教具研发背景

2020年修订版《普通高中信息技术课程标准》提出，要通过典型的应用实例，了解数据采集、分析和可视化表达的基本方法。基于新课程标准，以开源硬件树莓派作为控制系统，研发一套基于人工智能技术的机械手教具；同时，利用Arduino开源硬件控制舵机的工作，从而控制机械手的动作。使用Python语言编程可实现机械手手指及手臂转动，并通过图像或语音识别技术实现对机械手的控制。本教具以机械手为平台，让学生在解决问题的过程中，将所思、所想在机械手平台上进行操作，通过问题提出与问题分析，最终实现智能机械手的控制，提高学生的人工智能学习质量，培养学生的创新思维能力，提升学生利用数字技术解决实际问题的能力。

问题提出

人工智能教育对中小学教师和学生都是一项挑战。在课堂中，教师需以生动、形象的方式向学生讲授人工智能课程，但因教学平台的局限性，使得中小学的人工智能课程仍以计算机编程为基础，缺乏生动有趣的情境和项目，教学易脱离生活，导致学生逐渐失去兴趣。目前，中小学还没有系统的、专业的人工智能教学平台，虽然一些学校尝试使用智能硬件进行教学，但整体上还无法满足学生的需求。因此，本教具将从学生学段特点和教师特点出发，开发适合中小学人工智能教育教学的技术平台。这一平台将利用人工智能机械手培养学生对于人工智能技术的兴趣，帮助他们掌握人工智能知识。

设计目标

通过三维设计软件设计手掌和手指零件，并进行零件模型的装配和3D打印，验证手部结构的合理性；控制系统采用树莓派4B，驱动部分选用Arduino开源硬件控制舵机的运动；使用开源的Linux图形化系统，采用Python语言进行程序设计。最终完成系统与百度智能云平台资源的对接，实现智能化手势识别和语音识别。

研发过程

机械手结构设计方案讨论

方案1.线控机械手

手指运动依靠电机控制丝线完成（图１）。线控机械手结构简单，易控制，但在使用中容易脱线松动，长时间使用易损坏，因此，未选用此种方案。

方案2.舵机连杆直驱结构

通过连杆结构控制手指的伸直与弯曲，利用舵机实现手指的不同弯曲角度，可高质量模仿人手的动作，而且实现起来简单、耐用，可使用3D打印技术打印结构件。

平面连杆机构机器人的动力主要来自于电机或舵机，电机或舵机的运动是圆周运动，很多时候机器人要做上下或左右的往复运动，这时就要利用连杆机构，将圆周运动转变为上下或左右的往复运动。

最终，通过3D打印技术打印机械手指，安装测试后，选择连杆结构制作的机械手指，以达到学生反复使用与长时间教学的功能。

机械手三维设计与制作

手指模型设计

使用SolidWorks软件进行手指的三维设计，模拟人手特点，完成手指的设计和装配（图2）。

机械手主要部件设计

使用三维设计软件，分别设计智能机械手的手掌、手指，整体机械手共有6个自由度（图3）。机械手零部件设计完成后，利用3D打印机制作手部结构，并进行组装。

手腕转台的结构设计方案

第1代手部旋转结构使用齿轮传动，舵机驱动小齿轮带动大齿轮，可有效进行减速，减速齿轮比为24∶40，大齿轮转动带动手部的整体转动。第2代则利用舵机直接控制云台转轴转动，转动距离精确，可平稳运行，且结实耐用。

该项目获得第37届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