全国青少年机器人技术等级考试标准

全国青少年机器人技术等级考试标准V2.5（2016年11月第三次修订）中国电子学会普及工作委员会中国电子学会标准认证与应用推广中心全国青少年电子信息科普创新联盟国家教育信息化产业技术创新战略联盟2016年11月说明本标准由中国电子学会标准认证与应用推广中心制定。V1版本由中国电子学会培训认证科普部开发；V2版本由全国青少年电子信息科普创新联盟标准工作组开发，由中国电子学会普及工作委员会审核通过，适用于由中国电子学会举办的全国青少年机器人技术等级考试，由经授权的全国青少年电子信息科普创新教育基地、全国青少年机器人技术等级考试中心承担招生和考试服务工作。本标准旨在激发和培养青少年学习现代机器人技术的热情和兴趣，充分适应我国青少年的认知心理和水平，从力学、机械原理、电子信息和软件技术的入门实践出发，引导青少年建立工程化、系统化的逻辑思维，使青少年机器人技术等级考试更具科普性、趣味性和实践性。本标准不以评价教学为目的，考核内容不是按照学校要求设定，而是从制作机器人所需要的技能和知识，以及国内机器人教育的普及情况而确定，主要以实践应用能力为主。本标准由低到高分为一级至六级。六级及以上与中国电子学会全国电子信息专业技术资格认证（QCEIT）衔接，进入电子信息工程师序列。所有相关本标准的解释权属于中国电子学会。标准工作组成员组长：杨晋副组长：程晨、吴艳光工作专家（按拼音排序）：包明明、蔡志伟、曹盛宏、陈炜、陈愈容、范瑞峰、方明、李庚、李曦、李作林、鲁润泽、罗泰然、施宏伟、王建军、王俊、王海涛、王鹏军、王志军、尤单立、余翀、余文科外方专家（按字母排序）：HermanYu,JesseFlot,PaulCopioli参与单位：北京大学（信息科学技术学院）北京交通大学（电子信息工程学院）北京航空航天大学（电子信息工程学院）清华大学（电子工程系）VEX创首国际Arduino龙湛（上海）信息科技有限公司ARM安谋电子科技（上海）有限公司Microsoft微软（中国）有限公司北京泺喜教育科技有限公司北京童喜同心教育科技有限公司西安乐博士机器人有限公司美科科技（北京）有限公司中科直线（北京）科技传播有限责任公司深圳盛思科教文化有限公司一级标准科目：机器人搭建、机器人常用知识形式：机器人搭建采用实际操作的形式，机器人常用知识采用上机考试形式器材：结构件：能够满足考试要求的结构件均可考核内容：(一)实践1.基本结构认知2.知道六种简单机械原理（杠杆，轮轴，滑轮，斜面，楔，螺旋）3.齿轮和齿轮比4.传动链5.机器人常用底盘(二)知识1.了解主流的机器人影视作品及机器人形象2.会分辨稳定结构和不稳定结构3.会计算齿轮组的变速比例4.能够区分省力杠杆和费力杠杆5.能够区分那种滑轮会省力二级标准科目：机器人搭建、机器人常用知识形式：机器人搭建采用实际操作的形式，机器人常用知识采用上机考试形式器材：结构件：能够满足考试要求的结构件均可电子部分：包含可控制电源通断的电池盒及电机既可考核内容：(一)实践1.使用电池盒类型的遥控器控制电机运转2.能够连接独立的电池盒、开关以及电机3.4.驱动电机完成一定任务(二)知识1.了解中国及世界机器人领域的重要历史事件2.知道机器人领域重要的科学家3.知道重要的机器人理论及相关人物4.三级标准科目：机器人搭建（任务式，编程语言和方式不限）、机器人常用知识、电子电路基础形式：机器人搭建和电子电路基础采用实际操作的形式，机器人常用知识采用上机考试形式器材及软件：结构件：能够满足考试要求的结构件均可核心控制板：开源硬件控制板，包含硬件的原理图、引导程序（如果含）、操作系统（如果含）、开源的开发环境及源码。目前支持的控制板种类及型号，请至官方网站查询。电子部分：与核心控制板配套的电子元件或模块开发软件：能够完成开源硬件控制板程序开发的免费软件即可。目前支持的软件种类及版本，请至官方网站查询。考核内容：(一)电子电路基础这部分实践操作主要在面包板上完成1.能够完成简单的串联、并联电路2.能够搭建简单的环境状态检测感应器3.能够通过可调电阻控制LED的亮度变化或控制电机速度变化(二)语言程序设计1.能够编写简单的顺序结构程序2.完成简单的选择结构程序（只有一个if或一个if/else）3.能够进行数学运算和比较4.能够简单应用图形化编程软件5.