科技教育創(chuàng)新成果一等獎：多功能仿生爬行機器人制作套件

作者

羅靚/上海市通河中學

課題由來

機器人教學需求

仿生機器人是一種模仿生物結構、功能或行為的機器人。通過學習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，為機器人技術的發(fā)展提供新的思路和方法。同時，開展機器人學習可以培養(yǎng)學生的跨學科思維、實踐能力、創(chuàng)新能力和團隊合作精神，為他們的未來發(fā)展打下堅實的基礎。

機器人教學現(xiàn)狀

缺乏合適的機器人教學套件

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

教材內容過時

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

設備和材料昂貴

機器人教學通常需要一定的設備和材料支持，如機器人套件、編程軟件等。這些設備和材料的價格較高，往往超出學校或家長的預算，限制了教學活動的開展。

技術更新快

機器人技術發(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習和更新知識和技能，以適應新的教學需求。

當前基礎教育機器人教學需求

一套能夠涵蓋基礎結構制作的仿生機器人教學套件；套件具備智能硬件安裝與拓展使用功能，為人工智能教學提供可行性；根據(jù)套件進行學習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，且結構固定，學生無法進行調整。作者計劃設計一款能夠調整齒輪比的齒輪箱材料，教師可以通過齒輪箱的教學，幫助學生理解齒輪箱的功能和特性，以便在比賽中合理判斷、制作并使用不同轉速的齒輪箱。使用SolidWorks軟件繪制設計齒輪箱，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計

在多年的仿生機器人參賽、比賽過程中，作者設計、制作過一系列機器人零件用于教學實踐（圖2），將這些零件進行孔位和結構優(yōu)化與統(tǒng)一后，重新設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備對機器人進行操控，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，往往需要教師帶領學生自行制作多通道線控設備。作者設計了一款可焊接多通道線路板，不僅減少了制作線控設備的難度，提高了控制穩(wěn)定性，還通過這個設備設計了焊接課程，豐富了課程內容。

教學與比賽實踐

用于機器人聯(lián)合體成員學校科技拓展課、科技社團的教材內容實施基礎和進階教學；在活動中心機器人教研組教師培訓活動中作為教師培訓內容；在活動中心周末科技公益課上進行機器人教學；自媒體科技創(chuàng)新課程推廣教學。2015—2023學年，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)多年教學和比賽經(jīng)驗設計、制作的專用套件。所制作的結構均接受過教學實踐與各類比賽的檢驗。功能較完善，可拓展性強，對于機器人初學者來說是一個非常不錯的學習和制作平臺。教師和學生能夠使用本套件結合配套工具書制作出各款仿生機器人，有經(jīng)驗的科技輔導員可根據(jù)零件圖紙和尺寸標注自行設計并繪圖，使用激光雕刻機雕刻木板或者有機玻璃等材料，制作出零件進行教學研究。

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)比賽需求進行結構設計與改造；②零件重量輕、強度高，搭建作品適合高強度比賽；③孔位設置合理，無需螺母，搭建方便；④配套齒輪箱結構簡單牢固、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內容與參賽項目；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生進行學習和制作。

改進方案

改進方案可包括：新設計一些結構件，進一步加強機器人結構的拓展功能；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