机器人教学探究之机械启蒙.docx
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机器人教学探究之机械启蒙
机器人教学探究之机械启蒙
——计算机辅助机械设计
一、课题背景：
伴随着全新的信息科学与技术发展和全球性的教育改革，国际青少年电脑机器人活动于20世纪90年代在一些发达国家青少年中逐步兴起。
近几年来，机器人教育已经在全国发达城市中小学中广泛开展起来，并大有普及之势。
我校机器人教育活动从2005年开始开展，几年来取得了长足的进步。
回顾其发展的历程，作为一名一线教育工作者，深切感觉到在高中阶段的机器人教学的开展还有许多问题需要研究和探讨。
例如：
机器人教育的课程目标是什么、课程性质如何定位，课程的内容如何确定，教学活动如何展开，怎样进行教学评价，机器人比赛与教学的关系如何把握，机器人技术怎样与实际应用相结合等等。
2006年我校申报了宝山区区级课题《机器人步行模式的研究与设计》，期间在上海大学的指导和我校科技教师的共同努力下与2009年顺利结题，课题从高中教学层面探讨了机器人机构设计如何应用于高中学段学生。
同时我校参与了多次2049项目的培训也从工程机械的相关教材中借鉴了许多宝贵理论。
本文是参与了课题研究以后对高中机器人教学的一点思考和体会，学科基础理论教育一直是中国学校教育的主要形式，在技术类人才紧缺、不断强调创新人才培养的今天这样的模式也在逐步转变，我认为本活动应该就是其中一个较好的实例。
二、理论基础
据我们视野所及，机器人作为高新技术产品的一个杰出代表，涉及机械、电子、信息、计算机、控制论、系统论、人工智能等各种学科知识的运用，如果太深奥不易理解学生便难以接受，因此我们考虑从机器人的一个板块出发，利用学生对机器人机械结构的认识和研究开始逐步破解学生对机器人的神秘感，锻炼学生的科研能力，引导学生从设计出发，自己动手设计并制作机器人。
从而让学生能够从中体验较为完整的科研过程，使他们学到科学有效的思维方式，提高逻辑思维能力、规划能力，提高分析问题和解决问题的能力。
同时，在课程及活动中穿插结合专家讲座以及实践探索等一系列方式来了解智能机器人的发展和应用状况，并在组装机器人的过程中培养学生的动手能力、协作能力和创造能力。
最终的目的是能为同学们开设一门能充分发挥创造力的创新课程，或者说向这个目标做一些有益尝试。
我们知道了一般机器人的设计可以分为三个部分：
机械部分、电路部分和程序部分，而其中最为基础的便是机械部分。
高中最常见的机器人活动竞赛就是单马达的简易机器人搭建了，通过不同的结构可实现跑步、爬杆、爬梯（图1）等不同的动作。
类似的比赛中经常有一条规则是一定要使用曲柄连杆机构，不得使用轮式，这就涉及到了一个基本的机构学概念——机械传动，具体的搭建方式虽然可以参照机器人的说明书，但如果能真正掌握其原理必然让学生对机器人有更深一层次的认识。
图1：
各类单马达机器人
以上板块我们参考了2049资料包中《机器人ABC》的机器人分类方法：
机构部分、传感器电路部分以及机器人控制部分。
之前的教学方式主要是通过图片展示和视频观看对各种类机器人的功能进行讨论和阐述，让学生归纳出机器人的几大组成部分。
在此新的教学思考是除了以上部分还可以利用学校的一些机器人活动，结合实物让学生近距离观察甚至搭建一个单马达机器人，作为机械部分深入探究的一个引入。
图纸上各部件是怎样拼装的？
为何要采用这样的结构？
能不能换一种方式达到同样效果？
学生在实践中会产生这样的问题。