实现数字量输入、输出6.实现模拟量输入、输出(三)机器人搭建这部分实践操作主要是搭建能够完成指定任务的机构，与语言程序设计中的内容有部分交叉1.基本传感器应用2.能够进行数学运算和比较3.灵活应用控制器IO口实现数字量输出4.控制机器人平台移动5.实现简单的自律型机器人制作（比如简单避障、单线条巡线）6.能够编写简单的顺序结构程序7.完成简单的选择结构程序（只有一个if或一个if/else）(四)知识1.知道电力、电流、电压、电阻、导体、半导体等概念2.知道串联、并联的概念3.知道模拟量、数字量、IO口输入输出等概念4.了解自律型机器人的行动方式5.知道细分领域的机器人理论及相关人物6.知道LED这种半导体器件是单向导电的7、了解气动原理和相关器件四级标准科目：机器人搭建（任务式，编程语言和方式不限）、机器人常用知识形式：机器人搭建采用实际操作的形式，机器人常用知识采用上机考试形式器材及软件：结构件：能够满足考试要求的结构件均可核心控制板：开源硬件控制板，包含硬件的原理图、引导程序（如果含）、操作系统（如果含）、开源的开发环境及源码。目前支持的控制板种类及型号，请至官方网站查询。电子部分：与核心控制板配套的电子元件或模块开发软件：能够完成开源硬件控制板程序开发的免费软件即可。目前支持的软件种类及版本，请至官方网站查询。考核内容：(一)机器人搭建1.高级传感器认知和应用2.能够通过总线或串行、并行接口获取传感器的采集值3.能够将数据保存在掉电后也不丢失的位置4.能够完成十字路口的巡线动作5.能够完成走迷宫操作6.会使用智能电机、步进电机、伺服电机等器件完成特定的功能。7.能够使用高端遥控器控制模型。(二)语言程序设计1.实现伺服电机控制2.for循环3.while、do-while循环4.switch选择5.UART串行通信6.IIC串行通信7.数组(三)知识1.了解中国及世界机器人领域的知名产品，重大工程项目。2.了解高级传感器的实现原理3.了解计算机组成部分4.知道ROM、RAM、Flash、EEPROM多种存储器之间的不同。5.知道不同串行通信协议之间的区别五级标准科目：机器人搭建（任务式，编程语言和方式不限）、机器人常用知识形式：机器人搭建采用实际操作的形式，机器人常用知识采用上机考试形式器材及软件：结构件：能够满足考试要求的结构件均可核心控制板：开源硬件控制板，包含硬件的原理图、引导程序（如果含）、操作系统（如果含）、开源的开发环境及源码。目前支持的控制板种类及型号，请至官方网站查询。电子部分：与核心控制板配套的电子元件或模块，包含无线通信模块开发软件：能够完成开源硬件控制板程序开发的开源软件即可。目前支持的软件种类及版本，请至官方网站查询。考核内容：(一)机器人搭建1.组网通信应用，能够通过无线通信模块（ZigBee、蓝牙、WiFi等）将多个分散的主体统一规划完成一定特殊任务。2.能够利用广域网络实现智能家居及远程遥控等基于物联网的机器人应用。(二)语言程序设计1.二维数组2.SPI通信3.函数4.类库导入5.对象(三)知识1.了解不同处理器之间的差别2.知道不同无线传输方式的差别3.了解短波、中波、长波通信4.知道C++语言的特点5.结构材料中强度和稳定的概念6.功率计算、电源容量计算六级标准科目：机器人搭建（任务式，编程语言和方式不限）、机器人常用知识、语言程序设计（Arduino、Python、C++三选一）形式：机器人搭建采用实际操作的形式，机器人常用知识和语言程序设计采用上机考试形式器材及软件：结构件：能够满足考试要求的结构件均可核心控制板：开源硬件控制板，包含硬件的原理图、引导程序（如果含）、操作系统（如果含）、开源的开发环境及源码。目前支持的控制板种类及型号，请至官方网站查询。电子部分：与核心控制板配套的电子元件或模块，包含无线通信模块开发软件：能够完成开源硬件控制板程序开发的开源软件即可。目前支持的软件种类及版本，请至官方网站查询。考核内容：(一)机器人搭建1.大型复杂机器人，注重人工智能2.通过视觉识别、机器学习、动态平衡算法等技能实现复杂、智能、动态型机器人创新作品(二)语言程序设计1、类库设计2、继承3、多态(三)知识1.了解不同的拓扑结构以及一些常用的信号处理方式2.了解多种编程语言的形式和特点3.