一、青少年机械奥运
　　
　　“机械奥运”机器人项目集机械、声、光、电、信息技术于一体,具有广泛的知识涵盖面。它是将设计制作与操控竞技结合,趣味性、观赏性、科学性兼备,深受学生喜爱的综合性科技活动。是沪港澳三地青少年步行机器人竞赛交流项目。内容有机械篮球、足球、短跑等十几项竞赛。拥有广泛的群众基础。它更是培养青少年创新能力,团队精神,树立科学道德规范的理想活动载体。
　　为了推动青少年“机械奥运”项目的发展,普及机器人科技知识,激发学生的科学兴趣,培养创新能力和正确的科学道德观。我们从课程建设的角度,初步构建了以问题化、信息化、模块化为主要特征的“机械奥运”活动项目课程内容体系。开发了面向全体学生的课程化教材及系列化配套器材。
　　目前宝山区青少年“机械奥运”系列竞赛活动已形成了传统,目的是力求为青少年提供一个学习、实践、展示科学素养的大舞台。
　　
　　二、活动目的与理念
　　
　　1.“机械奥运”项目竞赛活动方案设计,要实现由单纯性技能操练向以培养创造能力为重点的转变。注重知识学习与活动实践相结合,注重学习过程的科学探究,更注重探究过程中的道德体验、感悟与内化,引导学生形成持久的创新动力和正确的科学态度(见表1)。
　　
　　3.通过机器人竞技系列活动,逐渐在宝山区形成一支高素质的科技辅导员网络化队伍。措施:举办科技教师继续教育240培训班,定期举行学科教研活动。具体要求:
　　(1)学习普及型机器人科技基础理论知识,逐渐形成区科技辅导员网络化队伍。
　　(2)区科技辅导员具备较强的动手实践能力,示范教学能力。
　　(3)能够设计学校科技活动方案,组织学生科技社团活动。
　　,
　　(4)能够辅导学生参与科技集训、竞赛活动。骨干学校确立自己的优势项目,形成科技品牌。
　　
　　三、活动方案的创新特色
　　
　　1.以自主开发的《模块式步行机器人》器材和课程化教材为基础,设计了系列化竞赛活动。注重创立探究需求的情景,形成了以学生为本,师生互动,民主和谐的“科学人文”环境。
　　2.活动以步行机器人为主题,以知识学习和操控技能相结合为特点的区级综合性青少年竞赛活动,内容覆盖了从小学到高中的各年龄层学生。
　　3.整个活动内涵丰富,努力营造充满高尚情趣和时代精神的场景,让学生有获得成功的情感需求,在这种集科学、艺术、竞技、娱乐为一体的探索活动过程中体验人生,陶冶情操,完善人格。
　　4.活动过程也是逐渐形成我区科技辅导员网络化队伍的过程,师资培训属于活动的重要组成部分,要先于活动的开展,并成为常态化制度。
　　5.活动过程中师生互动,教学相长。不断吸取创意灵感,为开拓新的活动项目积累资料。
　　
　　四、实施活动的基础条件
　　
　　1.宝山区校外教育基础雄厚。有专职机器人项目教师,积累了比较丰富的组织综合性大赛的经验。
　　2.自主研发了《模块式步行机器人》系列科教器材和课程化教材。为普及型机器人活动深入发展打下了基础。
　　3.宝山区有一支素质比较高的科技辅导员队伍,教学科研初具水平,活动的开展具备优越的师资条件。
　　4.步行机器人竞技项目还是宝山区科技教育品牌项目,得到了区教育局的政策支持,拨给专项活动经费予以保障。对于活动的开展十分有利。
　　5.我区基层学校设施完备,有些学校还拥有室内体育场馆,而且基层学校有专项科技活动经费,活动开展有保障。
　　6.暑期社区青少年机器人活动频繁,社区组织开展此类活动意愿强烈。有力促进我区青少年机器人活动的发展。
