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摘 要：教学机器人是目前机器人研发的一个新方向，而在课堂教学中并且在各大高校、中小学中开设机器人课程也是教育改革的重要举措之一。设计一款可重构教学机器人，满足多变可拆装、操作简单的特点，以培养学生的动手能力及创造力。拟定与该机器人相关的比赛方案，让学生在比赛中进一步掌握机器人的相关知识。
关键词：教学机器人；设计；硬件；软件；比赛方案
一、前言
（一）研究背景
1.国外研究现状
在国外，机器人教育一直是个热点，早在1994年麻省理工学院（MIT）就设立了 “设计和建造LEGO机器人”课程（Martin）。在日本，每所大学都有高水平的机器人研究和教学内容，每年定期举行各种不同层次的机器人设计和制作大赛。
2.国内研究现状
我国的机器人研究在七八十年代就已开展起来，在我国的“七五”计划，“863”计划中均有相关的内容。但中小学的机器人教学起步较晚，到上世纪九十年代后期才得到了初步的发展，且仍不完善。虽然国内教学机器人发展较晚，但现在也已经有一部分较为成熟的机器人公司，比如：北京森汉科技有限公司。
（二）教学意义
对于学生来说，教学机器人可以丰富其课余生活，使其在实践过程中锻炼了动手能力、创新思维，并且身心愉悦，有利于学生心理健康的发展。所有的教学机器人的研发目的，都是为了激发孩子的创造力。
（三）研究内容
发明一种可重构教育机器人，其各个部件之间可以自由拆装，通过舵机控制器的控制，完成各种复杂动作。
1.机器人的基本结构
可重构教学机器人可在短时间内迅速拆装成另一种类型的机器人，并能够根据调试者的动作技术要求做出相应动作。为了达到以上的目标，研发人员将利用Pro E软件设计绘制教学机器人样图。
2.组块的连接方式
为了能够使机器人组块既能快速拆装，结合后又足够牢固。首先初步确定组块的尺寸和连接方式，利用CAD软件绘制零件的加工图，制作两个组块样品。根据拟用的伺服舵机所具备的扭力大小，给样品施加相同的力，根据样品的承受程度再完善连接方式。
3.竞赛方案
组装成的机器人需参加完成四个比赛，包括：双足竞步机器人（狭窄足印、交叉足印）占总分30%、自由体操机器人占30%、人形舞蹈机器人占30%。组装机器人耗时和组装完成的忌日人结构占10%。根据这三个项目所得分数累加成总分进行排名。该竞赛分为：中学组和大学组两个组别。其中每个项目和每个组别的相关细则参考robocup公开赛当中的设定。
二、教学机器人的介绍
（一）教学机器人的概念
所谓教学机器人，就是以培养学生创造力和动手能力为目的，用于课堂教学实践的机器人成品、套装和散件的总称，通常还配有教学用书和说明书。
（二）现已有教学机器人的类型
1.车型机器人
车型机器人以CPU作为主控制器，用以处理复杂的算法，按照特定的轨迹线路，以马达带动车轮转动行进。车型机器人典型代表有家用扫地机器人。
2.人型机器人
人型机器人不仅指外形与人相似的机器人，还包括带有类似人体部分结构的机器人。人型机器人可以完成与人类相似的动作，如走路等。典型代表有ROBOT·X人型机器人。
3.积木式机器人
积木式机器人与其他类型机器人不同的是，由于其可自由拆卸改装的特点，所以没有特定的外形结构。典型代表有乐高机器人。
三、可重构教学机器人的设计与开发
（一）技术方案
磁式变形教育机器人，包括躯干部、头部、腿部、手臂，腿部的底部有脚板，所述教育机器人包括舵机控制平台和与舵机控制平台连通的舵机控制板，所述腿部由若干个单元体插接而成，单元体包括一伺服舵机和活动连接在伺服舵机两端的支架，伺服舵机的支架上设置有磁片和磁柱，并且设置有倾斜的插口，配备插片能到达加固的效果，头部、腿部、手臂均以这种磁式以及配备插接的方式固定于躯干部上，脚板与腿部通过磁式以及配备插接的结构连接，舵机控制板固定在軀干部上，舵机控制板与伺服舵机之间可以由分体式设置的舵机线连接。
（二）结构改进
作为改进，所述躯干部为一扁平的片状体。所述躯干部的顶部设置有用于连接头部的磁式以及插接的结构，躯干部的底部设置有用于连接腿部的磁式以及插接的结构，躯干部的左右两侧设置有用于连接手臂的磁式以及插接的结构。作为另一可选的改进，所述手臂为一手掌模型和至少一个单元体。所述支架与磁式结构固定，并且磁式结构设置在支架里面。所述插接结构是通过一个插片连接两个支架，主要起到一个加固的效果。