嵌入式系统的概念4.常用嵌入式处理器5.常用嵌入式系统软件6.操作系统原理7.知道进行语音处理的主要公司8.了解常见的机器人操作系统9.控制理论和PID控制全国青少年机器人技术等级考试官方网站（）全国青少年机器人技术等级考试服务网站全国青少年机器人技术等级考试试卷（二级）一、实操模型样例（70分）评分标准：模型框架（15分）a.框架零件的位置（7分）b.螺丝的固定程度（3分）c.框架整体协调性（5分）动力传递和表现形式（20分）a.减小摩擦力的装置（5）b.传动部件和表现部件的位置（5分）c.传递和表现的准确性（5分）模型整体（20分）a.模型整体完整性（5分）b.外形美观（5分）c.模型整体动作顺利流畅（5分）时间a.在规定时间内完成，每超5分钟扣2分（10分）二、简答题（30分）1.请在下面写出该模型的用途（10分）答案：该模型叫做舂米机，它的作用是将稻谷的外壳去掉。2.请下面写出该模型中蕴含的知识点（请同学分条作答，20分）答案：（1）皮带传递动力：皮带可以远距离传递动力；在传递动力过程中会有能量的损失；齿轮相比传递动力不够精准。（5分）（2）减速装置：电机上的小滑轮与轴上的大滑轮通过皮带连接构成了一个减速装置，减速装置可以获得更大的动力。（5分）（3）凸轮装置：由两个大齿轮和一个长螺丝构成了一个凸轮装置，它的作用是使得舂米机的舂头可以上下移动。（10分）全国青少年机器人等级考试一二级内容概述TOC\o"1-3"\h\u一、力的认知 451.1力的介绍 451.2重力 451.3摩擦力 451.4.惯性 46二、简单机械 472.1杠杆 472.2滑轮 482.3功和功率 48三、特殊的结构 493.1凸轮装置 493.1.1定义 493.1.2组成 493.1.3分类 503.1.4运动规律 563.1.5从动件常见运动 563.1.6.特点 583.2曲柄 593.3棘轮 603.3.1定义 603.3.2组成 603.3.3工作原理 603.3.4分类 613.3.5作用 633.4滑杆 643.5连杆装置 64四、机器人通识 644.1机器人的发展 644.2机器人现代发展 664.3机器人基本组成 674.4工业机器人特点 674.5机器人相关电影 68

一、力的认知1.1力的介绍符号：F单位：牛顿N力的效果：可以改变物体的运动状态或改变物体的形态。力的三要素：大小、方向以及作用点1.2重力定义：重力是我们生活中无时无刻都存在的一种力，是由于地球的吸引而受到的力符号：G重心：地球吸引物体的每一个部分，但是对于整个物体，重力作用的表现就好像它作用在物体的一个点上，这个点就是物体的重心。质地均匀外形规则的物体的中心，很容易确定大小：G=mg重力=质量*重力加速度g=9.8N/Kg1.3摩擦力定义：两个相互接触的物体，当它们发生相对运动或者具有相对运动趋势时，在接触面上会产生一种阻碍相对运动的力，这种力叫做摩擦力。影响因素：接触面所受的压力，接触面的粗糙程度。方向：阻碍相对运动或者相对运动趋势。分类：静摩擦，滑动摩擦，滚动摩擦三种摩擦力的区别静摩擦力滑动摩擦力滚动摩擦力力产生的条件1.两物体进行直接接触、挤压2.接触面粗糙3.两物体相对静止4.有相对运动趋势（平行施力，但又没有让物体真正动起来）1.两物体进行直接接触、挤压2.产生相对运动1.物体在平面上进行滚动（每个点都与平面接触，本质是静摩擦，只因物体的几何属性是球体表面力的方向摩擦力总是相反于运动趋势，可用平衡法来判断。可以是阻力，也可以是动力。（走路是利用静摩擦力）摩擦力相反于运动趋势摩擦力相反于运动趋势力的大小利用受力平衡计算重力与表面的粗糙程度F=u·NF是摩擦力u是摩擦因素N是压力滑动摩擦力的1/60～1/401.4.惯性定义：物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质，称为惯性。惯性是物体的一种固有属性二、简单机械2.1杠杆定义：能绕某一固定点转动的杆杠杆原理公式是由阿基米德总结的。阿基米德曾经说过，给我一个支点，我能翘起整个地球。利用的就是杠杆原理。（结合力的三要素扩展）三要素：动力点，支点，阻力点。