制作一　滑雪机器人——最简单肢体运动的机器人（一）

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冬奥会上各类滑雪比赛中，运动员们手拄雪杖、疾如闪电的矫健身姿，给人以美的享受和强烈的视觉冲击。比赛前运动员需要热身，手工制作前也需要“热身”，这个最简单的滑雪机器人（图1-1），权且作为读者的“热身”之作吧！

一、运动特点

大多数滑雪运动中，运动员手里都拿着两根长长的“拐杖”，叫作滑雪杖（图1-2）。运动员滑雪时，滑雪杖不但能提供动力、控制平衡、引导变向，而且能支撑身体、控制重心。相比之下，本制作的动作就简单多了，机器人的整个手臂就是滑雪杖。

机器人运动侧面如下：手臂顺时针旋转时，机器人向右运动，手臂从A点经过空中B点运行到C点之前，机器人是静止的（图1-3）；只有其手臂落到地面即C点时（图1-4），才将机器人支撑起来向前运动（图1-5～图1-7）；到A点后，移动结束，手臂又在空中旋转，接着下一轮运动。

『数学（Mathematics）指点』本机器人手臂只能做圆周运动，不会模仿真实的滑雪运动，不过做演示还是可以的。手臂可以看作圆的半径，A、C两点是手臂与地面接触的点，手臂长短决定了机器人向前移动一次的远近。长则远，短则近。设滑雪板与电机已固定，则A、C两点间距离由手臂长短而定，手臂长则线段AC长，手臂短则线段AC短。手臂加长，其经过C点和A点的夹角在整个周角的占比就会增大（图1-3），速度就会提高；但从图1-5、图1-6可知，滑雪板与地面的夹角也会增大，机器人有可能向后倾倒。如何兴利除弊才能让机器人“滑”出最佳效果？笔者只给出了手臂的几种长度供读者探究，其他多项因素的关系，还望读者在制作过程中揣摩和研究。

二、制作材料

电池、电机、开关、连接线、乒乓球、油笔管、雪糕棒、2.5厘米螺钉（母）（图1-8）。

三、制作工具

胶枪、美工刀、锯子、直尺、砂纸、电烙铁、钳子、电钻、焊接剂（胶黏剂）等（图1-9）。

四、工作原理

电机带动手臂做圆周运动，当支点接触地面时，将机器人的身体支撑起来，在电机扭矩的作用下，身体前移。手臂继续转动，身体再向前移，周而复始。

『知识拓展』扭矩（转矩）：使物体发生转动的力。电机转速越快，扭矩越小，反之越大。

五、制作过程

（1）制作“腿”。将两根1.8厘米×15厘米的雪糕棒平均分开（图1-10）。

（2）截面用砂纸磨平，便于与雪橇粘接，圆头朝上，粘在电机前后两侧（雪糕棒的宽度与电机的宽度相当）（图1-11）。电机下要留出1.5厘米的空间（图1-12），电机不能抬得太高，否则重心高了，机器人就会不稳。

『技术（Technology）指点』本制作重心尽量要低。我们看滑雪比赛时，总是见运动员弯着腰，就是为了降低重心，重心低，身体才稳。为了降低重心，可以在下面增加配重，还可以把电机、电池等尽量固定得低一些。如果机器人滑雪时不侧翻，行动正常，就不要另加配重，否则会降低机器人的运行速度。

（3）制作滑雪板。另两截雪糕棒（完成制作后可根据运动情况加长），侧棱紧贴上下对齐，点焊接剂（胶黏剂）于缝隙间，背面可垫上光滑的废木板，粘接时还要经常移动，以防焊接剂渗到滑雪板下与垫板粘住（图1-13）。为了结实，还可以用雪糕棒余料横向加固（图1-14）。

（4）将滑雪板圆头作为前方，粘接机器人身体时，前方的雪糕棒用砂纸稍磨一下，使身体稍向前倾，以便让身体展现出用力的样子（图1-15）。为了美观，可先用焊接剂粘接，内侧再用胶枪加固（图1-16）。

『科学（Science）指点』运动员弯着腰，如「技术（Technology）指点」所述，能降低重心，是为了求稳。但身体向前倾，故意让重心向前移出身体之外，又是在创造一种不平衡的险境，所以，滑雪运动员就是在这样既追求稳又打破稳的矛盾冲突中，在观众面前充分展现竞技体育的无穷魅力。

（5）用胶枪在电机轴两端粘上螺钉。尽量不要偏离轴心，从机器人头顶俯视（图1-17）和从正前方正视（图1-18）观察都与轴成一条线即可，然后再进一步加固。

（6）截取小于1.5厘米的油笔管（螺钉的长度为2.5厘米，留出1厘米余地，给手臂和螺母留出位置），两端磨平，套在螺钉两端。其目的是：可使两肩尽量向外伸展，以避免下面的滑雪板侧边与手臂摩擦，手臂间距加宽，可以提升机器人运动时的稳定性（图1-19）。