而《神奇的仿真技术》资料包中对于仿真的介绍可以说非常详细，包括仿真的概念、仿真运用到的技术以及几个仿真的实例，但是个人认为其中的几个实例有的还过于抽象或专业。
在此我们考虑将机械设计同计算机仿真能结合起来，既为机器人设计提供了一种低成本、高效率的手段，又很好地在高中学生的认知范围内诠释了一项具体的仿真技术。
有了这些理论基础和想法，我们咨询了上海大学机械工程系的专家，从可行性角度对本课题进行了论证，在肯定我们想法的同时专家还从技术角度解答了我们的一些疑问，提供了我们一些新的思路和手段。
我们打算第一步就从机械板块进行教学的深入探究，让学生重新认识机械设计这一可能会被忽略的机器人最基础的部分，因此本文取了“机械启蒙”这样一个名称。
三、课程设计
遵循这样一个切入点我们针对机械结构部分为学生设计了以下的一系列学习课程，大致分为了这样几个阶段：
1、观察分析阶段
一开始通过对机器人的搭建及观察，学生接触简易单马达机器人，从实际出发认识一个机器人完成整个运动过程的基本方式，培养学生的动手能力和合作精神，并使其掌握读图纸、零件装配等一些基本工程技术素养。
图2：
学生进行机器人搭建
2、理论学习阶段
本环节通过对四杆机构这样一种常用的传动方式的介绍，带领同学从单纯照搬图纸过度到进行简易机构分析的层面。
机器人制作课程实际是一种跨学科的学习课程，须灵活运用各种学科的知识。
现在的高中课程中，学生们学了很多数学、物理、计算机方面知识和解题方法，但遇到实际问题往往就不会运用了。
如本环节用到了很多他们学过的数学知识，既让他们觉得设计并不是那么遥不可及从而失去信心和兴趣，又让他们在真实的情景中体验学以致用的快乐，更好的提升他们学习科学文化知识的热情。
【所谓四杆机构就是由曲柄、连杆、摇杆、机架四部分组成的运动组合。
摇杆：
在连架杆中，仅能绕其轴线往复摆动的构件称为摇杆。
连杆：
连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。
曲柄：
在连架杆中，能绕其轴线回转360度的构件称为曲柄。
图3：
四杆机构机械简图
如图3，其中曲柄AB绕固定轴转动，一般作为主动（A点装上马达）；连杆BC用于连接主动和从动部件；摇杆CD一端连接连杆一端与另一固定轴点连接做摆动运动；而上述的两个固定点则分别安置在机架AD上。
】
3、技术实践阶段
有了一定的理论基础以后我们可以利用一系列的技术手段让学生的所学得到巩固提高，来一次理论联系实际，受到了《神奇的仿真技术》课程的启发，我们考虑借助计算机仿真这一手段。
一方面机械结构的实物的设计制作存在一定成本，另外计算机辅助设计作为一门新兴学科也已经登陆到了高中课堂（一些学校已经开设了AUTOCAD、CAXA等课程）。
经过我们的几次尝试这一环节可以通过多种方式去实现，比如可结合数学计算利用VB的绘图功能进行二维机构仿真（图4），再比如有一些现成的软件（如workingmodel2D）可以实现类似真实模拟环境下的机构仿真。
最新的探究中我利用了上海市青少年活动中心组织的培训，掌握了工程设计领域的权威软件ProE，其中即可实现三维模型的建模，又可模拟真实的三维运动（图5），很好地为学生的自主探究提供的一种手段。
图4：
数学计算后实现的VB机构学运动图
图5：
三维机构仿真搭建
4、创新实践阶段
在经过了上述各阶段的学习以后，学生对于机械结构的认识可以说有了一个质的飞跃，这为其以后参与到各项机器人的活动中打下了扎实的基础。
至少在机器人的机械部分，我们总结出了即使在是看似再简单的机械结构，也要经历结构设计、运动模拟、计算机辅助设计、计算机辅助制造等环节。