　　
　　五、实施活动尚需注意的问题
　　
　　宝山区是我市城乡结合的行政区,地域广大,乡镇学校多而分散,城乡学校在科技教育资源方面有一定差距。这要求区少科站在师资培训、活动指导、器材经费等方面有所倾斜。
　　六、竞技活动内容与知识重点(见表3)
　　
　　
　　八、活动参与对象和时间安排(见表4、表5)
　　
　　第二阶段:活动主体阶段——机器人创意、设计、制作及竞技活动
　　竞赛项目一:机器人短跑
　　竞赛组别:小学三、四、五年级
　　1.活动形式
　　学校科技教师组织学生利用班组、小队、科技社团、家庭或社区等各种形式进行机器人科技探索活动。
　　2.活动内容与时间安排
　　(1)机器人知识与制作的探索研究(每周活动一次,活动时间段从3月～5月中旬)。
　　(2)机器人短跑竞技比赛(宝山区青少年“机器人竞技场”竞赛项目之一,计划利用五月科技周的一天,与其他各个竞赛项目一起集中举行)。
　　3.活动过程
　　(1)短跑机器人模块构建方案的探索:设立探求情景,要求学生在教师指导下,自主研制出竞赛机器人。给出三种机器人模块构建方案,制作和调试难度逐渐递进,机械知识相互衔接。学生通过多方案的制作实践。分析比较各方案优劣,就自然形成了探究学习的过程。
　　名称:曲柄连杆式四足步行机器人,如图3所示。 　 知识点:①四连杆机构。②齿轮传动机构。③机器人肢端运动轨迹分析。
　　
　　知识点:①曲柄摇杆机构。②曲柄滑槽机构。③机器人肢端运动轨迹分析。
　　名称:交叉 连杆式四足步行机器人,如图5所示。
　　
　　
　　竞赛项目二:机器人拔河
　　组别:小学四年级～初中一年级
　　1.活动形式、要求和时间:同前(略)。
　　2.活动过程
　　(1)机器人知识与制作技能的探索研究
　　知识点:①齿轮传动比与动力轴转速及动力输出力矩的关系。②机器人的重力、重心、足底接触面积和摩擦材料、作用力方向等机械力学知识。
　　机械原理:步行机构(单侧步行足)由曲柄滑槽机构和两组曲柄摇杆机构共一个动力曲柄组成的复合机械装置(如图7所示),动力装置采用四级齿轮传动低转速方案。
　　机械方案特点分析:机器人左右足底板相连,左右足同步迈进。中足与前后四足交错落地行走。这种方案使得机器人在拔河竞赛时,拉力方向始终在中轴线上。比较符合力学原理。而采用交错步的机器人会因重心左右摆动,拉力线也会随之漂移。另外脚板面积也不易做大。
　　模块构建方案的探索:①指导学生以力学原理构建模型方案,讨论下列方案依据。机器人采用左右足底板相连,左右足同步迈足方案的依据。②机器人采用相对较短曲柄,小步幅组装,减速齿轮箱采用低转速(四级齿轮传动)高扭力方案的力学依据。③机器人足底板的制作:要求尺寸准确,胶皮粘合均匀平整。在规则允许的范围,足底板的面积尽可能大。④机械组装(略)。⑤调试(略)。
　　讨论与思考:①请同学运用初中物理学知识,研究拔河机器人的重量、脚底板面积、采用的材料和摩擦力的关系。②用力学知识,分析判断机器人配重是采用均衡分布,还是集中一点方案?如何确定配重物的位置?③尝试研究新的拔河机器人构建方案。
　　(2)竞技比赛
　　此项比赛主要测试各机器人之力度,机器人要以步行的方式移动,比赛是以最快将对方拉出指定范围者为胜。
　　机器人拔河比赛规则
　　1.机器入规格
　　(1)机器人只可以单马达双电池运作。
　　(2)机器人长度不能超越300mm,阔度不能超过150mm,高度不能超过180mm,总重量不能超越500g(包括电池)。　(长、阔、高尺寸不能互换)
