全國青少年機器人等級 測試一二級內(nèi)容的相關(guān)概述.docx

全國青少年機器人等級考試一二級內(nèi)容概述一、力的認(rèn)知31.1 力的介紹31.2 重力31.3摩擦力31.4.慣性4二、簡單機械52.1 杠桿52.2 滑輪62.3 功和功率6三、特殊的結(jié)構(gòu)73.1 凸輪裝置73.1.1 定義73.1.2 組成73.1.3 分類83.1.4 運動規(guī)律153.1.5 從動件常見運動153.1.6.特點183.2 曲柄183.3棘輪193.3.1定義193.3.2組成193.3.3 工作原理193.3.4分類203.3.5作用233.4 滑桿243.5 連桿裝置24四、機器人通識244.1 機器人的發(fā)展244.2 機器人現(xiàn)代發(fā)展264.3 機器人基本組成274.4 工業(yè)機器人特點274.5 機器人相關(guān)電影28 一、力的認(rèn)知 1.1 力的介紹符號：F 單位：牛頓 N 力的效果：可以改變物體的運動狀態(tài)或改變物體的形態(tài)。力的三要素：大小、方向以及作用點1.2 重力定義：重力是我們生活中無時無刻都存在的一種力，是由于地球的吸引而受到的力 符號：G 重心：地球吸引物體的每一個部分，但是對于整個物體，重力作用的表現(xiàn)就好像它作用在物體的一個點上，這個點就是物體的重心。質(zhì)地均勻外形規(guī)則的物體的中心，很容易確定 大?。篏=mg 重力=質(zhì)量*重力加速度 g=9.8N/Kg 1.3摩擦力定義：兩個相互接觸的物體，當(dāng)它們發(fā)生相對運動或者具有相對運動趨勢時，在接觸面上會產(chǎn)生一種阻礙相對運動的力，這種力叫做摩擦力。 影響因素：接觸面所受的壓力，接觸面的粗糙程度。 方向：阻礙相對運動或者相對運動趨勢。 分類：靜摩擦，滑動摩擦，滾動摩擦三種摩擦力的區(qū)別靜摩擦力滑動摩擦力滾動摩擦力力產(chǎn)生的條件1.兩物體進(jìn)行直接接觸、擠壓 2.接觸面粗糙 3.兩物體相對靜止 4.有相對運動趨勢 （平行施力，但又沒有讓物體真正動起來） 1.兩物體進(jìn)行直接接觸、擠壓 2.產(chǎn)生相對運動1.物體在平面上進(jìn)行滾動 （每個點都與平面接觸，本質(zhì)是靜摩擦，只因物體的幾何屬性是球體表面力的方向摩擦力總是相反于運動趨勢，可用平衡法來判斷?？梢允亲枇?，也可以是動力。（走路是利用靜摩擦力）摩擦力相反于運動趨勢摩擦力相反于運動趨勢力的大小利用受力平衡計算重力與表面的粗糙程度 F=uN F是摩擦力 u是摩擦因素 N是壓力滑動摩擦力的1/601/401.4.慣性定義： 物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì)，稱為慣性。慣性是物體的一種固有屬性二、簡單機械 2.1 杠桿定義：能繞某一固定點轉(zhuǎn)動的桿杠桿原理公式是由阿基米德總結(jié)的。阿基米德曾經(jīng)說過，給我一個支點，我能翹起整個地球。利用的就是杠桿原理。（結(jié)合力的三要素擴展）三要素：動力點，支點，阻力點。 L1L2平衡條件：阻力*阻力臂=動力*動力臂 F1L1=F2L2（F2為動力） F1 F2 L1 L2分類條件力矩活動距離(紅線部分)生活實例省力杠桿 L1F2 費距離瓶起子螺絲刀費力杠桿L1L2 F1F2 省距離魚竿筷子等臂杠桿L1=L2 F1=F2 不費不省 蹺蹺板天平生活中的杠桿看需求，有時使用費力杠桿，為了省距離。2.2 滑輪定滑輪：軸的位置固定不變的滑輪 動滑輪：軸的位置隨著被拉物體一起運動的滑輪。 滑輪分類 力大小 方向 距離 本質(zhì)定滑輪 不變 改變距離不變等臂杠桿動滑輪力減小一半 不變費距離 二倍省力杠桿滑輪組：由多個動滑輪和定滑輪組成的機構(gòu)。2.3 功和功率功的定義：一個力作用在物體上，物體在這個力的方向移動了一段距離， 這個力的作用就顯示出成效，力學(xué)里就說這個力做了功。 功包含兩個必要因素：一個是作用在物體上的力， 一個是物體在這個力的方向上移動的距離。 