而且这个流程不是一蹴而就的，必将经过反复的修改和测试，下面我们来看一个成功的例子。
四、具体案例
以下为第24届英特尔上海市创新大赛我校机器人创意设计一等奖作品的论文节选，该论文中的学生就是在经过了上述过程的学习后改进了一个步行机器人结构。
虽然在参赛过程中专家对于其在实用性方面还存在一定争议，但评委们一致认为在机械结构设计这一部分，其科学性和新颖性已经达到了一定高度。
论文改进了一个容易跌倒的双足步行机器人结构，通过模拟人行走的膝关节和踝关节从结构上进行了一定创新，基本达到了课题制定的目标，下面是文章的部分节选，其分别对应了我们上述提到的机器人机构设计的几个步骤。
1、原有机构的分析：
我们仔细观察暑假中制作的那个会“摔跤”的步行机器人，发现从机器人的结构上看，有曲柄还有连杆，是一个四杆机构。
紧接着我们用直尺量出了模型的各部件尺寸并在运动模拟软件——WORKINGMODEL中对其运动过程进行了模拟，从而进一步分析其运动。
图6改进前的机器人机构简图在WORKINGMODEL软件中的样子
而在WORKINGMODEL的运动模拟中（如图6）我们发现原机器人的机械装置并没有人那样的关节。
从图中能观察到，由于没有膝关节和踝关节的屈伸活动，因此在行走过程中，当从机械足跟着地到机械全足放平这一阶段，前后的重心没能很好地调整，系统重心会突然前倾，影响行走的平稳性。
机器人行走过程中前后重心不稳的问题就出在这里！
2、结构创新设计
根据分析，要是能设计一个能活动的且最好与地面始终保持水平的足问题便迎刃而解了。
我们询问了老师也在网络和相关机构学书籍中查找了资料，了解到了有一种叫做平行四杆机构的方式，如资料显示，双曲柄平行四杆机构有这样四类，从外观判断a类应该就是我们需要的方式。
有了这个关键的机构原理作支撑，我们开始了对原有机构的改进。
图7：
平行机构的原理
从运动转换角度分析，该装置是单自由度的曲柄摇杆机构，构造和控制均相当简单。
从支撑的角度分析，该装置叠加了两个平行四杆机构，因而具备活动的膝关节和活动的踝关节，在行走过程中，装置的机架部分始终与地面保持平行，能较平稳地移动系统的重心位置，避免突然前倾的现象出现。
这些都符合了我们之前机构设计的需要。
（如图8）。
图8：
在WORKINGMODEL中改进后的机器人的运动模拟图
3、计算机辅助设计（CAD）
接下来，我们在仿真软件里测量了各个部件的尺寸，然后按照一定的比例缩放后得到实际的部件的尺寸。
在设计时发现了各铰接点的连接是一个很大的问题，简易机器人里都是利用插销来实现的，其优点是成本低，但缺点很多如：
容易磨损和脱落等。
询问了老师后，他建议我们使用轴承，并告知了我们轴承的一般装配方式。
在设计时还要考虑大足的制作、马达乃至以后传感器等的安装位置的预留、如何使整个机架的重心尽量降低以保证其稳定性等问题。
图9：
模型设计图
在老师的帮助下终于在CAD中完成了各个零件的设计，并将它们组装成了模型（如图9）。
我们联系了加工的地方利用雕刻机将基本的部件制作了出来，一些较为关键的部件老师帮我进行了挑选，比如马达和齿轮，挑选了内部应用蜗杆的齿轮箱增大了扭矩，而且降低了噪音，齿轮的外挂设计也有效地防止了齿轮卡死（如图10）。
图10：
驱动部分设计图
4、计算机辅助制造（CAM）
在雕刻机的帮助下，一个个由我们设计的机构零件终于由电子文件变成了实物（如图11）。
经过最后的拼装搭建，我们自己设计的第一台机器人终于横空出世了（如图12）。
