智能机器人诞生记

鸢尾

乔乔木自从看了中国科学技术协会举办的全国青年科普创新实验暨作品大赛（详见《学与玩》2020年第4期）以后，对人工智能一直念念不忘，总想做出属于自己的机器人。编辑姐姐知道后，对他说：“别着急，中国儿童中心的谢鹏老师正在网上教授关于STEM机器人小制作的课程，你可以去看看。”

乔乔木得知这个消息后很兴奋，迫不及待地就去听课了。第一节课是关于武汉长江大桥的桁（héng）架结构。乔乔木有些不理解，虽然桁架结构广泛应用于很多著名的建筑，可是这和人工智能有什么关系呢？可乐王说：“武汉长江大桥是中华人民共和国成立以后修建的第一座公铁两用的长江大桥，也是武汉的标志性建筑之一，在当时可以说是举全国之力建造的。同时，在大桥的修建过程中，苏联还派出了专家组来中国帮忙。就像我们这次抗击疫情，举全国之力，也有国际的互帮互助。这样的制作放在开头不是很应景吗？而且，以后很多制作都会用到桁架结构。可以说，桁架结构是制作机器人的基础。”

乔乔木点点头，但也有些意犹未尽，他还是更期待关于机器人的制作。可乐王在一边安慰他：“别急呀，我们一步一步来，以后还会有很多有意思的小制作呢。”

给你一场灯光秀

乔乔木：可乐王，你快看！为感谢全国各地的援助，武汉亮起了25公里的灯光，展现了一场绚丽的灯光秀，太壮观了！

可乐王：好漂亮啊！其实这种电子滚屏的效果，我们也可以做出来。

乔乔木：真的吗？你不会骗我吧？

可乐王：当然了，其实，这就是电子显示屏幕的一种，又称综合信息电子公告牌，可以显示文字、图像和动画，并且高分辨率的显示屏幕还可以显示电视等动态画面，我们平时在机场、车站看到的提示字幕也属于这种设备。为了让更多信息在屏幕上显示出来，我们可以通过编写特定程序来实现屏幕文字的滚动效果。

乔乔木：要编写程序啊......那就是人工智能的范畴了！对了，我们可以去问问谢老师。

谢老师：可乐王说得没错，电子滚屏就是这么工作的。要制作这个设备，我们需要一个程序——Arduino。它可以连接LED灯、马达和传感器，是一个在人工智能机器人教育教学中经常会使用到的开源型电子平台，包括硬件和软件。你们先来看看这个模型，显示屏上显示的是“WU HAN CHIN UP！CHINA CHIN UP！”（武汉加油！中国加油！）

可乐王：这个程序我知道，入门很容易，很多人都喜欢用它来编程。

谢老师：确实是这样的。现在，我们在第一个模块中输入字符串的名字，第一行是“wuhanlist”，第二行是“chinalist”。然后，在第二个模块中输入字符串的具体内容，第一行是“WU HAN CHIN UP”，第二行是“CHINACHINUP”。最后，我们在下面相应的位置设定显示时间。

乔乔木：这么简单吗？武汉的灯光秀也是这样做出来的吗？

谢老师：我们这个只是其中最简单的程序，武汉的灯光秀肯定比这个要复杂得多。

乔乔木：这个简单的程序就可以让我在家里做灯光秀了！太好了，以后过节我可以把家里好好布置一下，做一场属于自己的灯光秀！

神奇的晾衣架

乔乔木：最近天气变化太快了，早上还晴空万里呢，中午就下雨了。还好我在家，可以帮忙收衣服，否则那些衣服就白洗了。

可乐王：是啊，夏天的天气就是这样。要是有能根据天气情况收衣服、晾衣服的工具就好了。对了，上次我们参观全国青年科普创新实验暨作品大赛的时候，在“智能控制”单元，不就感受到了人工智能给生活带来的便利吗？我们去问问谢老师，说不定他会有办法。

谢老师：我最近也在想这个问题，其实这个问题并不难解决。今天，我们就一起来制作这样的智能晾衣架。

你们看，我先搭建了阳台和窗户的模型。我们在窗户上安装一个马达，由马達驱动皮带轮，并带动柱状齿轮和齿条，然后通过这个绿色的撞角把窗户推开。

乔乔木：太神奇了！窗户打开，晾衣架就伸展开了。可是，这也只是不用自己亲自动手，怎么才能让它根据天气的情况自动收衣服或者晾衣服呢？

谢老师：你不要着急。这就要用到NXT程序了。我们在NXT的控制器上安装一个光电传感器，检测环境的明暗变化。在这里，我们可以设置一个阈值，一旦亮度超过或低于这个数值，马达的转动方向就会发生变化，这样，窗户就可以根据环境的明暗而开关了。

可乐王：这个只能控制窗户的开关，怎么才能实现晾衣架的伸展和收缩呢？

谢老师：我们来看这个马达，它里面有码盘，这个码盘相当于一个传感器，可以根据环境带动马达的变化，使其前进或后退，这样晾衣架就可以伸展或收缩了。

可乐王：那个风车是用来检测风速的吗？

谢老师：是啊，这个风车连接传动轴，风车转动使传动轴带动锥状齿轮，齿轮带动马达，然后就是马达中的码盘大显神通的时候了。

乔乔木：也就是说，这个晾衣架在大风天也可以把衣服收回来，这也太方便了！可惜这只是个模型，否则我就可以做这样一个智能晾衣架送给妈妈做生日礼物了。

谢老师：原理都是一样的，只要你好好学习，总有一天可以实现的。

纸飞机发射的秘密

乔乔木：可乐王，你快来，谢老师要做纸飞机发射器了。咦？纸飞机还要发射器？

可乐王：当然了！世界上关于纸飞机的比赛有很多种，比如纸飞机在空中的滞留时间、飞行距离、速度......吉尼斯世界纪录收录了很多关于纸飞机的纪录。我想，为了让大家把精力放在纸飞机本身的制作上，所以要制作纸飞机发射器，这样才能够保证比赛的公平。