L1L2平衡条件：阻力*阻力臂=动力*动力臂F1L1=F2LL1L2F1F2L1L2分类条件力矩活动距离(红线部分)生活实例省力杠杆L1<L2F1>F2费距离瓶起子螺丝刀费力杠杆L1>L2F1<F2省距离鱼竿筷子等臂杠杆L1=L2F1=F2不费不省跷跷板天平生活中的杠杆看需求，有时使用费力杠杆，为了省距离。2.2滑轮定滑轮：轴的位置固定不变的滑轮动滑轮：轴的位置随着被拉物体一起运动的滑轮。滑轮分类力大小方向距离本质定滑轮不变改变距离不变等臂杠杆动滑轮力减小一半不变费距离二倍省力杠杆滑轮组：由多个动滑轮和定滑轮组成的机构。2.3功和功率功的定义：一个力作用在物体上，物体在这个力的方向移动了一段距离，这个力的作用就显示出成效，力学里就说这个力做了功。功包含两个必要因素：一个是作用在物体上的力，一个是物体在这个力的方向上移动的距离。大小：功=力*力的方向上移动的距离W=Fs单位：焦耳符号：J1J=1N*m三、特殊的结构3.1凸轮装置3.1.1定义凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构注1：高副机构（简称高副）：在机械工程中，指的是机构的两构件通过点或线的接触而构成的运动副。例如齿轮副和凸轮副注2：低副机构（低副）：通过面的接触而构成的运动副3.1.2组成凸轮：一个具有曲线轮廓或凹槽的构件一般为主动件。等速回转运动（匀速圆周运动）从动件凸轮从动件：传递动力和实现预定的运动规律的构件，一般作连续或间歇性的往复直线运动或摆动。从动件上升的最大距离叫做升程。机架：框架结构。3.1.3分类（1）按凸轮不同：盘形凸轮：最基本的形式，结构简单，应用最为广泛。移动凸轮：凸轮相对机架做直线移动。圆柱凸轮：属于空间凸轮机构。（2）按从动件不同：a.形状不同：尖顶从动件：基本形式优点：能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。缺点：尖端处极易磨损，适用：传力不大的低速机构。滚子从动件：优点：凸轮与从动件之间为滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，用于传递较大的动力，应用较广。适用：中、低速机构。平底从动件：优点：从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑状况好，受力平稳，传动效率高。缺点:与之相配合的凸轮轮廓须全部外凸。适用：高速场合。b.根据运动形式的不同：直动从动件：从动件作往复移动，其尖端的运动轨迹为一段直线。直动从动件又分为两种。对心直动从动件：尖端或滚子中心的轨迹通过凸轮的轴心。偏置直动从动件：尖端或滚子中心的轨迹不通过凸轮的轴心。摆动从动件：从动件作往复摆动，其尖端的运动轨迹为一段圆弧。（3）按高副接触方式不同a、力锁合：重力锁合：依靠重力将从动件恢复原来的状态的锁合方式。弹力锁合:依靠弹力将从动件恢复原来的状态的锁合方式。几何锁合1．槽凸轮机构：槽两侧面的法向距离等于滚子直径。2.主回凸轮机构(共轭凸轮机构)：一个凸轮推动从动件完成正行程运动，另一个凸轮推动从动件完成反行程的运动。3.等径凸轮机构：两滚子中心间的距离始终保持不变。4.等宽凸轮机构：凸轮廓线上任意两条平行切线间的距离都等于框架内侧的宽度。3.1.4运动规律1.凸轮的转速决定从动件运动的快慢。2.凸轮的外廓形状决定从动件的运动规律。（凸轮的外廓形状取决于从动件的运动规律，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了。）3.只要做出适当的凸轮轮廓，就能使从动杆得到任意预定的运动规律。3.1.5从动件常见运动(1)等速运动：特点：行程始末速度有突变，加速度理论上由零变为无穷大，从而使从动件产生巨大的惯性力，机构受到强烈冲击，存在刚性冲击。适应场合：低速轻载(2)等加等减速运动特点：行程始末和中点，加速度突变，存在柔性冲击。适应场合：用于中速轻载。(3)余弦加速运动（简谐运动）特点：有柔性冲击。适应场合：用于中、低速轻载。当从动件作无停歇连续运动时，可用于高速。(4)正弦加速运动（摆线运动）特点：无刚、柔性冲击适用场合：用于高速。3.1.6.特点（1）优点：结构简单、紧凑、设计方便；可以实现任意预定的运动规律；动作准确可靠。