　　(3)拔河采用长150mm的电线扣为联系两台机械之物件。
　　(4)机器人身体末端中央离地60mm~90mm处须装置一个直径lOmm的金属羊眼圈,以便钩上拔河之电线扣,如图8所示。
　　
　　竞赛项目三:寻迹追踪机器人
　　组别:高中一、二、三年级
　　1.活动形式、要求和时间:同前(略)
　　2.活动内容
　　(1)按比赛规则制作一个绕障竞速机器人。
　　(2)学习操控机器人的技术。
　　(3)在绕障竞速机器人的基础上,发展出追踪机器人。
　　3.重点
　　(1)机器人模块构建方案确定。
　　(2)网上查找追踪机器人电子光控线路资料。
　　4.难点
　　电子光控线路的制作与机器人的匹配调试。
　　5.活动过程
　　(1)机械原理
　　步行机构(单侧步行足)由四组四连杆机构共用一个动力曲柄组成的复合机械装置。模型采用一体双板形式。两组齿轮箱分别给左右步行足提供动力。使得机器人前进后退,左右转弯灵活自如,操控性极佳。
　　(2)绕障机器人(如图10所示)的技术特点
　　
　　②要求:作为扩展性研究内容,要求学生自行上网收集有关资料,在老师指导下制作电子探测装置,并完成与机器人的匹配调试工作。
　　(5)总结与表彰
　　组织模拟竞赛,总结与奖励。
　　(6)竞技比赛
　　机械追踪比赛的目的是实践自动化操控概念(autonomous contr01)比赛中机器人必须有感应器装置以便依从黑线行走,一般可用红外线感应器或光敏电阻作为感知元件。为了提高学生对电子制作科研水平和兴趣,大会将接受自行开发的线路板。但为了技术交流,参赛者必须公布技术参数和线路图,本会将在网上公布,以便供其他同学参考。
　　机械追踪比赛规则
　　1.机械规格 　　(1)参赛作品只可以双马达四电池运作。机械长度不能超过300mm,阔度不能超过180mm,高度不能超过240mm,总重量不能超过1 kg(包括电池),如图12所示。
　　　　(2)探索机器人球队的战术组合
　　因为目前机械奥运足球规定是三对三的比赛,分别有前锋、后卫和守门三种机器人。可以尝试高速机器人和中速机器人球员搭配,灵活型和力量型兼顾的阵型。比如前锋采用快速灵活型机器人球员,中后卫采用中速力量型机器人球员。(高、中、低速方案可以通过齿轮箱的齿轮传动组合来实现)
　　(3)训练方法
　　①射门练习,盘带练习。②模拟对抗比赛。教师要适时有意识地引导学生在具体的活动过程中体验团队精神,锻炼意志品质。
　　(4)思考与实践
　　在实际创作和比赛活动中,学生有了亲历的体验。在此基础上请学生自己总结。
　　①研究足球机器人的重量、速度和力量的关系。②总结机器人配重要点。　(重心低且要居中、配重量适当)③根据自己在球队中的角色,修正机器人制作方案。④谈谈集体对抗性竞赛项目在比赛中,团队协作精神的重要性。
　　(5)竞技比赛
　　本项目是以队制形式进行,每队有三台正选步行机器人,及一台后备机器人,期望学生制作出较灵巧的步行机器人,并在比赛中发挥合作精神。比赛以两队步行机器人进行对抗,在指定时间内用“脚”将足球踢人对方龙门,以人球多者为胜。
　　机器人足球比赛规则
　　1.机器人规格
　　(1)参赛机器人的长度不可超过300mm,阔度不可超过200mm,高度不可超过240mm(长、阔、高尺寸不能互换)。总重量不能超越1.5kg(包括电池及接收器)。