大小：功=力*力的方向上移動的距離 W=Fs 單位： 焦耳 符號：J 1 J=1 N*m三、特殊的結(jié)構(gòu) 3.1 凸輪裝置3.1.1 定義凸輪機構(gòu)是由凸輪，從動件和機架三個基本構(gòu)件組成的高副機構(gòu) 注1：高副機構(gòu)（簡稱高副）：在機械工程中，指的是機構(gòu)的兩構(gòu)件通過點或線的接觸而構(gòu)成的運動副。例如齒輪副和凸輪副 注2：低副機構(gòu)（低副）：通過面的接觸而構(gòu)成的運動副3.1.2 組成 凸輪：一個具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件 一般為主動件。 等速回轉(zhuǎn)運動（勻速圓周運動） 從動件 凸輪從動件：傳遞動力和實現(xiàn)預(yù)定的運動規(guī)律的構(gòu)件，一般作連續(xù)或間歇性的往復(fù)直線運動或擺動。從動件上升的最大距離叫做升程。 機架：框架結(jié)構(gòu)。3.1.3 分類 （1） 按凸輪不同： 盤形凸輪：最基本的形式，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用最為廣泛。 移動凸輪：凸輪相對機架做直線移動。 圓柱凸輪：屬于空間凸輪機構(gòu)。（2）按從動件不同： a.形狀不同： 尖頂從動件：基本形式優(yōu)點：能與任意復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，從而使從動件實現(xiàn)任意的運動規(guī)律。缺點：尖端處極易磨損，適用：傳力不大的低速機構(gòu)。 滾子從動件：優(yōu)點：凸輪與從動件之間為滾動摩擦，因此摩擦磨損較小，用于傳遞較大的動力，應(yīng)用較廣。適用：中、低速機構(gòu)。 平底從動件： 優(yōu)點：從動件與凸輪之間易形成油膜，潤滑狀況好，受力平穩(wěn)，傳動效率高。 缺點: 與之相配合的凸輪輪廓須全部外凸。適用：高速場合。b.根據(jù)運動形式的不同：直動從動件：從動件作往復(fù)移動，其尖端的運動軌跡為一段直線。直動從動件又分為兩種。對心直動從動件：尖端或滾子中心的軌跡通過凸輪的軸心。偏置直動從動件：尖端或滾子中心的軌跡不通過凸輪的軸心。擺動從動件：從動件作往復(fù)擺動，其尖端的運動軌跡為一段圓弧。 （3）按高副接觸方式不同 a、力鎖合： 重力鎖合：依靠重力將從動件恢復(fù)原來的狀態(tài)的鎖合方式。彈力鎖合: 依靠彈力將從動件恢復(fù)原來的狀態(tài)的鎖合方式。 幾何鎖合 1槽凸輪機構(gòu)：槽兩側(cè)面的法向距離等于滾子直徑。 2.主回凸輪機構(gòu)(共軛凸輪機構(gòu))：一個凸輪推動從動件完成正行程運動，另一個凸輪推動從動件完成反行程的運動。v3.等徑凸輪機構(gòu)：兩滾子中心間的距離始終保持不變。4.等寬凸輪機構(gòu)：凸輪廓線上任意兩條平行切線間的距離都等于框架內(nèi)側(cè)的寬度。3.1.4 運動規(guī)律1.凸輪的轉(zhuǎn)速決定從動件運動的快慢。 2.凸輪的外廓形狀決定從動件的運動規(guī)律。（凸輪的外廓形狀取決于從動件的運動規(guī)律，只要根據(jù)從動件的運動規(guī)律來設(shè)計凸輪的輪廓曲線就可以了。）3. 只要做出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，就能使從動桿得到任意預(yù)定的運動規(guī)律。3.1.5 從動件常見運動(1)等速運動：特點：行程始末速度有突變，加速度理論上由零變?yōu)闊o窮大，從而使從動件產(chǎn)生巨大的慣性力，機構(gòu)受到強烈沖擊，存在剛性沖擊。適應(yīng)場合：低速輕載(2)等加等減速運動特點：行程始末和中點，加速度突變，存在柔性沖擊。適應(yīng)場合：用于中速輕載。(3)余弦加速運動（簡諧運動）特點：有柔性沖擊。適應(yīng)場合：用于中、低速輕載。當(dāng)從動件作無停歇連續(xù)運動時，可用于高速。 (4)正弦加速運動（擺線運動）特點：無剛、柔性沖擊適用場合：用于高速。3.1.6.特點 （1）優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便； 可以實現(xiàn)任意預(yù)定的運動規(guī)律； 動作準(zhǔn)確可靠。