全國(guó)青少年機(jī)器人等級(jí) 測(cè)試一二級(jí)內(nèi)容的相關(guān)概述.docx

全國(guó)青少年機(jī)器人等級(jí)考試一二級(jí)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(jiǎn)單機(jī)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(yùn)動(dòng)規(guī)律153.1.5 從動(dòng)件常見運(yùn)動(dòng)153.1.6.特點(diǎn)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(jī)器人通識(shí)244.1 機(jī)器人的發(fā)展244.2 機(jī)器人現(xiàn)代發(fā)展264.3 機(jī)器人基本組成274.4 工業(yè)機(jī)器人特點(diǎn)274.5 機(jī)器人相關(guān)電影28 一、力的認(rèn)知 1.1 力的介紹符號(hào)：F 單位：牛頓 N 力的效果：可以改變物體的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)1.2 重力定義：重力是我們生活中無時(shí)無刻都存在的一種力，是由于地球的吸引而受到的力 符號(hào)：G 重心：地球吸引物體的每一個(gè)部分，但是對(duì)于整個(gè)物體，重力作用的表現(xiàn)就好像它作用在物體的一個(gè)點(diǎn)上，這個(gè)點(diǎn)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(gè)相互接觸的物體，當(dāng)它們發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，在接觸面上會(huì)產(chǎn)生一種阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)或者相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。 分類：靜摩擦，滑動(dòng)摩擦，滾動(dòng)摩擦三種摩擦力的區(qū)別靜摩擦力滑動(dòng)摩擦力滾動(dòng)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(duì)靜止 4.有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì) （平行施力，但又沒有讓物體真正動(dòng)起來） 1.兩物體進(jìn)行直接接觸、擠壓 2.產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)1.物體在平面上進(jìn)行滾動(dòng) （每個(gè)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，可用平衡法來判斷?？梢允亲枇?，也可以是動(dòng)力。（走路是利用靜摩擦力）摩擦力相反于運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)摩擦力相反于運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)力的大小利用受力平衡計(jì)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單機(jī)械 2.1 杠桿定義：能繞某一固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)支點(diǎn)，我能翹起整個(gè)地球。利用的就是杠桿原理。（結(jié)合力的三要素?cái)U(kuò)展）三要素：動(dòng)力點(diǎn)，支點(diǎn)，阻力點(diǎn)。 L1L2平衡條件：阻力*阻力臂=動(dòng)力*動(dòng)力臂 F1L1=F2L2（F2為動(dòng)力） F1 F2 L1 L2分類條件力矩活動(dòng)距離(紅線部分)生活實(shí)例省力杠桿 L1F2 費(fèi)距離瓶起子螺絲刀費(fèi)力杠桿L1L2 F1F2 省距離魚竿筷子等臂杠桿L1=L2 F1=F2 不費(fèi)不省 蹺蹺板天平生活中的杠桿看需求，有時(shí)使用費(fèi)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(dòng)滑輪：軸的位置隨著被拉物體一起運(yùn)動(dòng)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(dòng)滑輪力減小一半 不變費(fèi)距離 二倍省力杠桿滑輪組：由多個(gè)動(dòng)滑輪和定滑輪組成的機(jī)構(gòu)。2.3 功和功率功的定義：一個(gè)力作用在物體上，物體在這個(gè)力的方向移動(dòng)了一段距離， 這個(gè)力的作用就顯示出成效，力學(xué)里就說這個(gè)力做了功。 功包含兩個(gè)必要因素：一個(gè)是作用在物體上的力， 一個(gè)是物體在這個(gè)力的方向上移動(dòng)的距離。 大?。汗?力*力的方向上移動(dòng)的距離 W=Fs 單位： 焦耳 符號(hào)：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(jī)構(gòu)是由凸輪，從動(dòng)件和機(jī)架三個(gè)基本構(gòu)件組成的高副機(jī)構(gòu) 注1：高副機(jī)構(gòu)（簡(jiǎn)稱高副）：在機(jī)械工程中，指的是機(jī)構(gòu)的兩構(gòu)件通過點(diǎn)或線的接觸而構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副。例如齒輪副和凸輪副 注2：低副機(jī)構(gòu)（低副）：通過面的接觸而構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副3.1.2 組成 凸輪：一個(gè)具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件 一般為主動(dòng)件。 等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（勻速圓周運(yùn)動(dòng)） 從動(dòng)件 凸輪從動(dòng)件：傳遞動(dòng)力和實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的構(gòu)件，一般作連續(xù)或間歇性的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)。從動(dòng)件上升的最大距離叫做升程。 機(jī)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(jiǎn)單，應(yīng)用最為廣泛。 移動(dòng)凸輪：凸輪相對(duì)機(jī)架做直線移動(dòng)。 圓柱凸輪：屬于空間凸輪機(jī)構(gòu)。（2）按從動(dòng)件不同： a.形狀不同： 尖頂從動(dòng)件：基本形式優(yōu)點(diǎn)：能與任意復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，從而使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)任意的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。缺點(diǎn)：尖端處極易磨損，適用：傳力不大的低速機(jī)構(gòu)。 滾子從動(dòng)件：優(yōu)點(diǎn)：凸輪與從動(dòng)件之間為滾動(dòng)摩擦，因此摩擦磨損較小，用于傳遞較大的動(dòng)力，應(yīng)用較廣。適用：中、低速機(jī)構(gòu)。 