2024年青少年机器人技术等级考试一级

考试服务中心：考试服务中心：考试時间：实际操作考试试卷考生姓名：证件编号：□□□□□□□□□□□□□□□□□□模型样例手動風扇作品简答（30分）請在下面写出起重机用途？（5分）2、請写出该模型中蕴含的知识點？（25分）参照答案：简答題1、請在下面写出風扇的用途（5分）答案：風扇是指热天借以生風取凉的用品。用電或者手動驱動使扇叶進行转動，转化成自然風来到达乘凉效果。2、請在下面写出该模型中蕴含的知识點（請同學分条作答，25分）(1)列表写出加速传動与減速传動中、半径，齿数，转速和传動力的关系。（15分）已知：小齿轮与大齿轮的的半径比為1:3.齿轮啮合半径齿数转速传動力作用大齿轮带動小齿轮3:13:1加速1:3变小3:1加速装置小齿轮带動大齿轮1:31:3減速3:1变大1:3減速装置(3)模型中把手处运用的是哪种简朴机械（10分）答：轮轴。轮轴由轮和轴构成，能绕共同轴线旋转的机械，叫做轮轴。外环叫轮，内环叫轴。轮轴两個环是同心圆。轮轴的实质：可以持续旋转的杠杆。動力作用在轮上，则轮轴為省力杠杆，轮和轴的半径相差越大则越省力，但越费距离。動力作用在轴上则轮轴為费力杠杆，轮和轴的半径相差越大则费力，但越省距离。作品展示（70）整体框架(30)動力传递/体現形式(30)简答(30)完毕時间(10)合计评分(100)考核员签字請在规定期间内，完毕作品搭建调试，并将身份证件及作品置于如下虚线框中，由考核员現場拍摄照片。考核员拍摄作品照片時考核员拍摄作品照片時請将考生身份证件置于此框内考核员拍摄作品照片時請将作品置于此框内（如作品较大，請保证摆放位置不超過上边框及左边框）考核员拍摄作品照片時請将作品置于此框内（如作品较大，請保证摆放位置不超過上边框及左边框）作品摆放位置上限作品摆放位置上限作品摆放位置左限作品摆放位置左限

乐高机器人---运動篇8.1简介

灵活的思维造就出了許許多多的机器人，运動使发明物获得了生命，带来無限的乐趣，同步也對自已的发明力進行了挑战。大多数运動机器人都属于轮子型与腿型机器人。虽然轮子在光滑的表面很有效，不過在凹凸不平的地面上运動，腿提供了更有力的方式。底盘构造是為了突出显示它們的传動系统和连接状况，因此，在实际搭建中還需對此构造加固。8.2简朴的差動装置

机器人具有诸多長处（尤其具有简朴性），至少在乐高的可移動机器人中常用到此构造。差動装置由机器人两边两個平行的驱動轮构成，單独提供動力，此外有一种或多种轮脚（萬向轮）用于支撑重量并不是没有作用（图8.1）。注意我們称這個装置為差動装置是由于机器人的运動矢量是由两個独立部件产生的（它与差速齿轮没有关系，此装置上没有使用差速齿轮）。

當两個驱動轮以相似方向、相似速度转動時，机器人作直线运動。假如两個轮子转動速度相似，但方向相反時，机器人會绕著连接两轮线段的中心點旋转。根据轮子不一样的转向，表8.1列出了机器人的不一样运動状态。

图8.1简朴差動装置表8.1轮子不一样的旋转方向产生不一样的运動状态左轮右轮机器人停止停止停止停止向前转動绕著左轮逆時针转動停止向後转動绕著左轮顺時针转動向前转動停止绕著右轮顺時针转動向前转動向前转動向前运動向前转動向後转動原地顺時针旋转向後转動停止绕著右轮逆時针转動向後转動向前转動原地逆時针旋转向後转動向後转動向後运動

组合不一样方向和速度，机器人可以做任意半径的旋转。由于它的灵活性、及原地旋转的功能成為許多工程的教學器具。此外，由于它很轻易实現，因此乐高有二分之一以上的运動机器人属于此构造。