具体实施方式：
如图3所示，躯干部1为一扁平的片状体，与传统的机器人相比，胸部大大减小，更适宜做复杂的动作。躯干部1的顶部设置有用于连接头部2的磁式结构10和斜式插口11，躯干部1的底部设置有用于连接腿部3的磁式结构10和斜式插口11，躯干部1的左右两侧设置有用于连接手臂4的磁式结构10和斜式插口11，躯干部1的顶部、底部、左右两侧均设置支架9，躯干部1上的磁式结构10和斜式插口11均位于支架9上。
如图1～2所示，头部2、腿部3、手臂4均以插接的方式固定于躯干部1上，每个腿部3均有2个单元体连接而成。脚板5的顶部设置有用于与腿部3连接的磁式结构10和斜式插口11，脚板5与腿部3通过磁式结构10和斜式插口11配备斜式插片13连接，头部2的底部设置有磁式结构10和斜式插口11用于连接在躯干部1顶部的磁式结构10和斜式插口11上。舵机控制板7固定在躯干部1上，舵机控制板7与伺服舵机8之间可以由分体式设置的舵机线12连接。每个手臂4为一手掌模型和一个单元体，手掌模型上设置有磁式结构10和斜式插口11。作为显而易见的变形，手臂4处可以为多个单元体。
图1
图中：1、躯干部；2、头部；3、腿部；4、手臂；5、脚板；6、舵机控制平台；7、舵机控制板；8、伺服舵机；9、支架；10、磁式结构；11、斜式插口；12、舵机线；13、斜式插片。
四、可重构教学机器人的应用
（一）面向中小学校
现在市场上多数是车型机器人，可变形的教育机器人还是很稀少，同时可重构教学机器人又相对于车型机器人更为复杂，加大了难度，更能激发学生的自主创新意识，也大大提高了学生的动手能力。
（二）面向教育培训机构
例如少年宫，兴趣小组等，开展多条教育路线，举行一系列机器人活动，鼓励学生参加各类别的机器人比赛，并加强宣传力度，以便于我们教育机器人的应用与推广。
（三）面向家庭教育
孩子能在没有老师的帮助下，依靠自己的能力，动手研究机器人，有利于培养孩子的独立自主的能力，减少依赖性，也培养了孩子的创新能力。
参考文献
[1]陈义平，时颖，袁明明.多功能教学用机器人的设计与实现[J].实验室研究与探索，2013（2）.
[2]朱乔荣.机器人教学：一种训练学生解决问题能力的课程[J].现代教学，2015（12）：32-33.
关键词：教学机器人；设计；硬件；软件；比赛方案
一、前言
（一）研究背景
1.国外研究现状
在国外，机器人教育一直是个热点，早在1994年麻省理工学院（MIT）就设立了 “设计和建造LEGO机器人”课程（Martin）。在日本，每所大学都有高水平的机器人研究和教学内容，每年定期举行各种不同层次的机器人设计和制作大赛。
2.国内研究现状
我国的机器人研究在七八十年代就已开展起来，在我国的“七五”计划，“863”计划中均有相关的内容。但中小学的机器人教学起步较晚，到上世纪九十年代后期才得到了初步的发展，且仍不完善。虽然国内教学机器人发展较晚，但现在也已经有一部分较为成熟的机器人公司，比如：北京森汉科技有限公司。
（二）教学意义
对于学生来说，教学机器人可以丰富其课余生活，使其在实践过程中锻炼了动手能力、创新思维，并且身心愉悦，有利于学生心理健康的发展。所有的教学机器人的研发目的，都是为了激发孩子的创造力。
（三）研究内容
发明一种可重构教育机器人，其各个部件之间可以自由拆装，通过舵机控制器的控制，完成各种复杂动作。
1.机器人的基本结构
可重构教学机器人可在短时间内迅速拆装成另一种类型的机器人，并能够根据调试者的动作技术要求做出相应动作。为了达到以上的目标，研发人员将利用Pro E软件设计绘制教学机器人样图。
2.组块的连接方式
为了能够使机器人组块既能快速拆装，结合后又足够牢固。首先初步确定组块的尺寸和连接方式，利用CAD软件绘制零件的加工图，制作两个组块样品。根据拟用的伺服舵机所具备的扭力大小，给样品施加相同的力，根据样品的承受程度再完善连接方式。
3.竞赛方案
组装成的机器人需参加完成四个比赛，包括：双足竞步机器人（狭窄足印、交叉足印）占总分30%、自由体操机器人占30%、人形舞蹈机器人占30%。组装机器人耗时和组装完成的忌日人结构占10%。根据这三个项目所得分数累加成总分进行排名。该竞赛分为：中学组和大学组两个组别。其中每个项目和每个组别的相关细则参考robocup公开赛当中的设定。