那一刻，我们欣喜若狂！
图11：
机器人零件图
图12：
模型实物图
五、思考与小结
为了使整个机器人探究活动更加完整，我们考虑在开头部分结合《机器人ABC》资料包做一些机器人的普及讲座，可以由学校老师主讲，有条件还可以大学专家进行专题讲座拓展学生视野。
活动过程包含了机器人制作、机构学入门、计算机机械仿真、CAD模型设计等环节，可以说涵盖了当前用于机械部分设计的比较主流的设计思路和手段方法，其中结合了数学、物理、计算机等多门学科的综合知识，让学生在运用自己的所学中不断有新的发现，认识到各学科之间其实是相通的，很多我们学习的理论是为技术服务的。
在最后的模型制造环节之前的操作是将可行性较高的设计送去外部加工，以后学校如有条件可考虑采购一台小型雕刻机，一些简单设计可以直接完成CAM，学生的认识会更加直观也可作为活动的一个高潮和小结部分。
附件1中是我们经过总结以后的一个课程实施计划初稿，当然其中许多环节的设计还值得商榷，希望能同广大机器人教育的专家进一步交流探讨。
我们的初衷是想通过对机器人机械部分的研究与设计，学生能将所学习的机构学知识应用到了机器人设计活动中，不再局限于使用各公司的机器人套材，而更多地考虑自己设计或改进。
在课程中我们将机构学知识和计算机方面的知识结合起来，归纳出了设计机器人结构所需要的四个基本步骤：
结构设计→运动模拟→计算机辅助设计→计算机辅助制造。
从机器人学习研究的角度，学生从简单拼装搭建的装配层面上升到了理论结合实际的研究层面，我们也看到了一些让我们欢欣鼓舞的自主研创新成果。
当然在课程的进一步深入的过程中，机构设计还有许多新的知识，每一个知识点都能用于不同功能机器人的设计，我想在以后的机器人课程或者活动中我们要做的还有很多。
参考文献：
[1]上海市机器人学会编《机器人ABC》上海市科学教育推广项目资料包
[2]王中杰等编《神奇的仿真技术》上海市科学教育推广项目资料包
[3]杨可桢等编《机械设计基础》高等教育出版社
[4]陈国华编《机械机构及应用》机械工业出版社
[5]尹居中编《机械设计实作计划—投球机构模拟分析》
[6]导向科技编《AUTOCAD2006基础》人民邮电出版社
附件1：
活动安排表
活动阶段
活动内容
知识与技能
过程与方法
情感、态度与价值观
活动一：
机器人概述
1、参加上海大学教授的机器人讲座，简要了解机器人的相关知识。
2、利用课余时间收集整理有关机器人的资料，完成活动报告。
1、了解机器人的定义
2、知道机器人的组成部分
3、了解机器人的各种应用
4、学会资料收集整理的基本方法
1、参加上海大学教授的机器人讲座，了解机器人的相关知识。
2、上网搜寻学习单上相关的资料。
3、分小组交流所收集和整理好的资料，最后完成活动报告。
1、破解机器人的神秘感
2、了解机器人对人类的重要作用
3、激发自行设计机器人的主观愿望
4、养成设计研究前查资料的习惯，提高自身的信息素养
活动二：
机器人小制作
1、以小组为单位根据图纸制作简单的机械结构模型，装上电池后能做最简单的步行运动。
2、制作时分工合作（读图、零件分配、安装等），完成后拍摄行走机构部位的照片。
1、学会较为简单的机械模型的读图与拼装
2、了解单马达或双马达步行机构的线路连接
3、学会数码相机的使用
1、参加小组合作共同完成机械装配，并热心帮助组内或组间的同学完成学习任务
2、愿意接受他人帮助，在自己受益后表示感谢，并尊重他人劳动成果
1、在合作中体会成功带来的快乐，同时能对所学习的机械知识产生兴趣，激发自身愿意继续深入钻研的热情
2、逐步养成用不同方式记录自己研究成果的习惯