（2）缺点：高副接触（点或线）压力较大，点、线接触易磨损；维修困难；凸轮轮廓加工困难，费用较高；行程较短3.2曲柄曲柄滑块结构2.曲柄连杆机构组成:机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组作用：将圆周回转运动变为往复摆动，或者将往复摆动变为圆周回转运动。应用：发动机，自行车，飞剪。3.3棘轮3.3.1定义由棘轮和棘爪组成的一种单向间歇运动机构3.3.2组成棘轮摆杆止回棘爪：静止可靠，防止棘轮反转驱动棘爪（主动棘爪）：3.3.3工作原理主动件空套在与棘轮固连的从动轴上，并与驱动棘爪用转动副相联。当主动件顺时针方向摆动时，驱动棘爪便插入棘轮的齿槽中，使棘轮跟着转过一定角度，此时，止回棘爪在棘轮的齿背上滑动。当主动件逆时针方向转动时，止回棘爪阻止棘轮发生逆时针方向转动，而驱动棘爪却能够在棘轮齿背上滑过，所以，这时棘轮静止不动。因此，当主动件作连续的往复摆动时，3.3.4分类按结构形式：齿式棘轮机构：优点：结构简单，制造方便；动与停的时间比可通过选择合适的驱动机构实现。缺点：动程只能作有级调节；噪音、冲击和磨损较大，故不宜用于高速。摩擦式棘轮机构：优点：用偏心扇形楔块代替齿式棘轮机构中的棘爪，以无齿摩擦代替棘轮。特点是传动平稳、无噪音；动程可无级调节。缺点：靠摩擦力传动，会出现打滑现象，虽然可起到安全保护作用，但是传动精度不高。适用于低速轻载的场合。按啮合方式外啮合棘轮机构特点：加工、安装和维修方便，应用较广。内啮合棘轮机构特点是结构紧凑，外形尺寸小。按从动件运动形式。单动式棘轮机构：当主动件按某一个方向摆动时，才能推动棘轮转动。双动式棘轮机构：在主动摇杆向两个方向往复摆动的过程中，分别带动两个棘爪，两次推动棘轮转动。双动式棘轮机构常用于载荷较大，棘轮尺寸受限，齿数较少，而主动摆杆的摆角小于棘轮齿距的场合。以上介绍的棘轮机构，都只能按一个方向作单向间歇运动。双向式棘轮机构：可通过改变棘爪的摆动方向，实现棘轮两个方向的转动。图示为两种双向式棘轮机构的形式，双向式棘轮机构必须采用对称齿形。3.3.5作用棘轮机构将连续转动或往复运动转换成单向步进运动。常应用于千斤顶，腰带，自行车当中3.4滑杆运动方式为回转体作回转运动，滑块从动，滑杆绕固定轴转动，并始终保持与滑块的共轴关系。应用：古代花轿，缝纫机，3.5连杆装置定义：由若干有确定相对运动的构件用低副联接组成的机构。应用：足式机器人等四、机器人通识4.1机器人的发展机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”1.1910年

捷克斯洛伐克卡雷尔·恰佩克科幻小说创造出“Robot”这个词。2.1911年

美国西屋电气公司家用机器人它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。3.1912年

美国阿西莫夫科幻小说提出“机器人三定律”。后来成为学术界默认的研发原则。4.1954年

美国乔治·德沃尔世界上第一台可编程的机器人Unimate尤尼梅特（即世界上第一台真正的机器人）5.1959年

德沃尔和约瑟夫·英格伯格第一台工业机器人世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。“机器人三原则”：1.机器人不应伤害人类；2.机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；3.机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。6.1966年斯坦福大学人工智能研究中心谢克机器人（ShakeTheRobot）第一台移动机器人它被赋予了有限的观察和环境建模能力，控制它的计算机要填满整个房间。7.1969年日本机器人专家森昌弘“恐怖谷理论”：人形玩具或机器人的仿真度越高，超过95%人们越有好感，但当超过一个临界点时，这种好感度会突然降低，越像人越反感恐惧，直至谷底，称之为恐怖谷。也许正因为如此，许多机器人专家在制造机器人时，都尽量避免“机器人”外表太过人格化，以求避免跌入“恐怖谷陷阱”。4.2机器人现代发展1.国际上的机器人足球比赛分为两大系列RoboCUP（机器人世界杯）和FIRA（微型机器人世界杯足