中小学机器人教学中应注重的基本结构原理和机械原理
第一篇：中小学机器人教学中应注重的基本结构原理和机械原理
中小学机器人教学中应注重的基本结构原
理和机械原理
近年来以机器人竞赛为动力, 以培养学生的动手能力、创新思维能力为目标的中小学机器人活动在我市许多学校相继开展了。机器人教学作为中小学信息技术课程的发展方向，越来越受到重视。
机器人科学是集机械、结构、动力、电路、传感器、控制、算法等为一体的新兴学科，所以机器人从宏观上又分为了机器人硬件和机器人软件两个部分。机器人硬件活动主要培养锻炼学生的动手与实践能力，在我的机器人兴趣小组活动中，每节课我都会安排一定时间让学生动手搭建机器人的机械结构和传感器电路，让他们熟练使用常用的工具，比如钳子、螺丝刀、剥线钳、万用表等。课堂最后让学生自己调试程序，观察机器人的运行情况，然后修改完善程序。在不知不觉中，学生的动手能力得到了很大的提高。机器人软件部分主要涵盖程序的编写，机
器人的运行是程序执行的结果，学生通过编写程序让机器人按照任务要求完成某一个动作，这个程序是事先在学生的大脑中“执行”过的。程序从简单到复杂，从单一到多元，学生的逻辑思维能力可以得到很好的锻炼和提高。
在中小学阶段机器人教学中是以机器人硬件（及结构、机械、动力等）为主，还是以机器人软件（及机器人程序的编写）为主呢？首先兴趣是一个人最好的老师，在中小学阶段培养学生对机器人科学的兴趣是最主要的前提和目标，所以根据中小学生现阶段发展特点，让
学生参与各种机器人的兴趣活动，在兴趣活动中让学生自己动手实践，设计制作机器人这样能更有效的提高学生对机器人的学习兴趣。
在机器人硬件中也包含了机械、结构、动力、电路、传感器等各类知识。在中小学阶段的机器人教学中如何让学生掌握这些知识是我们应该深入研究的。不管是多么复杂精密的机械和结构，都是从最基本的机械和结构原理发展而来的。就像我们在大学学到的数学知识也是从小学的1+1最简单的基本知识积累而来一样。所以掌握最基本的原理性知识更有助于为学生打下良好的基础。
我于2005年开始从事青少年机器人创新实践活动的教学工作，根据多年的教学经验总结了一些在中小学阶段应该让学生掌握的最基本的结构原理和机械原理。
一、基本结构原理
1、平衡和重心：平衡是两个或两个以上的力作用于一个物体上，各个力互相抵消，使物体成相对的静止状态。亦泛指平稳，稳定。重心是一个物体的各部分都要受到重力的作用。从效果上看，我们可以认为各部分受到的重力作用集中于一点，这一点叫做物体的重心。如何使机器人的平衡达到最佳状态，是个很重要的问题。由于机器人臂杆的重心不通过其转轴，因而产生偏重力矩，它随着机器人臂杆运动的位置、速度以及加速度的不同不断变化。这对机器人的运动学、动力学特性都有很大的影响，因此，机器人应具有良好的平衡。良好的平衡对改善和提高机器人的性能起着至关重要的作用。首先平衡有利于控制和改善机器人的动力学特性，提高运行精度，其次，还可以减
少传动载荷和摩擦力。在我们的实际教学中经常出现这样的情况。第一机器人在直线行走的过程中始终会出现左偏或右偏的情况。第二机器人在上坡过程中出现翻倒情况。第三机器人臂杆在运动过程中出现翻倒情况。以上情况都和机器人平衡状态不好有关，平衡不好造成机
器人重心偏移，机器人在运动过程中就会出现这样或那样的问题，所以应将平衡和重心的概念贯穿整个机器人的教学过程。
2、力量：力是物体之间的相互作用，是使物体获得加速度和发生形变的外因。力有三个要素，即力的大小、方向和作用点。在我们的机器人运动过程中会出现各种各样的力，在其中最重要的是动力和摩擦力。机器人的动力在我们的中小学机器人活动中主要是由各种类型的马达来提供。如现在常用的马达和伺服马达，马达即我们通常说的直流马达在机器人运动中主要提供前进（马达正转）、后退（马达反转）和刹车（马达停转）功能。伺服马达本质上是一个可定位的马达，主要用作运动方向的控制部件。当伺服马达接受到一个位置指令时，它就会运动到指定的位置，成为一个可控的运动关节，具有大扭力、控制简单的特点，可适用于创意、人形机器人模型、航模等需精确定位的项目。当然不管是马达还是伺服马达如何运用最终还是要根据机器人的设计来确定。如直流马达通过一些机械装置和程序的设计也能实现伺服马达的精确定位功能。摩擦力是两个表面接触的物体相互运动时或有运动趋势时互相施加的一种物理力。在我们的机器人运动中摩擦力有时需要加大有时需要避免，如机器人在上坡和转弯过程中应增加摩擦力，在一些机械连动装置中应减小或避免摩擦力。让学生认