平底從動(dòng)件： 優(yōu)點(diǎn)：從動(dòng)件與凸輪之間易形成油膜，潤(rùn)滑狀況好，受力平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高。 缺點(diǎn): 與之相配合的凸輪輪廓須全部外凸。適用：高速場(chǎng)合。b.根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式的不同：直動(dòng)從動(dòng)件：從動(dòng)件作往復(fù)移動(dòng)，其尖端的運(yùn)動(dòng)軌跡為一段直線。直動(dòng)從動(dòng)件又分為兩種。對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件：尖端或滾子中心的軌跡通過凸輪的軸心。偏置直動(dòng)從動(dòng)件：尖端或滾子中心的軌跡不通過凸輪的軸心。擺動(dòng)從動(dòng)件：從動(dòng)件作往復(fù)擺動(dòng)，其尖端的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)件恢復(fù)原來的狀態(tài)的鎖合方式。 幾何鎖合 1槽凸輪機(jī)構(gòu)：槽兩側(cè)面的法向距離等于滾子直徑。 2.主回凸輪機(jī)構(gòu)(共軛凸輪機(jī)構(gòu))：一個(gè)凸輪推動(dòng)從動(dòng)件完成正行程運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)凸輪推動(dòng)從動(dòng)件完成反行程的運(yùn)動(dòng)。v3.等徑凸輪機(jī)構(gòu)：兩滾子中心間的距離始終保持不變。4.等寬凸輪機(jī)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(yùn)動(dòng)規(guī)律1.凸輪的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的快慢。 2.凸輪的外廓形狀決定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（凸輪的外廓形狀取決于從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，只要根據(jù)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線就可以了。）3. 只要做出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞湍苁箯膭?dòng)桿得到任意預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。3.1.5 從動(dòng)件常見運(yùn)動(dòng)(1)等速運(yùn)動(dòng)：特點(diǎn)：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(dòng)件產(chǎn)生巨大的慣性力，機(jī)構(gòu)受到強(qiáng)烈沖擊，存在剛性沖擊。適應(yīng)場(chǎng)合：低速輕載(2)等加等減速運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：行程始末和中點(diǎn)，加速度突變，存在柔性沖擊。適應(yīng)場(chǎng)合：用于中速輕載。(3)余弦加速運(yùn)動(dòng)（簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)）特點(diǎn)：有柔性沖擊。適應(yīng)場(chǎng)合：用于中、低速輕載。當(dāng)從動(dòng)件作無停歇連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可用于高速。 (4)正弦加速運(yùn)動(dòng)（擺線運(yùn)動(dòng)）特點(diǎn)：無剛、柔性沖擊適用場(chǎng)合：用于高速。3.1.6.特點(diǎn) （1）優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、設(shè)計(jì)方便； 可以實(shí)現(xiàn)任意預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律； 動(dòng)作準(zhǔn)確可靠。（2）缺點(diǎn)：高副接觸（點(diǎn)或線）壓力較大，點(diǎn)、線接觸易磨損；維修困難；凸輪輪廓加工困難，費(fèi)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(jī)構(gòu) 組成:機(jī)體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組 作用：將圓周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橥鶑?fù)擺動(dòng)，或者將往復(fù)擺動(dòng)變?yōu)閳A周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 應(yīng)用：發(fā)動(dòng)機(jī)，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(yùn)動(dòng)機(jī)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(dòng)棘爪（主動(dòng)棘爪）：3.3.3 工作原理主動(dòng)件空套在與棘輪固連的從動(dòng)軸上，并與驅(qū)動(dòng)棘爪用轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)。當(dāng)主動(dòng)件順時(shí)針方向擺動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(shí)，止回棘爪在棘輪的齒背上滑動(dòng)。當(dāng)主動(dòng)件逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，止回棘爪阻止棘輪發(fā)生逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)棘爪卻能夠在棘輪齒背上滑過，所以，這時(shí)棘輪靜止不動(dòng)。因此，當(dāng)主動(dòng)件作連續(xù)的往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，3.3.4分類 按結(jié)構(gòu)形式： 齒式棘輪機(jī)構(gòu) ： 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便；動(dòng)與停的時(shí)間比可通過選擇合適的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 缺點(diǎn)：動(dòng)程只能作有級(jí)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(jī)構(gòu) ： 優(yōu)點(diǎn)：用偏心扇形楔塊代替齒式棘輪機(jī)構(gòu)中的棘爪，以無齒摩擦代替棘輪。特點(diǎn)是傳動(dòng)平穩(wěn)、無噪音；動(dòng)程可無級(jí)調(diào)節(jié)。 缺點(diǎn)：靠摩擦力傳動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，雖然可起到安全保護(hù)作用，但是傳動(dòng)精度不高。適用于低速輕載的場(chǎng)合。 按嚙合方式 外嚙合棘輪機(jī)構(gòu) 特點(diǎn)：加工、安裝和維修方便，應(yīng)用較廣。