智能機器人誕生記

鳶尾

喬喬木自從看了中國科學技術協會舉辦的全國青年科普創新實驗暨作品大賽（詳見《學與玩》2020年第4期）以后，對人工智能一直念念不忘，總想做出屬于自己的機器人。編輯姐姐知道后，對他說：“別著急，中國兒童中心的謝鵬老師正在網上教授關于STEM機器人小制作的課程，你可以去看看。”

喬喬木得知這個消息后很興奮，迫不及待地就去聽課了。第一節課是關于武漢長江大橋的桁（héng）架結構。喬喬木有些不理解，雖然桁架結構廣泛應用于很多著名的建筑，可是這和人工智能有什么關系呢？可樂王說：“武漢長江大橋是中華人民共和國成立以后修建的第一座公鐵兩用的長江大橋，也是武漢的標志性建筑之一，在當時可以說是舉全國之力建造的。同時，在大橋的修建過程中，蘇聯還派出了專家組來中國幫忙。就像我們這次抗擊疫情，舉全國之力，也有國際的互幫互助。這樣的制作放在開頭不是很應景嗎？而且，以后很多制作都會用到桁架結構。可以說，桁架結構是制作機器人的基礎。”

喬喬木點點頭，但也有些意猶未盡，他還是更期待關于機器人的制作。可樂王在一邊安慰他：“別急呀，我們一步一步來，以后還會有很多有意思的小制作呢。”

給你一場燈光秀

喬喬木：可樂王，你快看！為感謝全國各地的援助，武漢亮起了25公里的燈光，展現了一場絢麗的燈光秀，太壯觀了！

可樂王：好漂亮啊！其實這種電子滾屏的效果，我們也可以做出來。

喬喬木：真的嗎？你不會騙我吧？

可樂王：當然了，其實，這就是電子顯示屏幕的一種，又稱綜合信息電子公告牌，可以顯示文字、圖像和動畫，并且高分辨率的顯示屏幕還可以顯示電視等動態畫面，我們平時在機場、車站看到的提示字幕也屬于這種設備。為了讓更多信息在屏幕上顯示出來，我們可以通過編寫特定程序來實現屏幕文字的滾動效果。

喬喬木：要編寫程序啊......那就是人工智能的范疇了！對了，我們可以去問問謝老師。

謝老師：可樂王說得沒錯，電子滾屏就是這么工作的。要制作這個設備，我們需要一個程序——Arduino。它可以連接LED燈、馬達和傳感器，是一個在人工智能機器人教育教學中經常會使用到的開源型電子平臺，包括硬件和軟件。你們先來看看這個模型，顯示屏上顯示的是“WU HAN CHIN UP！CHINA CHIN UP！”（武漢加油！中國加油！）

可樂王：這個程序我知道，入門很容易，很多人都喜歡用它來編程。

謝老師：確實是這樣的。現在，我們在第一個模塊中輸入字符串的名字，第一行是“wuhanlist”，第二行是“chinalist”。然后，在第二個模塊中輸入字符串的具體內容，第一行是“WU HAN CHIN UP”，第二行是“CHINACHINUP”。最后，我們在下面相應的位置設定顯示時間。

喬喬木：這么簡單嗎？武漢的燈光秀也是這樣做出來的嗎？

謝老師：我們這個只是其中最簡單的程序，武漢的燈光秀肯定比這個要復雜得多。

喬喬木：這個簡單的程序就可以讓我在家里做燈光秀了！太好了，以后過節我可以把家里好好布置一下，做一場屬于自己的燈光秀！

神奇的晾衣架

喬喬木：最近天氣變化太快了，早上還晴空萬里呢，中午就下雨了。還好我在家，可以幫忙收衣服，否則那些衣服就白洗了。

可樂王：是啊，夏天的天氣就是這樣。要是有能根據天氣情況收衣服、晾衣服的工具就好了。對了，上次我們參觀全國青年科普創新實驗暨作品大賽的時候，在“智能控制”單元，不就感受到了人工智能給生活帶來的便利嗎？我們去問問謝老師，說不定他會有辦法。