（7）制作机器人的手臂。将雪糕棒截为11厘米和4厘米两段（图1-20），截面用砂纸磨平，再将长短两段雪糕棒平头对齐粘好（图1-21）（让材料加厚，目的是打孔时，提高材料的结实程度），再用电钻在如图1-22所示的位置打三个孔。多打几个孔，是为了找到滑雪机器人最佳的手臂长度，但孔打多了，雪糕棒的结实程度就会受到影响，所以，选的螺钉尽可能细一些。

『数学（Mathematics）指点』手臂的长短要合适。从前面的“运动特点”中知道，手臂长了，滑雪板与地面的角度就大，机器人容易侧翻；而短了，手臂则不能触及地面，只能空转做圆周运动，机器人不会动。所以，可以多打几个孔，一一进行测试。这样也给读者留出试验探究的空间。通过手臂在不同孔位的变化，找到滑雪机器人手臂最佳的安装位置。

滑雪板的长度也有讲究。降低机器人的重心固然可以提高它的稳定性，但如果滑雪板做得短，着地面积小，就不会稳，尤其是滑雪时速度飞快，只有加大滑雪板与雪的接触面积，运动员才能滑得更稳，所以，滑雪板的制作宜长不宜短。

『技术（Technology）指点』手臂的长短是相对的。手臂长了机器人容易倒，但也可以通过在滑雪板上增加配重，来获得新的平衡，这需要读者自己去测试。另外，滑雪板的长度也不是越长越好。超过适当的值，会给机器人的灵活性带来影响。

（8）给电机、开关两端接上连接线（这一步也可提前完成），将电池粘在机器人背面，尽量往下粘，将开关粘在头顶或滑雪板上。将电机、电池、开关以串联的方式连接起来（图1-23）。

『知识拓展』串联：就是电路中各个元件被连接线逐次连接起来。串联是连接电路元件的基本方式之一，与之相对应的还有并联。

『技术（Technology）指点』接线前一定要先用电池正负极触及电机两端，观察电机的旋转方向，确定是朝前方运动时，再将线路连接好。将连接线用胶枪固定好，要美观且方便充电。

（9）安装手臂。将两侧手臂安在螺钉上，上好螺母，在拧紧前先把手臂调整成平行状态。此处不可用胶，因为还要对其他几个孔分别进行测试，观察运动结果（图1-24）。

（10）粘头部时要稍向前倾，方显动感，又能使重心前移。如果觉得不太美观，还可以加个脖子（图1-25）。

（11）细心的读者一定会看出，图1-25比图1-24多出一个孔，且多出的这个孔在所标的1孔和2孔之间。之前打3个孔是设想：第1孔位，机器人的手臂不会着地，旋转时身体不动；第2孔位，机器人为正常滑雪状态；第3孔位，手臂过长，机器人运动时显得笨拙，身体还容易侧翻转打滚。但经测试，第2孔位也较高，于是就在第2孔位和第1孔位之间开了第4孔位。测试后发现机器人能正常运动。这几个孔位没有给出具体数值，目的是让读者自己在制作时去体验。如果读者还没有制作手臂而先看到这一部分，则可以按4个孔的长度加长附加的（短的）那块雪糕棒，再给手臂多打一孔。

（12）启动机器人测试，手臂转速很高，但机器人行动迟缓，仔细观察，是手臂与地面打滑所致。粘上橡皮条增加摩擦力后，机器人运动速度明显提高（图1-26）。

『知识拓展』两个相互接触的物体，当它们做相对运动时，在接触面上会产生一种阻碍相对运动的力，这种力就叫作摩擦力。

六、制作感悟

（1）如果读者乐于探究，还可以尝试其他的玩法，比如：

①让手臂一前一后交替运动，观察机器人的运动状态；

②增加配重，试用第2和第3孔位，测试机器人能否正常运动。

（2）机器人一经启动，再想关闭就不方便了（本书的制作都有这个问题）。后期如果制作成遥控或编程机器人，就可以解决这个问题。

（3）手臂上3个孔的位置最初是随意设置的，第4孔位是后来增加的。可以先量一下电机轴到滑雪板（地面）的距离，若孔位与手臂末端小于此数值，手臂就是空转；稍大于此数值时，机器人会稍微移动；再大于此数值，机器人就会展现滑雪状态；如果再大，机器人可能就会侧翻。数值大的孔位，也许不稳，但加上合适的配重或（和）增减滑雪杖的长度，也能决定机器人正常的运动状态。

（4）电机轴直接带动手臂旋转应是最简单的运动方式，读者能否设计一种机械结构复杂一些、更形象的滑雪机器人呢？想好了，请及时将草图画在方框里（因为灵感稍纵即逝），再依图制作出来。

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