（2）缺點：高副接觸（點或線）壓力較大，點、線接觸易磨損；維修困難；凸輪輪廓加工困難，費用較高；行程較短3.2 曲柄曲柄滑塊結(jié)構(gòu) 2. 曲柄連桿機構(gòu) 組成:機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組 作用：將圓周回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橥鶑?fù)擺動，或者將往復(fù)擺動變?yōu)閳A周回轉(zhuǎn)運動。 應(yīng)用：發(fā)動機，自行車，飛剪。3.3棘輪3.3.1定義由棘輪和棘爪組成的一種單向間歇運動機構(gòu)3.3.2組成 棘輪 擺桿 止回棘爪：靜止可靠，防止棘輪反轉(zhuǎn) 驅(qū)動棘爪（主動棘爪）：3.3.3 工作原理主動件空套在與棘輪固連的從動軸上，并與驅(qū)動棘爪用轉(zhuǎn)動副相聯(lián)。當(dāng)主動件順時針方向擺動時，驅(qū)動棘爪便插入棘輪的齒槽中，使棘輪跟著轉(zhuǎn)過一定角度，此時，止回棘爪在棘輪的齒背上滑動。當(dāng)主動件逆時針方向轉(zhuǎn)動時，止回棘爪阻止棘輪發(fā)生逆時針方向轉(zhuǎn)動，而驅(qū)動棘爪卻能夠在棘輪齒背上滑過，所以，這時棘輪靜止不動。因此，當(dāng)主動件作連續(xù)的往復(fù)擺動時，3.3.4分類 按結(jié)構(gòu)形式： 齒式棘輪機構(gòu) ： 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便；動與停的時間比可通過選擇合適的驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)。 缺點：動程只能作有級調(diào)節(jié)；噪音、沖擊和磨損較大，故不宜用于高速。 摩擦式棘輪機構(gòu) ： 優(yōu)點：用偏心扇形楔塊代替齒式棘輪機構(gòu)中的棘爪，以無齒摩擦代替棘輪。特點是傳動平穩(wěn)、無噪音；動程可無級調(diào)節(jié)。 缺點：靠摩擦力傳動，會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，雖然可起到安全保護(hù)作用，但是傳動精度不高。適用于低速輕載的場合。 按嚙合方式 外嚙合棘輪機構(gòu) 特點：加工、安裝和維修方便，應(yīng)用較廣。內(nèi)嚙合棘輪機構(gòu) 特點是結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小。 按從動件運動形式。 單動式棘輪機構(gòu)：當(dāng)主動件按某一個方向擺動時，才能推動棘輪轉(zhuǎn)動。 雙動式棘輪機構(gòu)：在主動搖桿向兩個方向往復(fù)擺動的過程中，分別帶動兩個棘爪，兩次推動棘輪轉(zhuǎn)動。 雙動式棘輪機構(gòu)常用于載荷較大，棘輪尺寸受限，齒數(shù)較少，而主動擺桿的擺角小于棘輪齒距的場合。 以上介紹的棘輪機構(gòu)，都只能按一個方向作單向間歇運動。 雙向式棘輪機構(gòu)：可通過改變棘爪的擺動方向，實現(xiàn)棘輪兩個方向的轉(zhuǎn)動。圖示為兩種雙向式棘輪機構(gòu)的形式，雙向式棘輪機構(gòu)必須采用對稱齒形。 3.3.5作用棘輪機構(gòu)將連續(xù)轉(zhuǎn)動或往復(fù)運動轉(zhuǎn)換成單向步進(jìn)運動。 常應(yīng)用于千斤頂，腰帶，自行車當(dāng)中 3.4 滑桿運動方式為回轉(zhuǎn)體作回轉(zhuǎn)運動，滑塊從動，滑桿繞固定軸轉(zhuǎn)動，并始終保持與滑塊的共軸關(guān)系。應(yīng)用：古代花轎，縫紉機，3.5 連桿裝置定義：由若干有確定相對運動的構(gòu)件用低副聯(lián)接組成的機構(gòu)。應(yīng)用：足式機器人等四、機器人通識4.1 機器人的發(fā)展機器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！?. 