二、教学机器人的介绍
（一）教学机器人的概念
所谓教学机器人，就是以培养学生创造力和动手能力为目的，用于课堂教学实践的机器人成品、套装和散件的总称，通常还配有教学用书和说明书。
（二）现已有教学机器人的类型
1.车型机器人
车型机器人以CPU作为主控制器，用以处理复杂的算法，按照特定的轨迹线路，以马达带动车轮转动行进。车型机器人典型代表有家用扫地机器人。
2.人型机器人
人型机器人不仅指外形与人相似的机器人，还包括带有类似人体部分结构的机器人。人型机器人可以完成与人类相似的动作，如走路等。典型代表有ROBOT·X人型机器人。
3.积木式机器人
积木式机器人与其他类型机器人不同的是，由于其可自由拆卸改装的特点，所以没有特定的外形结构。典型代表有乐高机器人。
三、可重构教学机器人的设计与开发
（一）技术方案
磁式变形教育机器人，包括躯干部、头部、腿部、手臂，腿部的底部有脚板，所述教育机器人包括舵机控制平台和与舵机控制平台连通的舵机控制板，所述腿部由若干个单元体插接而成，单元体包括一伺服舵机和活动连接在伺服舵机两端的支架，伺服舵机的支架上设置有磁片和磁柱，并且设置有倾斜的插口，配备插片能到达加固的效果，头部、腿部、手臂均以这种磁式以及配备插接的方式固定于躯干部上，脚板与腿部通过磁式以及配备插接的结构连接，舵机控制板固定在軀干部上，舵机控制板与伺服舵机之间可以由分体式设置的舵机线连接。
（二）结构改进
作为改进，所述躯干部为一扁平的片状体。所述躯干部的顶部设置有用于连接头部的磁式以及插接的结构，躯干部的底部设置有用于连接腿部的磁式以及插接的结构，躯干部的左右两侧设置有用于连接手臂的磁式以及插接的结构。作为另一可选的改进，所述手臂为一手掌模型和至少一个单元体。所述支架与磁式结构固定，并且磁式结构设置在支架里面。所述插接结构是通过一个插片连接两个支架，主要起到一个加固的效果。
具体实施方式：
如图3所示，躯干部1为一扁平的片状体，与传统的机器人相比，胸部大大减小，更适宜做复杂的动作。躯干部1的顶部设置有用于连接头部2的磁式结构10和斜式插口11，躯干部1的底部设置有用于连接腿部3的磁式结构10和斜式插口11，躯干部1的左右两侧设置有用于连接手臂4的磁式结构10和斜式插口11，躯干部1的顶部、底部、左右两侧均设置支架9，躯干部1上的磁式结构10和斜式插口11均位于支架9上。
如图1～2所示，头部2、腿部3、手臂4均以插接的方式固定于躯干部1上，每个腿部3均有2个单元体连接而成。脚板5的顶部设置有用于与腿部3连接的磁式结构10和斜式插口11，脚板5与腿部3通过磁式结构10和斜式插口11配备斜式插片13连接，头部2的底部设置有磁式结构10和斜式插口11用于连接在躯干部1顶部的磁式结构10和斜式插口11上。舵机控制板7固定在躯干部1上，舵机控制板7与伺服舵机8之间可以由分体式设置的舵机线12连接。每个手臂4为一手掌模型和一个单元体，手掌模型上设置有磁式结构10和斜式插口11。作为显而易见的变形，手臂4处可以为多个单元体。
图1
图中：1、躯干部；2、头部；3、腿部；4、手臂；5、脚板；6、舵机控制平台；7、舵机控制板；8、伺服舵机；9、支架；10、磁式结构；11、斜式插口；12、舵机线；13、斜式插片。
四、可重构教学机器人的应用
（一）面向中小学校
现在市场上多数是车型机器人，可变形的教育机器人还是很稀少，同时可重构教学机器人又相对于车型机器人更为复杂，加大了难度，更能激发学生的自主创新意识，也大大提高了学生的动手能力。
（二）面向教育培训机构
例如少年宫，兴趣小组等，开展多条教育路线，举行一系列机器人活动，鼓励学生参加各类别的机器人比赛，并加强宣传力度，以便于我们教育机器人的应用与推广。
（三）面向家庭教育
孩子能在没有老师的帮助下，依靠自己的能力，动手研究机器人，有利于培养孩子的独立自主的能力，减少依赖性，也培养了孩子的创新能力。
参考文献
[1]陈义平，时颖，袁明明.多功能教学用机器人的设计与实现[J].实验室研究与探索，2013（2）.
[2]朱乔荣.机器人教学：一种训练学生解决问题能力的课程[J].现代教学，2015（12）：32-33.