　　(2)每队由三台步行机器人组成。
　　①前锋机器人需于200mm旗杆贴上黄色半圆形旗帜,并只能于己方前半场活动,范围包括敌方禁区。②中场机器人需于200mm旗杆贴上红色三角形旗帜,除了不能进入双方的禁区,可于全场活动。③防守机器人需于200mm旗杆贴上蓝色长方形旗帜,并只能于己方后半场活动,范围包括己方禁区。
　　(3)机器人的前端必须有左右各一件挡板,挡板由齿轮箱前端向后倾斜30～45度,至遮蔽用作步行的前脚,防止机器人的前脚踢球,两件挡板前端的开口最大距离是30mm,所以踢球的脚或板不能大于30mm。　(见附图)
　　(4)比赛时机器人以大会认可的无线方式控制。如红外线操控板或无线操控器。
　　(5)机器人必须以摇摆方式(非旋转式)踢球。
　　2.比赛场地规格
　　(1)本比赛采用足球赛道板。
　　(2)比赛场地的样式会印于一张面积3658mm×2438mm的横额物料上,四周有高100mm之45度三角斜围板,龙门为915mm阔×200mm高×200mm深。比赛选用直径约60mm的橡皮球。
　　3.比赛规则
　　(1)机器人只可踢球,不能持球或推球。
　　(2)后备机器人连操控器需放在大会的指定地方,否则不能要求更换机器人。
　　(3)比赛分上、下半场,各场时限为2分钟。比赛首阶段为小组循环赛,胜方得3分,负方得0分。和局各可得1分。次阶段为淘汰赛。
　　(4)以掷毫方法决定开球队伍及场地,每队在上、下半场各有1次开球机会。双方先摆放前锋机器人,再于禁区内摆放防守机器人,由开球一方于中圈内先摆放中场机器人,最后由对方于中圈外摆放中场机器人。
　　(5)待裁判指示才可开球,而计时亦以此刻为开始时间。开球队伍须于5秒内开球,否则改由对方开球。其余机器人待开球后才能开动。
　　(6)将球踢入对方龙门便得1分,失分球队将再在中场开球,而定时器不会暂停,比赛完结时得分较高者便为胜方。
　　(7)时限过后仍未能分出胜负,于循环赛中会算作和局,于淘汰赛中会加时比赛,以实时死亡决胜负,各队只可派出一台机器人作赛,实时死亡的时限最多为2分钟。若仍未能分出胜负,双方轮流派出一台机器入射定点球,每方三台的机器人各射一球,并记录入球的时间,入球最多一方为胜,若入球数目相同时,以时间最短者为胜。若第一轮射定点球仍未能分出胜负则再射第二轮,直至分出胜负。
　　(8)定点球做法是将足球置于中圈,机器人于限时1分钟内不限次数射空门(即没有防守机器人),直至射入。机器人不能进入禁区射球,但可从禁区取球。
　　(9)机器人因犯规被罚十二码球,足球会放于禁区顶之中央,射球的机器人先放于禁区乏外,之后守方才将防守机器人垂直(最短的一边)放于龙门底边的中央,对方未触球前防守机器人不能开动,否则会被警告及重射定点球。
　　
　　(2)参赛机器人使用齿轮箱的数目不多于5个,须以步行方式移动。
　　(3)比赛时机器人可以大会指定的无线方式控制,如红外线操控板或多频道无线操控器,故机器人应预留空间装置红外线接收器或无线电接收器。
　　2.比赛场地规格
　　(1)比赛将用篮球赛道板,四周有457mm高的透明围板。直径180mm的篮筐离地高度为240mm,如图19所示。
　　(2)比赛会以一个橙色乒乓球球作篮球。
　　
　　3.比赛规则
　　(1)每队可预备三台机器人,其中两台机器人用作出赛,第三台机器人作后备更换之用,比赛前须先交给裁判保管。没后备机器人的队伍只能修理损坏之机器人。