谢老师：不错。现在我们就来制作纸飞机发射器。制作之前，我们需要解决这样几个问题：发射器需要的动力;投掷纸飞机之前，如何夹住它;发射器如何用手握住。

动力的问题，我们需要电池组、马达和齿轮组帮我们解决。电池组和马达可以将电能转化为机械能，再通过马达带动齿轮组，将机械能转化为动能。然后，我们再用圆梁结构搭建一个支架，把纸飞机的机身嵌入其中即可。这个支架就要用到我们之前学过的桁架结构了，也就是勾股定理的知识。乔乔木：这样说，好像也不是很复杂。

可是，这不是机器人小制作吗？这个装置和机器人有什么关系呢？

谢老师：这个模型在使用过程中，电池组的开关不是很稳定，我们需要使用触动传感器，这就要用到人工智能的知识了。我们这次用的程序软件是EV3：这里有一个任务判断，当我们摁下触动传感器时，马达就会高速旋转，我们就可以得到一个很快的初速度。放开触动传感器，马达停止转动，这样可以避

免电能的浪费。

可乐王：这个程序真棒，既简单又环保。

谢老师：你们在制作的过程中要注意，获得一个高速的初速度，需要靠大齿轮和小齿轮的转速比来实现。所以，要注意齿轮的选择。还有一点，齿轮的转速比较快，握着这个装置的时候，一定要远离齿轮，避免被划伤。乔乔木：我明白了。我一定要制作出一个初速度很高的发射器，这样，说不定我的纸飞机也可以创造纪录呢！

侏罗纪公园

乔乔木：可乐王，谢老师刚刚直播讲的机器恐龙太有意思了，如果我们能学习关于机器恐龙的制作就太好了！我一定要学会做霸王龙，想想就很霸气啊！可乐王：你别总想着霸气了，霸王龙的制作可不容易。它是暴龙的一种，而暴龙是一个广泛的称谓。这个家族的恐龙虽然大小各异，但有一个共同的特点：头部巨大、前肢短小。

因此，制作霸王龙，一定要保证它身体的平衡。乔乔木：听你这么一说，感觉好难啊。不知道有没有简单一点的恐龙制作。可乐王：谢老师说今天要制作翼龙，说不定会简单一些。现在发现的翼龙有100多个品种，大的如风神翼龙，翼展超过12米，小的如森林翼龙，和鸟类差不多大。其实，从严格意义上来讲，翼龙并不是真正的恐龙，而是能飞行的爬行动物演化支。在希腊文里，翼龙的意思就是“有翼蜥蜴”。

乔乔木：翼龙也有这么多种类啊！我知道了，之所以叫翼龙，是因为它们都有翅膀。

谢老师：说得对。因此，我们制作翼龙有一个重点，那就是翅膀的安装。你们一定在公园里看过机器恐龙模型，这样的模型需要实现哪些功能呢？

乔乔木：恐龙身上的部位要能活动，比如头、翅膀这些都要可以动，而且还要可以行走。

谢老师：没错，这就是对我们要做的机器翼龙提出的要求。那么该怎么满足这些要求呢？其实头部要动很简单，只要选择积木中的球形块和球形杯托，就可以做出能转动的头部了。

翅膀该怎么做呢？这次我们要用到带钉梁和圆梁，它们可以搭建传动轴和曲柄连杆，这个装置可以实现翼龙翅膀的上下运动。接着就是用马达驱动传动轴的方法了，这个原理和纸飞机发射器的原理有些类似。

可乐王：我知道了，就是用马达驱动齿轮转动，通过齿轮组把动力传输到翼龙的翅膀上。

谢老师：是的，我们通过马达将旋转动力通过20齿齿轮传递到12齿齿轮上，在中间轴两端都固定好12齿齿轮，再通过角齿轮驱动翼龙的翅膀。然后是翼龙的前进问题，这就要用到皮筋和轮子了。找一根皮筋，一端套在曲柄的轴上，另一端套在机器翼龙的轮子上。安装的时候，皮筋要旋转90°，否则就装不上了。而且，左右两端的皮筋拴在轮子上的方向要对称，这样才能保证翼龙直线前进。在这里，我们也可以编写一个程序，这次用到的程序软件是WeDo2.0。我们来看一下这个程序界面，黄色的是启动模块，下方的模块中，有的代表马达的功率，我们可以在模块下面输入数字，确定马达的功率;有的是马达的运行模块，在下面可以输入时间;还有马达的停止模块，可以终止马达的转动......

可乐王：老师，这个软件要怎么控制方向呢？

谢老师：这个问题问得好。WeDo软件有代表方向的按钮，我们点击这个按钮，就可以确定运动的方向了。你们在编程的时候，一定要注意这个问题。

下面我们要用程序让翼龙见到食物时停下来，并发出歡快的叫声。这个其实也不难，我们把刚才的程序稍微改一下就可以了。首先，我们把时间下面的数字改为动作传感器的标志，然后再添加代表音乐的按钮，选择一个欢快的声音就可以了。是不是很简单？

乔乔木：哇，这个软件太好用了，我要马上试试。对了，程序界面上有很多工具，说不定还能开发出其他的功能呢！

人工智能在给我们带来方便的同时，也给我们的生活增添了很多美丽的色彩。小读者们看了这些，是不是也爱上了人工智能呢？中国儿童中心去年成立了儿童人工智能教育研究院，我们以后会陆续向大家介绍相关活动，拉近人工智能与生活的距离，让人工智能更好地为我们的生活服务。