謝老師：我最近也在想這個問題，其實這個問題并不難解決。今天，我們就一起來制作這樣的智能晾衣架。

你們看，我先搭建了陽臺和窗戶的模型。我們在窗戶上安裝一個馬達，由馬達驅動皮帶輪，并帶動柱狀齒輪和齒條，然后通過這個綠色的撞角把窗戶推開。

喬喬木：太神奇了！窗戶打開，晾衣架就伸展開了。可是，這也只是不用自己親自動手，怎么才能讓它根據天氣的情況自動收衣服或者晾衣服呢？

謝老師：你不要著急。這就要用到NXT程序了。我們在NXT的控制器上安裝一個光電傳感器，檢測環境的明暗變化。在這里，我們可以設置一個閾值，一旦亮度超過或低于這個數值，馬達的轉動方向就會發生變化，這樣，窗戶就可以根據環境的明暗而開關了。

可樂王：這個只能控制窗戶的開關，怎么才能實現晾衣架的伸展和收縮呢？

謝老師：我們來看這個馬達，它里面有碼盤，這個碼盤相當于一個傳感器，可以根據環境帶動馬達的變化，使其前進或后退，這樣晾衣架就可以伸展或收縮了。

可樂王：那個風車是用來檢測風速的嗎？

謝老師：是啊，這個風車連接傳動軸，風車轉動使傳動軸帶動錐狀齒輪，齒輪帶動馬達，然后就是馬達中的碼盤大顯神通的時候了。

喬喬木：也就是說，這個晾衣架在大風天也可以把衣服收回來，這也太方便了！可惜這只是個模型，否則我就可以做這樣一個智能晾衣架送給媽媽做生日禮物了。

謝老師：原理都是一樣的，只要你好好學習，總有一天可以實現的。

紙飛機發射的秘密

喬喬木：可樂王，你快來，謝老師要做紙飛機發射器了。咦？紙飛機還要發射器？

可樂王：當然了！世界上關于紙飛機的比賽有很多種，比如紙飛機在空中的滯留時間、飛行距離、速度......吉尼斯世界紀錄收錄了很多關于紙飛機的紀錄。我想，為了讓大家把精力放在紙飛機本身的制作上，所以要制作紙飛機發射器，這樣才能夠保證比賽的公平。

謝老師：不錯。現在我們就來制作紙飛機發射器。制作之前，我們需要解決這樣幾個問題：發射器需要的動力;投擲紙飛機之前，如何夾住它;發射器如何用手握住。

動力的問題，我們需要電池組、馬達和齒輪組幫我們解決。電池組和馬達可以將電能轉化為機械能，再通過馬達帶動齒輪組，將機械能轉化為動能。然后，我們再用圓梁結構搭建一個支架，把紙飛機的機身嵌入其中即可。這個支架就要用到我們之前學過的桁架結構了，也就是勾股定理的知識。喬喬木：這樣說，好像也不是很復雜。

可是，這不是機器人小制作嗎？這個裝置和機器人有什么關系呢？

謝老師：這個模型在使用過程中，電池組的開關不是很穩定，我們需要使用觸動傳感器，這就要用到人工智能的知識了。我們這次用的程序軟件是EV3：這里有一個任務判斷，當我們摁下觸動傳感器時，馬達就會高速旋轉，我們就可以得到一個很快的初速度。放開觸動傳感器，馬達停止轉動，這樣可以避

免電能的浪費。

可樂王：這個程序真棒，既簡單又環保。

謝老師：你們在制作的過程中要注意，獲得一個高速的初速度，需要靠大齒輪和小齒輪的轉速比來實現。所以，要注意齒輪的選擇。還有一點，齒輪的轉速比較快，握著這個裝置的時候，一定要遠離齒輪，避免被劃傷。喬喬木：我明白了。我一定要制作出一個初速度很高的發射器，這樣，說不定我的紙飛機也可以創造紀錄呢！