活动三：
机构学入门
1、认识四杆机构，并能指出自己小组制作的模型机构中的曲柄、连杆、摇杆
2、根据制作的模型测量并绘制机构简图。
1、了解四杆机构的原理
2、观察四杆机构在步行结构中的广泛应用
3、了解机构简图绘制的基本要点
4、学会精确地测量与标注
1、与本小组内的同学交流自己对四杆机构的理解，并讨论本组制作模型中各个部件的机械名称以及绘制机构简图时需要特别注意的地方
2、对讨论的结果加以归纳，形成本小组的观点，3、能在组间进行展示交流，并关注其他小组的研究成果，且进行批判性的思考
1、体会小机构也有大道理，形成良好的科学观
2、体会从事物本质出发看问题的好处，培养自身的观察能力
3、通过机构简图的绘制，认识其意义，逐步培养自己严谨的科学态度
活动四：
计算机仿真
1、观察四杆机构的运动仿真程序，合理运用数学公式计算各点坐标。
2、试着在VB程序中制作自己的简单运动仿真程序。
1、学会用数学中平面解析几何的知识在VB中建模的方法
2、学会VB绘图的基本命令
3、了解VB动画的原理并会加以应用
1、在自主学习平台上自学VB绘图的基础命令
2、通过观察教师出示的绘图案例，在小组讨论的基础上，尝试自行在VB中绘制四杆机构的机构简图
3、通过查看教师的程序源文件，并浏览程序语句及其注释，讨论VB制作动画的原理，并在组间进行交流展示4、倾听其他小组的观点，能对它们进行批判性的思考和反馈
5、体会计算机仿真在机械设计中的作用
1、通过多学科知识的实际应用，检验自身学科知识学习的真正效果
2、认识计算机仿真技术，体会其在理论与实际结合过程中的重要意义
3、在数学、信息学、劳技等学科的综合应用背景下，体会各科知识的不同作用，提升自身学习科学文化知识的热情，从而促进自身在学科方面的学习，并逐步形成全面发展的价值观
活动五：
CAD模型设计
1、根据自己绘制的机构简图利用作图法确定一个角度时机构各部件的位置。
2、小组分工进行协同设计，每人制作一个部件的三维模型。
3、由组长进行汇总提交，并观看老师制作的四杆机构的运动模拟。
1、学会CAD简单三维模型的绘制命令和方法
2、了解小组协同设计前的准备步骤
3、学会尺寸、图纸等的总体规划
4、了解模型也可设定物理学参数并在计算机中进行模拟
1、在学习平台上自主学习如何根据机构简图通过作图法确定某角度时各部件的位置
2、通过小组合作的形式，制定工作计划，认领组长布置的工作任务
3、通过组内讨论、互助的形式完成工作任务，并能热心帮助他人和虚心接受他人帮助
4、各组派代表展示本组的研究成果，并能对其他组的成果进行批判性的反思
1、CAD劳技课的三维建模提高，认识到学无止境
2、认识到小组分工合作需要有明确的目标、合理的规划并能按计划加以实施，体会由此带来的成功的喜悦
3、CAD模型设计在机器人机构设计中的关键意义，培养严谨的科学作风
活动六：
模型制造
1、通过参观计算机辅助制造场所了解CAM的含义。
2、条件成熟的话加工制造自己设计比较完善的模型。
3、对整个课题活动进行简要总结。
1、知道CAM的含义和一般方式
2、试着制造自己设计的部件并进行拼装提出改进
3、了解设计机器人的机械部分的大致流程
观
造
搭
结
1、认识到再简单的东西也需要制造生产
2、体会自己进行设计制造的喜悦
3、通过总结活动流程，培养学生机器人开发设计的浓厚兴趣
4、活动结束后以各类竞赛为载体提供学生发挥自己创意的舞台
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