氣壓機械手

管軼 畢業(yè)于上海師范大學(xué)，現(xiàn)任上海市嘉定區(qū)南苑中學(xué)物理教師，學(xué)校3D打印社團教師，i3DOne青少年三維創(chuàng)意社區(qū)創(chuàng)客導(dǎo)師。曾多次指導(dǎo)學(xué)生參與全國中小學(xué)生電腦制作比賽等活動。

教學(xué)背景

在物質(zhì)文明過于充盈、生活節(jié)奏過于緊湊的今天，我們不禁會懷念“手工時代”帶給我們的愜意、滿足和快樂，憧憬一家人圍坐包餃子、打毛線的和諧親情，想念小時候一起玩泥巴的童年好友，或者和伴侶一起教孩子搭積木時的甜蜜時光。

當(dāng)工作剝奪了和家人一起圍坐看電視的快樂，當(dāng)應(yīng)酬打破了家里一日三餐的規(guī)律，人們更加渴望“和諧”家庭。但現(xiàn)在習(xí)慣了機械生產(chǎn)的我們卻想不出自己動手可以做什么、怎么做。于是，DIY經(jīng)濟火熱升溫，并因此成為新的淘金地。對消費者來說，是將自己的創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實，體驗創(chuàng)造的快樂;對創(chuàng)業(yè)者來說，則是在嘗試全新的創(chuàng)業(yè)方式。DIY提供給我們一個媒介，讓我們在和父母、情侶、兒女DIY的時候感受“親情”、感受“和諧”。

人類社會進入21世紀(jì)后，信息化浪潮席卷全球，以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)以及3D打印等技術(shù)為代表的先進信息技術(shù)對社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了深刻影響，日益改變著我們的生活方式，并且已經(jīng)影響了學(xué)校教育與人才培養(yǎng)方式。基礎(chǔ)教育逐步信息化的發(fā)展趨勢，反映了信息時代帶來的變化與挑戰(zhàn)。

利用3D打印技術(shù)，我們不用擔(dān)心刻刀會割傷孩子，也不用擔(dān)心木刺刺傷孩子，坐在電腦前就能輕輕松松地完成個人作品設(shè)計、制作，然后再搭建起來。在設(shè)計的過程中可以更加深入地了解個人作品的原理，在搭建的過程中也能了解自身設(shè)計層面的不足，二者相輔相成，促進原創(chuàng)設(shè)計更優(yōu)化，提升自身設(shè)計水平。

教學(xué)目標(biāo)

知識與技能 1.了解什么是液壓傳動。2.知道簡單機械種類。

過程與方法 1.體驗設(shè)計、制作（建模、創(chuàng)意搭建）機械手。2.在交流合作中提升發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力和協(xié)作溝通能力。

情感態(tài)度與價值觀 在設(shè)計、制作和分享的過程中，學(xué)會自主創(chuàng)新，能解決生活中的實際問題。

教學(xué)重點與難點

教學(xué)重點 了解液壓傳動。

教學(xué)難點 組裝搭建機械手。

教學(xué)準(zhǔn)備

針筒，導(dǎo)管，3DOne軟件，3D打印機。

教學(xué)過程

一、課程導(dǎo)入

教師播放機械手視頻。

師：機械是不是很帥？它的功能也很多，這節(jié)課我們來制作一個簡單的機械手。

二、師生討論，思考探究

機械手是一種能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，構(gòu)造和性能上兼有人手和機械手機器各自的優(yōu)點。

機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等行業(yè)。

機械手的機械結(jié)構(gòu)由氣缸（針筒）、氣爪和連接件組成，可按預(yù)定軌跡運動，實現(xiàn)對工件的抓取、搬運和卸載。氣動部分的設(shè)計主要是選擇合適的控制閥，設(shè)計合理的氣動控制回路，通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構(gòu)獲得必要的力、動作速度并且改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作。

氣動技術(shù)，全稱氣壓傳動與控制技術(shù)，是以空氣壓縮機為動力源、以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進行能量傳遞和信息傳遞的工程技術(shù)。氣動技術(shù)是生產(chǎn)過程自動化和機械化的最有效手段之一，具有高速高效、清潔安全、低成本、易維護等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于輕工機械領(lǐng)域中，在食品包裝及生產(chǎn)過程中也正在發(fā)揮越來越重要的作用。

三、教師介紹機械手歷史

機械手配件最先從美國開始研制。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手鉚接機器人。作為機器人產(chǎn)品，最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。

四、教師講解氣壓機械手制作

1.選擇基本實體六面體。（大小要與針筒差不多）

2.選擇草圖中通過點繪制曲線，選擇基本實體圓柱體組合編輯減運算。（形狀沒有任何限制，只要鏡像后可以合在一起即可）

3.選擇基本實體六面體圓角、圓柱體，組合編輯減運算。（六面體的作用是夾住針筒的推桿處，可以通過針筒內(nèi)氣壓的變化移動隨之一起移動，從而實現(xiàn)操控夾子夾住物體或者放下物體。）

4.鏡像。

5.電子模型樣品。

五、組裝搭建

最終成品效果。

六、作品展示環(huán)節(jié)

教師向?qū)W生展示，在教室中利用搭建好的機械手夾取物體，拉動和按下針筒，機械手也相應(yīng)地張開與夾緊。

教學(xué)總結(jié)

課程的靈感來自于在教學(xué)過程中看到部分學(xué)生在竹刻、木刻過程中不小心割傷自己，這樣的DIY讓周邊學(xué)生感到危險，學(xué)生自身也容易產(chǎn)生恐懼從而消極應(yīng)對。有了3D打印技術(shù)，一切都變得不同。利用3D打印不僅能將危險降到最低，而且能鍛煉學(xué)生的動手能力。除此之外，親自參與設(shè)計，更能提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

本課程側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生達到能將創(chuàng)意物化的教育目標(biāo)，強調(diào)學(xué)生可以運用一定的操作技能解決生活中的問題，并通過設(shè)計、制作或裝配等方式將一定的想法或創(chuàng)意付諸實踐，增強實踐創(chuàng)新意識和動手意識，提高創(chuàng)意實踐能力。

通過課程設(shè)計增強學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力，提高分析和解決問題的能力。3D打印課程是在樂趣和知識相互結(jié)合的基礎(chǔ)上，對學(xué)生所學(xué)知識內(nèi)容的基本訓(xùn)練與應(yīng)用。本課程設(shè)計的意義在于：

1.培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識，結(jié)合設(shè)計與實驗過程，在游戲中進一步鞏固和拓展知識領(lǐng)域;

2.培養(yǎng)學(xué)生搜集、閱讀和綜合分析參考資料的能力，能依據(jù)各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書籍編寫技術(shù)文件，提升計算、繪圖等基本技能;

3.幫助學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想及將自己想法付諸實踐的能力。