仿生机器人

第四章　机器人篇

活动13　回力赛车

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可能有许多同学看过F1赛车，或者看过汽车拉力赛，无论是F1赛车还是汽车拉力赛，都是既检验车辆性能和质量，又考验驾驶员技术的比赛。那么我们现在需要探讨的是什么决定了一辆车的速度，我们今天就来做一个简单的实验，通过这个实验来研究一下有关汽车性能和动力方面的问题。

活动规则

任务：设计并搭建一辆仅用橡皮圈驱动的车。

任务解析：这是一个三个部分的、计时的、课堂内的设计竞赛。同学们需组成活动小组参加竞赛，小组的成员应有2～3人。各小组需在规定的时间内完成竞赛。

步骤：

第一部分：

☆你有80分钟时间用于设计、搭建及测试你的橡皮圈动力小车，正式竞赛用橡皮圈由教师提供（可自愿使用试验用橡皮圈）。

☆完成的时间定义为：当你结束设计搭建到休息区计时停止，在竞赛开始前你的小车要放在教师的前面公开展示。当设计搭建结束后，你就不能再做修改。鼓励复制！

☆行进距离最远的选手将作为本轮竞赛的胜利者；距离定义为：从起始线开始到离起始线最近的乐高部件的距离。

第二部分：

☆你有5分钟可以重新设计你的车。

注意做得更好一些！

☆行进距离最远的选手将作为本轮

竞赛的胜利者。

第三部分（可放弃）：

☆你有5分钟再次重新设计你的车。

☆行进距离最远的选手将作为本轮竞赛的胜利者。

评分细则：

评分中有40%是根据完成的时间来定，40%是根据行走的距离来定，另外20%是根据创意和美观来定的。

知识链接

弹力知识

物体形状或体积改变时产生的，对跟它接触的物体产生了力的作用，这种力叫做弹力。

弹力的存在：橡皮筋拉长、扭曲，弹簧拉长或压缩，木板弯曲，空气压缩等。

物体因发生弹性形变而发生的势能，这种势能叫做弹性势能。

当橡皮筋像发条一样“上紧”时，橡皮筋产生“形变”存储一定的弹性势能。释放后，弹性势能转变成动能，通过传动装置带动小车车轮转动，使小车前进。

变形越大弹力越大。

★ 准备：

活动过程

1.熟悉乐高套装。

2.小组讨论方案的可行性，思考设计方案。

小组活动记录表

经过我们小组交流，达成了共识，形成了初步设计方案，请看我们的成果。

我的设计

1.根据设计方案，制作好成品。

2.小组实验，改进设计，制作成品。

实验记录表

评价与成绩

经过一段时间的活动，我们已经做出了满意的作品，现在比比看，记下我们的辉煌。

评分标准请参考评分细则。

在前面的活动中，我们获得许多新体验、新感受。有了新的思考，如果有兴趣，就继续开展我们的活动吧！

拓展创新

活动14　爬坡竞赛

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在军事科技高度发达的今天，坦克成了陆战不可或缺的作战工具，因为坦克集火力、保护性和机动性于一身。坦克最大爬坡约30°，可越宽3米的壕沟，过高1.2米垂直墙，涉水深1.5米，还可潜水5米深，那么今天我们就来探讨一下爬坡度的问题，我们要制作一个机器人，怎样设计才能够使它爬上更陡的坡？

活动规则

任务：设计并搭建一辆能够通过触动传感器激活并能爬陡峭斜面的机器人。

任务解析：

设计并搭建一辆使用NXT、马达驱动的车，一旦车上的触动传感器被按下，小车应该开始行使。唯一的搭建限制是最多使用两个马达，并且在开始行驶后不能掉下任何部件。应当考虑的因素有：摩擦、机器人重心等。

编程：本次挑战程序相当简单，只需实现在驱动马达前等待按下传感器。

挑战环境设计：只需要一个可以调整坡度的斜面（使用泡沫板模拟）。“登顶”定义为在坡上爬完制定的距离（比如30厘米），这个距离由老师说明。每次尝试不超过10秒。

步骤：

第一部分：

☆ 你有80分钟时间用于设计、尝试搭建你的爬坡机器人。

☆ 编程并将程序输入NXT，尝试使机器人爬坡。

第二部分：

☆ 你有40分钟可以重新设计改进你的机器人。

☆ 实验环境下能爬上更大角度的机器人为胜利者。

第三部分（可放弃）：

☆ 你有30分钟再次重新设计你的车。

☆ 实验环境下能爬上更大角度的机器人为胜利者。

评分细则：

成绩中，机器人的性能占80%，创意和美观占20%。

爬坡竞赛评分表

知识链接

摩擦力知识

1.定义：两个互相接触的物体，当它们要发生或已经发生相对运动时。就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力，这种力就叫做摩擦力。

2.物体之间产生摩擦力必须要具备以下三个条件：

第一：物体间相互接触；

第二：物体接触面粗糙；

第三：物体间有相对运动趋势

　　　或相对运动。

重心知识

定义：一个物体的各部分都要受到重力的作用。从效果上看，我们可以认为各部分受到的重力作用集中于一点，这一点叫做物体的重心。

物体重心位置及确定：物体的重心位置，质量均匀分布的物体（均匀物体），重心的位置只跟物体的形状有关。有规则形状的物体，它的重心就在几何中心上，例如，均匀细直棒的中心在棒的中点，均匀球体的重心在球心，均匀圆柱的重心在轴线的中点。不规则物体的重心，可以用悬挂法来确定。物体的重心,不一定在物体上。