內(nèi)嚙合棘輪機(jī)構(gòu) 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小。 按從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)形式。 單動(dòng)式棘輪機(jī)構(gòu)：當(dāng)主動(dòng)件按某一個(gè)方向擺動(dòng)時(shí)，才能推動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 雙動(dòng)式棘輪機(jī)構(gòu)：在主動(dòng)搖桿向兩個(gè)方向往復(fù)擺動(dòng)的過程中，分別帶動(dòng)兩個(gè)棘爪，兩次推動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 雙動(dòng)式棘輪機(jī)構(gòu)常用于載荷較大，棘輪尺寸受限，齒數(shù)較少，而主動(dòng)擺桿的擺角小于棘輪齒距的場(chǎng)合。 以上介紹的棘輪機(jī)構(gòu)，都只能按一個(gè)方向作單向間歇運(yùn)動(dòng)。 雙向式棘輪機(jī)構(gòu)：可通過改變棘爪的擺動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)棘輪兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。圖示為兩種雙向式棘輪機(jī)構(gòu)的形式，雙向式棘輪機(jī)構(gòu)必須采用對(duì)稱齒形。 3.3.5作用棘輪機(jī)構(gòu)將連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成單向步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。 常應(yīng)用于千斤頂，腰帶，自行車當(dāng)中 3.4 滑桿運(yùn)動(dòng)方式為回轉(zhuǎn)體作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滑塊從動(dòng)，滑桿繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并始終保持與滑塊的共軸關(guān)系。應(yīng)用：古代花轎，縫紉機(jī)，3.5 連桿裝置定義：由若干有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件用低副聯(lián)接組成的機(jī)構(gòu)。應(yīng)用：足式機(jī)器人等四、機(jī)器人通識(shí)4.1 機(jī)器人的發(fā)展機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)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(dòng)。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(xiǎn)的工作。聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的操作機(jī)；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(dòng)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(gè)詞。2. 1911年美國(guó) 西屋電氣公司 家用機(jī)器人它由電纜控制，可以行走，會(huì)說77個(gè)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(duì)家用機(jī)器人的憧憬變得更加具體。 3.1912年美國(guó) 阿西莫夫 科幻小說 提出“機(jī)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(guó) 喬治德沃爾 世界上第一臺(tái)可編程的機(jī)器人Unimate 尤尼梅特（即世界上第一臺(tái)真正的機(jī)器人） 5.1959年德沃爾和約瑟夫英格伯格 第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人世界上第一家機(jī)器人制造工廠Unimation公司。由于英格伯格對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機(jī)器人之父”。 “機(jī)器人三原則”：1.機(jī)器人不應(yīng)傷害人類；2.機(jī)器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；3.機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己，與第一條相抵觸者除外。這是給機(jī)器人賦予的倫理性綱領(lǐng)。機(jī)器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機(jī)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(jī)器人（ShakeTheRobot） 第一臺(tái)移動(dòng)機(jī)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(jì)算機(jī)要填滿整個(gè)房間。7.1969年 日本 機(jī)器人專家 森昌弘 “恐怖谷理論” ：人形玩具或機(jī)器人的仿真度越高，超過95%人們?cè)接泻酶?，但?dāng)超過一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，這種好感度會(huì)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?yàn)槿绱?，許多機(jī)器人專家在制造機(jī)器人時(shí)，都盡量避免“機(jī)器人”外表太過人格化，以求避免跌入“恐怖谷陷阱”。 4.2 機(jī)器人現(xiàn)代發(fā)展 1. 國(guó)際上的機(jī)器人足球比賽分為兩大系列RoboCUP（機(jī)器人世界杯）和FIRA（微型機(jī)器人世界杯足球比賽） （1）機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人比賽 命名RoboCup J聯(lián)賽，隨后，更名機(jī)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(guó)蘇州 第12屆機(jī)器人世界杯 39個(gè)國(guó)家和地區(qū)，321支參賽隊(duì)，1400多名參賽者 （2）微型機(jī)器人世界杯足球比賽（FIRA）1995年 韓國(guó) 科學(xué)技術(shù)院 金鐘煥(JongHwanKim)教授 提出1996年11月 韓國(guó) 首次舉辦了微型機(jī)器人世界杯足球比賽(即FIRAMiroSot96)，以后每年舉辦一次機(jī)器人足球比賽。 2.20世紀(jì)火星探測(cè)器1.2001年4月7日，美國(guó)發(fā)射”2001火星奧德賽號(hào)”探測(cè)器2.2003年美國(guó)發(fā)射兩架火星探測(cè)車， 2014年初成功登陸 ，分別是勇氣號(hào)(Spirit, MER-A) 機(jī)遇號(hào)(Opportunity, MER-B)4.3 機(jī)器人基本組成 1. 機(jī)器人系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)：機(jī)械部分、傳感部分、控制部分 機(jī)器人是綜合微電子技術(shù)，自動(dòng)化控制技術(shù)，機(jī)械學(xué)，計(jì)算機(jī) 等學(xué)科綜合成果。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息并能將感受到