能做虹吸現(xiàn)象實驗的機(jī)器人

劉適寧 張楷若

物理是一門實驗性科學(xué)，在學(xué)習(xí)過程中，老師會通過實驗的演示和講解來闡述原理，并驗證原理的正確性，加深同學(xué)們的印象。

但物理實驗演示的準(zhǔn)備、操作以及演示完后的收拾工作都會花費老師很多的時間和精力。同學(xué)們有時為了理解更透徹，總希望老師多做幾遍實驗，加重了老師的教學(xué)負(fù)擔(dān)。

能否制作一個會做物理實驗的機(jī)器人，讓它既能幫助老師在課堂上做實驗、講解，又能在課后重復(fù)演示實驗，并舉例說明實驗在實際生活中的應(yīng)用？

老師在聽了我們的想法之后提示，可設(shè)計一個能進(jìn)行基本的物理實驗操作和演示物理實驗的機(jī)器人，通過更換其程序模塊和設(shè)備模塊做不同的實驗。

于是，我們決定制作能做虹吸現(xiàn)象實驗的機(jī)器人。

一、設(shè)計思路

許多實驗都可分為幾個固定環(huán)節(jié)：傳送實驗藥劑（水），送到指定位置并釋放（傾倒）;實驗反應(yīng)，現(xiàn)象展示環(huán)節(jié);實驗分析、原理闡述環(huán)節(jié)。

我們根據(jù)這幾個環(huán)節(jié)，先設(shè)計一個專項實驗的機(jī)器人——演示虹吸現(xiàn)象實驗的機(jī)器人。

虹吸現(xiàn)象又稱虹吸效應(yīng)，是一種物理現(xiàn)象，指由于液態(tài)分子間存在引力與位能差能，液體會由壓力大的一邊流向壓力小的一邊。如圖1所示。

虹吸現(xiàn)象是因為液體壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)而產(chǎn)生。如圖1，由于h1p2-ρgh2，在A點左端的壓強(qiáng)就大于A點右端的壓強(qiáng)，在大氣壓和液體壓強(qiáng)的共同作用下，水朝一個方向移動。

現(xiàn)實生活中有很多虹吸現(xiàn)象的應(yīng)用。如給固定的魚缸換水時用的虹吸管以及虹吸馬桶等。

根據(jù)以上思路，機(jī)器人可以由實驗操作臂、實驗結(jié)果展示倉、實驗說明裝置、機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)等四部分組成，其制作流程如圖2所示。

二、分類設(shè)計

將機(jī)器人外形制作成人形，外殼用有機(jī)玻璃制作，由頭部、身體和操作臂組成。身體是機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)，為長方形盒狀，包括實驗結(jié)果展示倉、實驗說明裝置和機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)。盒子的左右為兩條“手臂”，即實驗操作臂。

1.實驗操作臂

左操作臂共有大臂、小臂、手腕和手指4個關(guān)節(jié)，分別由4個馬達(dá)控制。大臂、小臂控制整條操作臂的運動，手腕在倒水時轉(zhuǎn)動。手指用來抓握水杯，完成倒水操作。右操作臂控制實驗倉門的開合，有2個關(guān)節(jié)，分別由2個馬達(dá)控制。

2.實驗結(jié)果展示倉

將裝置放在實驗結(jié)果展示倉內(nèi)的實驗平臺上，操作時，實驗平臺略向外推出，方便操作臂完成實驗。

3.實驗說明裝置

實驗結(jié)果展示倉的外部裝有講解圖的轉(zhuǎn)軸，使用時由一個馬達(dá)控制，講解圖能實現(xiàn)上升、下降，展示結(jié)束后收回。可事先在轉(zhuǎn)軸上設(shè)計實驗注意事項以及實際應(yīng)用的范例。為了增加趣味性，機(jī)器人所有功能的啟動都通過語音模塊控制。

4.機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)

機(jī)器人由一個單片機(jī)控制，可根據(jù)語音指令完成實驗操作和講解。單片機(jī)收到信號后控制一個馬達(dá)推出實驗平臺，然后通過繼電器讓兩個RCU分別控制左、右操作臂完成實驗。

實驗結(jié)束后，再控制馬達(dá)收回實驗平臺。接著，控制另一個馬達(dá)拉出講解圖，播放事先錄制好的講解音頻。講解結(jié)束后，收回講解圖，再控制右側(cè)RCU，操作右手臂關(guān)閉實驗倉門，實驗結(jié)束。

三、完善與設(shè)想

能做虹吸現(xiàn)象實驗的機(jī)器人還有很大的改進(jìn)空間，比如機(jī)器人體積過于龐大，外觀粗糙;機(jī)器人手臂馬達(dá)的力量不夠大，無法實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。演示圖拉出時控制不精準(zhǔn)。

我們下一步計劃采用模塊化的設(shè)計，通過更換操作臂前部模塊和展示臺實驗?zāi)K，完成各種不同的實驗。

經(jīng)過總結(jié)，僅需更換實驗?zāi)K就能實現(xiàn)的實驗有連通器原理實驗、化學(xué)沉淀實驗、化學(xué)擴(kuò)散實驗、擴(kuò)散熱效應(yīng)實驗等。需更換操作臂前部模塊和展示臺實驗?zāi)K才能實現(xiàn)的有浮力實驗。而無法完成的實驗有燃燒實驗、需要通過測量取固定量物品的實驗等。

總之，我們會不斷改進(jìn)機(jī)器人，讓它為人們的生活與學(xué)習(xí)帶來更多便利。（指導(dǎo)老師：潘之浩 ?李新璐）