质量分布不均匀的物体，重心的位置除跟物体的形状有关外，还跟物体内质量的分布有关。载重汽车的重心随着装货多少和装载位置而变化，起重机的重心随着提升物体的重量和高度而变化。

★ 准备：

活动过程

1.熟悉测试环境。

2.小组讨论方案的可行性，思考设计方案。

小组活动记录表

经过我们小组交流，达成了共识，形成了初步设计方案，请看我们的成果。

我的设计

1.根据设计方案，制作好成品。

2.小组实验，改进设计，制作成品。

实验记录表

评价与成绩

经过一段时间的活动，我们已经做出了满意的作品，现在比比看，记下我们的辉煌。

评分标准请参考评分细则。

拓展创新

在前面的活动中，我们获得许多新体验、新感受。有了新的思考，如果有兴趣，就继续开展我们的活动吧！

活动15　仿生机器人

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我们可能见过或者听说过一些仿生的机器人，比如说美国的机器狗，我国的机器人壁虎，美国海军研制的“机器水母”等，把生物科技与计算机科技、通信科技、机械科技等综合在一起制作出的仿生机器人对人类有非常大的助益。目前在西方国家，机械宠物十分流行，另外，仿麻雀机器人可以担任环境监测的任务，具有广阔的开发前景。二十一世纪人类将进入老龄化社会，发展“仿人机器人”将弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并能开辟新的产业，创造新的就业机会。

活动规则

任务：设计并搭建仿生机器人。

任务解析：

学生需要注意自然界生物的多样性，从中提炼所要模仿的生物的独特之处，查明它们的具体原理、机理、机制，归纳出机器人的创新点。仿生机器人的创新点一定聚焦在机器人与生物的结合点上，在那里生长出新颖性。

通常研发仿生机器人需要经过下面几个环节：

类比——既然要仿生，就必须有意识地向生物界学习，对生物原型加以调查剖析。最通常的方法是运用类比方法，即比对人类和生物之间的差异，找出后者的优异之处，以此锁定模仿的对象，探究其基本原理和组织机制，从中汲取创新的源泉。

抽象——由于生物系统的复杂性，为了探究生物系统的原理和机制，需要从纷繁的因素中抽丝剥茧，去伪存真，提炼主要因素，得到一个较为简化的生物模型。这个模型应该能够描绘出所模仿的生物的主要特质及原理。这样就确定了创新点。

映射——生物体和机器之间存在明显的区别。简单说，生物体是一个有机的生命体，而机器是无生命的无机体。后者必须遵循物理——力学的定律，才能使各部分协调运转。因此，如何由机械系统实现生物功能，不能局限于简单的仿生，更重要的是把生物模型映射成一个机械模型，一个具有工程可行性的实物模型，这就要求在原有基础上创新和提高。

生物模型、数学模型和机械模型三者，前者是基础，后者是目的，而数学模型则是这两者的桥梁。

实验——经过实践-认识-再实践的多次重复，仿生机器人逐渐趋近被模拟生物的功能，最终仿生机器人可能与生物原型有些许区别，有时存在落差，有时在某些方面超过原型。例如动力假肢的承重能力就超过了普通人类的体能极限。再一个浅显的例子是电子计算机比人的计算能力迅速而又可靠。

编程：此次挑战因设计机器人的多样性决定了程序的多样性，根据自己机器人的仿生需要进行编程，必要可寻求帮助。

挑战环境设计：自备材料并设计制作仿生环境。

步骤：

第一部分：

☆ 设计你的仿生机器人，出设计方案（包括设计来源、思路、设计意图等等），可以尝试制作一个表格式的设计方案。

☆ 与小组成员讨论设计方案，最终确定设计方案。

第二部分：

☆ 根据设计方案制作你的仿生机器人。

☆ 根据你制作的仿生机器人需要编写相应的程序，并输入NXT。

第三部分：

☆ 设置你的仿生环境。

☆ 在仿生环境下调试你的机器人。

第四部分：

☆ 改进你的机器人及其编程。

☆ 在仿生环境下实现仿生机器人的仿生功能。

评分细则：

成绩中，机器性能占60%，创意和美观占40%。

仿生机器人评分表

知识链接

仿生学

仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。

仿生机器人

“仿生机器人”是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。目前在西方国家，机械宠物十分流行，另外，仿麻雀机器人可以担任环境监测的任务，具有广阔的开发前景。二十一世纪人类将进入老龄化社会，发展“仿人机器人”将弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并能开辟新的产业，创造新的就业机会。”

★ 准备：

活动过程

1.熟悉仿生知识。

2.小组讨论方案的可行性，思考设计方案。

小组活动记录表

经过我们小组交流，达成了共识，形成了初步设计方案，请看我们的成果。

我的设计

实验记录表

评价与成绩

经过一段时间的活动，我们已经做出了满意的作品，现在比比看，记下我们的辉煌。

评分标准请参考评分细则。

拓展创新

在前面的活动中，我们获得许多新体验、新感受。有了新的思考，如果有兴趣，就继续开展我们的活动吧！