像汽車一樣靈活轉向嗎？學生開始研究汽車結構，發(fā)現(xiàn)在汽車的動力驅動系統(tǒng)中有一個特殊的裝置——差速器。其作用是在向兩邊半軸傳遞動力的同時，允許兩邊半軸以不同的轉速旋轉，滿足兩邊車輪盡可能以純滾動的形式作不等距行駛，減少輪胎與地面的摩擦。根據(jù)這一原理學生設計了屬于機器人的差速器（如圖）。

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

機器人研究活動是一個集體活動，學生可以在這個團隊中發(fā)揮各自不同的才能：語言表達、邏輯思維、觀察、管理、音樂、創(chuàng)意、動手能力和合作交流。同時它又是一個各種學科和技術整合的活動：

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

注釋：

①扭矩：扭矩是使物體發(fā)生轉動的力。

②自由度（DOF）是一種最基本的運動測量尺度，是指一個物體可以運動方向的數(shù)量。

③剛性連接是指相鄰子結構間的直接對接關系。