刘适宁 张楷若

物理是一门实验性科学，在学习过程中，老师会通过实验的演示和讲解来阐述原理，并验证原理的正确性，加深同学们的印象。

但物理实验演示的准备、操作以及演示完后的收拾工作都会花费老师很多的时间和精力。同学们有时为了理解更透彻，总希望老师多做几遍实验，加重了老师的教学负担。

能否制作一个会做物理实验的机器人，让它既能帮助老师在课堂上做实验、讲解，又能在课后重复演示实验，并举例说明实验在实际生活中的应用？

老师在听了我们的想法之后提示，可设计一个能进行基本的物理实验操作和演示物理实验的机器人，通过更换其程序模块和设备模块做不同的实验。

于是，我们决定制作能做虹吸现象实验的机器人。

一、设计思路

许多实验都可分为几个固定环节：传送实验药剂（水），送到指定位置并释放（倾倒）;实验反应，现象展示环节;实验分析、原理阐述环节。

我们根据这几个环节，先设计一个专项实验的机器人——演示虹吸现象实验的机器人。

虹吸现象又称虹吸效应，是一种物理现象，指由于液态分子间存在引力与位能差能，液体会由压力大的一边流向压力小的一边。如图1所示。

虹吸现象是因为液体压强和大气压强而产生。如图1，由于h1p2-ρgh2，在A点左端的压强就大于A点右端的压强，在大气压和液体压强的共同作用下，水朝一个方向移动。

现实生活中有很多虹吸现象的应用。如给固定的鱼缸换水时用的虹吸管以及虹吸马桶等。

根据以上思路，机器人可以由实验操作臂、实验结果展示仓、实验说明装置、机器人控制机构等四部分组成，其制作流程如图2所示。

二、分类设计

将机器人外形制作成人形，外壳用有机玻璃制作，由头部、身体和操作臂组成。身体是机器人的主体结构，为长方形盒状，包括实验结果展示仓、实验说明装置和机器人控制机构。盒子的左右为两条“手臂”，即实验操作臂。

1.实验操作臂

左操作臂共有大臂、小臂、手腕和手指4個关节，分别由4个马达控制。大臂、小臂控制整条操作臂的运动，手腕在倒水时转动。手指用来抓握水杯，完成倒水操作。右操作臂控制实验仓门的开合，有2个关节，分别由2个马达控制。

2.实验结果展示仓

将装置放在实验结果展示仓内的实验平台上，操作时，实验平台略向外推出，方便操作臂完成实验。

3.实验说明装置

实验结果展示仓的外部装有讲解图的转轴，使用时由一个马达控制，讲解图能实现上升、下降，展示结束后收回。可事先在转轴上设计实验注意事项以及实际应用的范例。为了增加趣味性，机器人所有功能的启动都通过语音模块控制。

4.机器人控制机构

机器人由一个单片机控制，可根据语音指令完成实验操作和讲解。单片机收到信号后控制一个马达推出实验平台，然后通过继电器让两个RCU分别控制左、右操作臂完成实验。

实验结束后，再控制马达收回实验平台。接着，控制另一个马达拉出讲解图，播放事先录制好的讲解音频。讲解结束后，收回讲解图，再控制右侧RCU，操作右手臂关闭实验仓门，实验结束。

三、完善与设想

能做虹吸现象实验的机器人还有很大的改进空间，比如机器人体积过于庞大，外观粗糙;机器人手臂马达的力量不够大，无法实现精准控制。演示图拉出时控制不精准。

我们下一步计划采用模块化的设计，通过更换操作臂前部模块和展示台实验模块，完成各种不同的实验。

经过总结，仅需更换实验模块就能实现的实验有连通器原理实验、化学沉淀实验、化学扩散实验、扩散热效应实验等。需更换操作臂前部模块和展示台实验模块才能实现的有浮力实验。而无法完成的实验有燃烧实验、需要通过测量取固定量物品的实验等。

总之，我们会不断改进机器人，让它为人们的生活与学习带来更多便利。（指导老师：潘之浩  李新璐）