1910年捷克斯洛伐克 卡雷爾恰佩克 科幻小說 創(chuàng)造出“Robot”這個詞。2. 1911年美國 西屋電氣公司 家用機器人它由電纜控制，可以行走，會說77個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn)。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。 3.1912年美國 阿西莫夫 科幻小說 提出“機器人三定律”。后來成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則。 4.1954年美國 喬治德沃爾 世界上第一臺可編程的機器人Unimate 尤尼梅特（即世界上第一臺真正的機器人） 5.1959年德沃爾和約瑟夫英格伯格 第一臺工業(yè)機器人世界上第一家機器人制造工廠Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機器人之父”。 “機器人三原則”：1.機器人不應(yīng)傷害人類；2.機器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；3.機器人應(yīng)能保護(hù)自己，與第一條相抵觸者除外。這是給機器人賦予的倫理性綱領(lǐng)。機器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機器人開發(fā)的準(zhǔn)則。 6.1966年 斯坦福大學(xué)人工智能研究中心 謝克機器人（ShakeTheRobot） 第一臺移動機器人 它被賦予了有限的觀察和環(huán)境建模能力，控制它的計算機要填滿整個房間。7.1969年 日本 機器人專家 森昌弘 “恐怖谷理論” ：人形玩具或機器人的仿真度越高，超過95%人們越有好感，但當(dāng)超過一個臨界點時，這種好感度會突然降低，越像人越反感恐懼，直至谷底，稱之為恐怖谷。也許正因為如此，許多機器人專家在制造機器人時，都盡量避免“機器人”外表太過人格化，以求避免跌入“恐怖谷陷阱”。 4.2 機器人現(xiàn)代發(fā)展 1. 國際上的機器人足球比賽分為兩大系列RoboCUP（機器人世界杯）和FIRA（微型機器人世界杯足球比賽） （1）機器人世界杯（RoboCup） 1992年 加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)教授 Alan Mackworth 提出機器人進(jìn)行足球比賽（提出概念） 1992年10月 日本 草擬了規(guī)則和足球機器人和模擬系統(tǒng)的開發(fā)原型。（原型） 1993年6月 日本 創(chuàng)辦機器人比賽 命名RoboCup J聯(lián)賽，隨后，更名機器人世界杯 RoboCup 。（創(chuàng)辦） 1997年8月23-29日 日本名古屋 舉行比賽 （首屆比賽） 2008年6月 中國蘇州 第12屆機器人世界杯 39個國家和地區(qū)，321支參賽隊，1400多名參賽者 （2）微型機器人世界杯足球比賽（FIRA）1995年 韓國 科學(xué)技術(shù)院 金鐘煥(JongHwanKim)教授 提出1996年11月 韓國 首次舉辦了微型機器人世界杯足球比賽(即FIRAMiroSot96)，以后每年舉辦一次機器人足球比賽。 2.20世紀(jì)火星探測器1.2001年4月7日，美國發(fā)射”2001火星奧德賽號”探測器2.2003年美國發(fā)射兩架火星探測車， 2014年初成功登陸 ，分別是勇氣號(Spirit, MER-A) 機遇號(Opportunity, MER-B)4.3 機器人基本組成 1. 機器人系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)：機械部分、傳感部分、控制部分 機器人是綜合微電子技術(shù)，自動化控制技術(shù)，機械學(xué)，計算機 等學(xué)科綜合成果。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息并能將感受到