科技教育创新成果一等奖：多功能仿生爬行机器人制作套件

作者

罗靓/上海市通河中学

课题由来

机器人教学需求

仿生机器人是一种模仿生物结构、功能或行为的机器人。通过学习和研究仿生机器人的制作，可以深入了解生物系统的工作原理和机制，为机器人技术的发展提供新的思路和方法。同时，开展机器人学习可以培养学生的跨学科思维、实践能力、创新能力和团队合作精神，为他们的未来发展打下坚实的基础。

机器人教学现状

缺乏合适的机器人教学套件

目前，市场上针对机器人教学的教材教具相对较少，而且质量参差不齐，教师在选择教材时面临困难，难以找到适合学生年龄、知识水平和教学目标的套件。

教材内容过时

机器人技术发展迅速，新的概念、方法和应用不断涌现。现有的机器人教材无法及时跟上这些变化，不能满足实际教学需求。

设备和材料昂贵

机器人教学通常需要一定的设备和材料支持，如机器人套件、编程软件等。这些设备和材料的价格较高，往往超出学校或家长的预算，限制了教学活动的开展。

技术更新快

机器人技术发展迅速，新的硬件和软件平台不断推出，这意味着教师需要不断学习和更新知识和技能，以适应新的教学需求。

当前基础教育机器人教学需求

一套能够涵盖基础结构制作的仿生机器人教学套件；套件具备智能硬件安装与拓展使用功能，为人工智能教学提供可行性；根据套件进行学习制作的仿生机器人作品具备升级拓展性能，以用于参加比赛。

研究与制作

变速齿轮箱的设计

齿轮箱是仿生机器人的动力核心，市面上的比赛机器人套件通常只有组装好的齿轮箱，且结构固定，学生无法进行调整。作者计划设计一款能够调整齿轮比的齿轮箱材料，教师可以通过齿轮箱的教学，帮助学生理解齿轮箱的功能和特性，以便在比赛中合理判断、制作并使用不同转速的齿轮箱。使用SolidWorks软件绘制设计齿轮箱，零件图纸如图1所示，简介详见表1。

图1 齿轮箱零件图纸

仿生机器人零件的设计

在多年的仿生机器人参赛、比赛过程中，作者设计、制作过一系列机器人零件用于教学实践（图2），将这些零件进行孔位和结构优化与统一后，重新设计出一套仿生机器人制作零件（图3），仿生机器人套材零件介绍详见表2。

图2 爬杆、推小车、双足、四足等功能性机器人

图3 六足机器人

线控线路板的设计

在一些仿生机器人比赛中，机器人比赛项目需要选手用线控设备对机器人进行操控，一些机器人套件中会包含一个两通道的线控器，但是功能较为单一，往往需要教师带领学生自行制作多通道线控设备。作者设计了一款可焊接多通道线路板，不仅减少了制作线控设备的难度，提高了控制稳定性，还通过这个设备设计了焊接课程，丰富了课程内容。

教学与比赛实践

用于机器人联合体成员学校科技拓展课、科技社团的教材内容实施基础和进阶教学；在活动中心机器人教研组教师培训活动中作为教师培训内容；在活动中心周末科技公益课上进行机器人教学；自媒体科技创新课程推广教学。2015—2023学年，各校使用机器人套件制作的机器人作品参加了各级各类的机器人比赛，获得了各类奖项。

创新点

本套仿生机器人制作套件是根据多年教学和比赛经验设计、制作的专用套件。所制作的结构均接受过教学实践与各类比赛的检验。功能较完善，可拓展性强，对于机器人初学者来说是一个非常不错的学习和制作平台。教师和学生能够使用本套件结合配套工具书制作出各款仿生机器人，有经验的科技辅导员可根据零件图纸和尺寸标注自行设计并绘图，使用激光雕刻机雕刻木板或者有机玻璃等材料，制作出零件进行教学研究。

具体特点如下：①机器人套件可搭建多款仿生机器人，也可根据比赛需求进行结构设计与改造；②零件重量轻、强度高，搭建作品适合高强度比赛；③孔位设置合理，无需螺母，搭建方便；④配套齿轮箱结构简单牢固、功能强大，可以作为各种功能机器人动力系统；⑤主板孔位丰富，可拓展安装各种智能硬件，丰富了机器人作品的教学内容与参赛项目；⑥配套课程丰富，包括齿轮箱课程、机器人制作课程、焊接课程、智能硬件编程课程、APPInventor手机编程课程等，适用于各年龄段的学生进行学习和制作。

改进方案

改进方案可包括：新设计一些结构件，进一步加强机器人结构的拓展功能；部分孔位尺寸与位置的修改；增加新款仿生机器人的设计等。

该项目获得第 38 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖

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来源 | 《中国科技教育》2025-02

编辑 | 孟想

审校 | 若惜、朱志安