侏羅紀公園

喬喬木：可樂王，謝老師剛剛直播講的機器恐龍太有意思了，如果我們能學習關于機器恐龍的制作就太好了！我一定要學會做霸王龍，想想就很霸氣啊！可樂王：你別總想著霸氣了，霸王龍的制作可不容易。它是暴龍的一種，而暴龍是一個廣泛的稱謂。這個家族的恐龍雖然大小各異，但有一個共同的特點：頭部巨大、前肢短小。

因此，制作霸王龍，一定要保證它身體的平衡。喬喬木：聽你這么一說，感覺好難啊。不知道有沒有簡單一點的恐龍制作。可樂王：謝老師說今天要制作翼龍，說不定會簡單一些。現在發現的翼龍有100多個品種，大的如風神翼龍，翼展超過12米，小的如森林翼龍，和鳥類差不多大。其實，從嚴格意義上來講，翼龍并不是真正的恐龍，而是能飛行的爬行動物演化支。在希臘文里，翼龍的意思就是“有翼蜥蜴”。

喬喬木：翼龍也有這么多種類啊！我知道了，之所以叫翼龍，是因為它們都有翅膀。

謝老師：說得對。因此，我們制作翼龍有一個重點，那就是翅膀的安裝。你們一定在公園里看過機器恐龍模型，這樣的模型需要實現哪些功能呢？

喬喬木：恐龍身上的部位要能活動，比如頭、翅膀這些都要可以動，而且還要可以行走。

謝老師：沒錯，這就是對我們要做的機器翼龍提出的要求。那么該怎么滿足這些要求呢？其實頭部要動很簡單，只要選擇積木中的球形塊和球形杯托，就可以做出能轉動的頭部了。

翅膀該怎么做呢？這次我們要用到帶釘梁和圓梁，它們可以搭建傳動軸和曲柄連桿，這個裝置可以實現翼龍翅膀的上下運動。接著就是用馬達驅動傳動軸的方法了，這個原理和紙飛機發射器的原理有些類似。

可樂王：我知道了，就是用馬達驅動齒輪轉動，通過齒輪組把動力傳輸到翼龍的翅膀上。

謝老師：是的，我們通過馬達將旋轉動力通過20齒齒輪傳遞到12齒齒輪上，在中間軸兩端都固定好12齒齒輪，再通過角齒輪驅動翼龍的翅膀。然后是翼龍的前進問題，這就要用到皮筋和輪子了。找一根皮筋，一端套在曲柄的軸上，另一端套在機器翼龍的輪子上。安裝的時候，皮筋要旋轉90°，否則就裝不上了。而且，左右兩端的皮筋拴在輪子上的方向要對稱，這樣才能保證翼龍直線前進。在這里，我們也可以編寫一個程序，這次用到的程序軟件是WeDo2.0。我們來看一下這個程序界面，黃色的是啟動模塊，下方的模塊中，有的代表馬達的功率，我們可以在模塊下面輸入數字，確定馬達的功率;有的是馬達的運行模塊，在下面可以輸入時間;還有馬達的停止模塊，可以終止馬達的轉動......

可樂王：老師，這個軟件要怎么控制方向呢？

謝老師：這個問題問得好。WeDo軟件有代表方向的按鈕，我們點擊這個按鈕，就可以確定運動的方向了。你們在編程的時候，一定要注意這個問題。

下面我們要用程序讓翼龍見到食物時停下來，并發出歡快的叫聲。這個其實也不難，我們把剛才的程序稍微改一下就可以了。首先，我們把時間下面的數字改為動作傳感器的標志，然后再添加代表音樂的按鈕，選擇一個歡快的聲音就可以了。是不是很簡單？

喬喬木：哇，這個軟件太好用了，我要馬上試試。對了，程序界面上有很多工具，說不定還能開發出其他的功能呢！

人工智能在給我們帶來方便的同時，也給我們的生活增添了很多美麗的色彩。小讀者們看了這些，是不是也愛上了人工智能呢？中國兒童中心去年成立了兒童人工智能教育研究院，我們以后會陸續向大家介紹相關活動，拉近人工智能與生活的距離，讓人工智能更好地為我們的生活服務。