作者

羅靚/上海市通河中學(xué)

課題由來

機器人教學(xué)需求

仿生機器人是一種模仿生物結(jié)構(gòu)、功能或行為的機器人。通過學(xué)習(xí)和研究仿生機器人的制作，可以深入了解生物系統(tǒng)的工作原理和機制，為機器人技術(shù)的發(fā)展提供新的思路和方法。同時，開展機器人學(xué)習(xí)可以培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科思維、實踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊合作精神，為他們的未來發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

機器人教學(xué)現(xiàn)狀

缺乏合適的機器人教學(xué)套件

目前，市場上針對機器人教學(xué)的教材教具相對較少，而且質(zhì)量參差不齊，教師在選擇教材時面臨困難，難以找到適合學(xué)生年齡、知識水平和教學(xué)目標(biāo)的套件。

教材內(nèi)容過時

機器人技術(shù)發(fā)展迅速，新的概念、方法和應(yīng)用不斷涌現(xiàn)?，F(xiàn)有的機器人教材無法及時跟上這些變化，不能滿足實際教學(xué)需求。

設(shè)備和材料昂貴

機器人教學(xué)通常需要一定的設(shè)備和材料支持，如機器人套件、編程軟件等。這些設(shè)備和材料的價格較高，往往超出學(xué)?；蚣议L的預(yù)算，限制了教學(xué)活動的開展。

技術(shù)更新快

機器人技術(shù)發(fā)展迅速，新的硬件和軟件平臺不斷推出，這意味著教師需要不斷學(xué)習(xí)和更新知識和技能，以適應(yīng)新的教學(xué)需求。

當(dāng)前基礎(chǔ)教育機器人教學(xué)需求

一套能夠涵蓋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)制作的仿生機器人教學(xué)套件；套件具備智能硬件安裝與拓展使用功能，為人工智能教學(xué)提供可行性；根據(jù)套件進(jìn)行學(xué)習(xí)制作的仿生機器人作品具備升級拓展性能，以用于參加比賽。

研究與制作

變速齒輪箱的設(shè)計

齒輪箱是仿生機器人的動力核心，市面上的比賽機器人套件通常只有組裝好的齒輪箱，且結(jié)構(gòu)固定，學(xué)生無法進(jìn)行調(diào)整。作者計劃設(shè)計一款能夠調(diào)整齒輪比的齒輪箱材料，教師可以通過齒輪箱的教學(xué)，幫助學(xué)生理解齒輪箱的功能和特性，以便在比賽中合理判斷、制作并使用不同轉(zhuǎn)速的齒輪箱。使用SolidWorks軟件繪制設(shè)計齒輪箱，零件圖紙如圖1所示，簡介詳見表1。

圖1 齒輪箱零件圖紙

仿生機器人零件的設(shè)計

在多年的仿生機器人參賽、比賽過程中，作者設(shè)計、制作過一系列機器人零件用于教學(xué)實踐（圖2），將這些零件進(jìn)行孔位和結(jié)構(gòu)優(yōu)化與統(tǒng)一后，重新設(shè)計出一套仿生機器人制作零件（圖3），仿生機器人套材零件介紹詳見表2。

圖2 爬桿、推小車、雙足、四足等功能性機器人

圖3 六足機器人

線控線路板的設(shè)計

在一些仿生機器人比賽中，機器人比賽項目需要選手用線控設(shè)備對機器人進(jìn)行操控，一些機器人套件中會包含一個兩通道的線控器，但是功能較為單一，往往需要教師帶領(lǐng)學(xué)生自行制作多通道線控設(shè)備。作者設(shè)計了一款可焊接多通道線路板，不僅減少了制作線控設(shè)備的難度，提高了控制穩(wěn)定性，還通過這個設(shè)備設(shè)計了焊接課程，豐富了課程內(nèi)容。

教學(xué)與比賽實踐

用于機器人聯(lián)合體成員學(xué)?？萍纪卣拐n、科技社團(tuán)的教材內(nèi)容實施基礎(chǔ)和進(jìn)階教學(xué)；在活動中心機器人教研組教師培訓(xùn)活動中作為教師培訓(xùn)內(nèi)容；在活動中心周末科技公益課上進(jìn)行機器人教學(xué)；自媒體科技創(chuàng)新課程推廣教學(xué)。2015—2023學(xué)年，各校使用機器人套件制作的機器人作品參加了各級各類的機器人比賽，獲得了各類獎項。

創(chuàng)新點

本套仿生機器人制作套件是根據(jù)多年教學(xué)和比賽經(jīng)驗設(shè)計、制作的專用套件。所制作的結(jié)構(gòu)均接受過教學(xué)實踐與各類比賽的檢驗。功能較完善，可拓展性強，對于機器人初學(xué)者來說是一個非常不錯的學(xué)習(xí)和制作平臺。教師和學(xué)生能夠使用本套件結(jié)合配套工具書制作出各款仿生機器人，有經(jīng)驗的科技輔導(dǎo)員可根據(jù)零件圖紙和尺寸標(biāo)注自行設(shè)計并繪圖，使用激光雕刻機雕刻木板或者有機玻璃等材料，制作出零件進(jìn)行教學(xué)研究。

具體特點如下：①機器人套件可搭建多款仿生機器人，也可根據(jù)比賽需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計與改造；②零件重量輕、強度高，搭建作品適合高強度比賽；③孔位設(shè)置合理，無需螺母，搭建方便；④配套齒輪箱結(jié)構(gòu)簡單牢固、功能強大，可以作為各種功能機器人動力系統(tǒng)；⑤主板孔位豐富，可拓展安裝各種智能硬件，豐富了機器人作品的教學(xué)內(nèi)容與參賽項目；⑥配套課程豐富，包括齒輪箱課程、機器人制作課程、焊接課程、智能硬件編程課程、APPInventor手機編程課程等，適用于各年齡段的學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)和制作。

改進(jìn)方案

改進(jìn)方案可包括：新設(shè)計一些結(jié)構(gòu)件，進(jìn)一步加強機器人結(jié)構(gòu)的拓展功能；部分孔位尺寸與位置的修改；增加新款仿生機器人的設(shè)計等。

該項目獲得第 38 屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技教育創(chuàng)新成果一等獎

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來源 | 《中國科技教育》2025-02

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安