　　(2)开始比赛时,双方机器人要置于自己半场的中圈外,并面向攻方。裁判会于中圈的中心以上300mm放下一个篮球供双方争夺。
　　(3)篮球机器人取得篮球后,须于5秒内抛出篮球,否则算作犯规(持球),裁判会给予犯规者一次警告,并由对手于原地开球。若能投入对方的篮筐内可得两分。比赛时限为6分钟,以得分最多者为胜。
　　(4)比赛进行中,若需要维修或更换机器人要向第二球证提出,获得批准后方可进行,机器人需由球证取出及放回,定时器不会暂停,球赛仍继续进行。放回原位之机器人需得球证指示方可操控移动并继续比赛。
　　(5)限时过后仍未能分出胜负,以实时死亡决胜负,不用对换场地,亦不能更换机器人。双方机器人要置于自己半场的中圈外,并面向攻方。裁判会于中圈的中心以上300mm放下一个篮球供双方争夺,以最先入球者为胜。实时死亡的时限最多为3分钟。若仍未能分出胜负,双方轮流派出一台机器人射定点球,每次时限为1分钟。每方二台的机器人各射一球,并记录入球的时间,入球最多者为胜,若入球数目相同时,以时间最短者为胜。若第一轮射定点球仍未能分出胜负则再射第二轮,直至分出胜负。若再和局则从抽签分胜负。
　　(6)定点球不设防守机器人,做法是将篮球置于禁区顶之中央位置,机器人由中圈出发去拾球,若投球不入,机器人可在限时内捡回篮球再射,射球次数不限,但不能进入禁区射球。
　　(7)入球后由失球一方于自己半场的底线开球。
　　(8)双方机器人不能进入禁区超过5秒,否则会被裁判警告,并由对手于原地开球。
　　(9)同一台机器人犯规两次会被罚球,由对手机器人于禁区外射球一次。射入罚球可得两分,失球一方于自己半场的底线开球。若罚球不入,比赛会随即继续进行。
　　竞赛程序:分组抽签　(与机器人足球比赛程序相同)
　　竞赛项目六:星球探索机器人
　　组别:高中一、二、三年级
　　1.活动形式、要求和时间:同前(略)
　　2.活动内容
　　(1)星球探索机器人模块构建方案。
　　(2)按比赛规则制作一个星球探索机器人。
　　(3)机械手抓斗的改进。
　　3.重点
　　机械手的制作和改进。
　　4.难点
　　机械手的制作和改进。
　　5.活动过程
　　在前面制作的基础上,要求学生自己独立完成作品。
　　(1)步行平台和拾球装置模块构建方案的探索
　　①演示连杆机械手步行机器人作品(如图20所示),并要求在篮球拾球机器人的基础上,制作星球探索机器人。②星球探索机器人要在模拟的外星球环境中采集岩石标本,需要负重。请你思考,采用哪种机器人齿轮传动方案和模块构建案?提示:上述系列机器人布局方案无一雷同,底板没有前后正反之分,原则是布局配置尽量使机器人的重心均衡,这样机器人转向比较灵活机动。③研究连杆机械手步行机器人机械手机构原理与改进,提高采集标本效率。④要求每个人提出构思方案,并交流讨论,相互启发。⑤在以上研究基础上动手制作实践。⑥学习机器人的调试、检查与排除故障的技能。
　　(2)训练内容
　　①模拟采集火星岩石标本的操控练习。②组织对抗比赛。
　　(3)机器人作品交流与总结
　　①讲评创意机器人,表彰创新精神。②总结和奖励(略)。
　　(4)竞技比赛:希望学生于此项比赛中设计灵巧的手钳作探索星球,而非作星球开矿。机器人要拾取岩石样本(乒乓球),运送至指定的地点储存,拾取岩石时要选取有用之岩石(白色乒乓球),避免选取有害之岩石(橙色乒乓球)。
　　星球探索比赛规则
　　1.机器人规格 　 (1)机器人以收起机械手计,其长度不能超