识各种各样的力有助于学生对机器人的设计和制作，更能帮助学生掌握这种最基本的物理知识。
3、轮子和轴：轮子，是用不同材料制成的圆形滚动物体。简单来说，它包括轮子的外圈、与外圈相连接的辐条和中心轴。透过滚动，轮子可以大大的减少与接触面的磨擦系数。轴，是穿在轴承中间或车轮中间或齿轮中间的物件。轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。机器中作回转运动的零件就装在轴上。在我们的机器人制作过程中学生往往只注重轮子的选择和安装，而忽略了轴的重要性。如在我的机器人活动中经常出现这样的情况，学生选择了两个最大的轮子在安装过程中用一根轴将两个轮子和两个马达连接在一起，机器人运动过程中当两个马达运动方向相同时机器人能动，但当两个马达运动方向相反或有差异时机器人就会出现问题。所以应对学生强调轮子的转动是由于轴转动而传递出的动力。
二、基本机械原理
在中小学的机器人活动中齿轮是使用最广变化组合最丰富的机械零件。首先，齿轮是轮缘上有齿能连续啮合传递运动和动力的机械元件。其次，齿轮是将旋转运动从一根轴传递到另一
根轴的装置。在中小学机器人活动中让学生掌握一些齿轮使用的基本原理和基本组合，能丰富我们的机器人教学活动。
1、齿数比：只要数出每个齿轮的齿数，用输出齿轮的齿数除以输入齿轮的齿数，我们就能计算出齿数比。例如，输入齿轮是8个齿、输出齿轮是24个齿，那么齿数比就是24/8=3。标准表达方法是用与
1相比较的带分号表达式，写成3:1。
齿数比3:1是什么意思呢？首先，这是轴的转速比，齿数少的齿轮转的更快些，在这个例子里，8齿齿轮的速度是24齿齿轮的3倍。其次，扭矩比与齿数比是反比例关系，在这个例子里，8齿齿轮的扭矩是24齿齿轮的1/3。
当你使用齿轮提高转速时，扭矩会减小，这叫做“齿轮增速”，可以用这种方式来保护下游的组件，使其免受电机大扭矩的冲击，也能增加机器人的速度。当使用齿轮降低转速时，扭矩会增大，这叫做“齿轮减速”，可以使用这种方法增加机器人力量，如利用小电机或曲柄来提升重物。在我们的生活中汽车上坡为什么要用低速档，平路要用高速档也是这个道理。有时，
我们也会选择既不增速、也不减速，只是使用齿轮将扭矩从一点传递到另一点，在这一过程中转速和扭矩都不会发生变化。
2、直齿轮：直齿轮用于两根平行的轴上。下图中，安装在绿轴上的灰齿轮是驱动轮，安装在黄轴上的红齿轮是从动轮。注意，这两个齿轮的速度比是3:2，这和它们的齿数比24:16是一样的。再注意，齿轮上每个齿的轮廓不是平直的，我们称之为渐开线，这种形状可以使齿轮做相对的转动，而不是滑动，这样可以最大限度地减少摩擦力，提高传动效率。我们还会看到，每根轴都有两个支撑作用。一般来说，每根轴至少需要2个轴承支撑来平衡齿轮的载荷。轴承越靠近齿轮，其支撑作用就越有效。在齿轮的两侧设置支撑轴承（就像蓝的砖块）效果要好于把轴承设置在齿轮的一侧。一对直齿轮的作
用之一，就是让输出轴与输入轴以反方向做旋转运动。直齿轮是我们在机器人制作中最常见的齿轮组合。
3、锥齿轮：锥齿轮用在两根轴不平行的情况中。锥齿轮可以在两根轴成任意角度的情况下使用。下图中，安装在黄轴上的红齿轮是驱动轮，安装在绿轴上的蓝齿轮是从动轮。两个齿轮的齿数相同，这两根轴的转动速度也相同。锥齿轮的轮齿形状复杂，在支撑轴
机器人编程培训心得体会上产生的力也很复杂。因此，相对于直齿轮来说，在锥齿轮的支撑轴上使用合适的轴承更为重要。一般来说，每根轴至少需要2个轴承支撑来平衡齿轮的载荷。轴承越靠近齿轮，其支撑作用就越有效。下图中，使用了一个特殊的齿轮箱来实现这个支撑作用。在我们的机器人活动中如果要改变动力的输出方向就要使用锥齿轮。
4、涡轮：可以把涡轮想象成只有1个齿的齿轮。在我们的机器
人中涡轮是与直齿轮配合使用的，两根轴相互垂直。涡轮具有一些和其他齿轮不同的特性。首先，涡轮只有1个齿，涡轮组的齿数比就是配合齿轮的齿数，如，1个涡轮和40齿的直齿轮配合使用，齿数比就是40:1，因此使用涡轮可以实现很大程度的减速。其次，与其它齿轮相比，涡轮的摩擦力较大（传动效率也较低），这是因为涡轮的齿面与相配合的齿轮齿面之间是滑动摩擦，负载越大，摩擦力也越大。最后，涡轮不能被反向驱动。下图中，是绿轴上的蜗轮在驱动红轴上的蓝直齿轮，但是如果你转动红轴，蜗轮是无法被驱动的。这个特点在需要锁止位置的场合很有用，比如升降闸门时。