假如你想跟踪机器人的位置，那差動装置又是比很好的选择，仅仅需要简朴的数學知识。這种构造只有一种弊端：它不能保证机器人笔直的运動，由于两個馬达的功能總有差异，一种轮子會比此外一种轮子转動的快一點，因此使得机器人略微偏左或偏右。在某些应用中這中状况不會有問題，可以通過编程来防止，例如使机器人沿线走或在迷宫中寻找路线行走，不過让机器人在空地上走直线恐怕不行。8.2.1直线运動

使用简朴差動装置有許多措施可以保持直线行走，最简便的方式是选择两個速度相近的馬达。假如你有两個以上的馬达，尽量找两個速度最匹配的馬达，這种方式也不能保证机器人走直线，但至少能減小走偏的状况。

另一种简朴的措施是通過软件调整速度。在第3章简介過程序能控制每個馬达的速度，在程序中选择最有效的能量等级直到合适為止，這种措施的問題在于机器人负载发生变化，两馬达速度需重新调整。

使用传感器让机器人直线运動让机器人直线运動的一种更有效果的措施是在系统中加入反馈装置。從而，根据外界的变化，使用传感器来控制和调整每一种馬达的速度，這也是現实生活中大多数差動装置所具有的的构造。可认為每一种驱動轮附加计转器（测量轮子旋转次数）装置，以便在软件中控制馬达功赔偿两轮间的转速差。乐高角度传感器在此应用中可以作為首选。在每一种轮子上安装一种角度传感器并测量计数的差异，然後停止或減少较快的轮子以保持两個传感器的计数相似。同步還可以使用在第四章中简介的措施。使用同样的传感器来探测障碍物，假如馬达启動但轮子不转，可推断机器人被某物卡住了。此外你也可使用角度传感器实現精确角度定位。最终，角度传感器提供了最基本功能：使用odometry技术让机器人计算出自已的位置。

使用齿轮让机器人直线运動假如你只有一种角度传感器，可以使用驱動轮之间的速度差取代轮子的实际转速，差速齿轮，你能使用它加或減。假如差動齿轮与驱動齿轮连在一起，它會把传動方式传递給另一种齿轮。當轮子以同速转動時差動齿轮将停止转動。

假如两轮的速度有任何的差异，差動齿轮的转動和它的方向将告知你哪一种轮子转速快。如图8.2所示的构造，虽然你没有角度传感器，也提议你搭建這种构造，由于此构造具有指导作用。我們省略了馬达和其他加固梁以保持图片尽量清晰，搭建時要加二個馬达。右边传動链的作用是变换与差速齿轮配合轴的转向，同步保持原始的传動比不变。连接在差速齿轮上的角度传感器用于检测差動齿轮与否转動。

图8.2使用單個角度传感器观测左右轮速度的差异一种更基本措施是你在需要走直线時，同步锁住两個轮子，此系统非常有效的使你的机器人走直线。它需要第三只馬达来控制制動系统，同步也需要附加传動系统简化制動构造。图8.3展示了具有特殊部件制動机构的示例：暗灰色带离合器16齿齿轮，传動驱動环和传動转变钩，這种特殊的齿轮，用圆形洞取代了一般的拾字型洞，使得它可以在轴上自由转動，驱動环将被安装在轴上。當你把驱動环与齿轮套在一起時（使用转变钩）齿轮与轴连在一起了。

图8.3可制動差動装置你也可使用图8.2展示的构造，用馬达取代角度传感器，回忆第四章馬达能當作制動器使用：在馬达关闭状态，會制止运動，在float状态馬达仍無動力，但可以自由转動。因此不要給馬达提供動力，把它當作制動器来制動差速齿。在关闭状态下制動馬达，差速齿很难转動，從而使你的机器人沿直线前進，另首先float状态使用馬达，差速齿转動，机器人可以转弯，表8.2简介了某些可行的组合。當左右馬达以不一样的方向运行時，差動齿轮锁馬达必须处在float状态图8.4带16齿齿轮离合器，传動操纵环，传動转变钩表8.2電動差動齿轮锁机器人怎样控制差動装置左馬达右馬达差動制動馬达机器人状态停止停止停止保持静止向前向前停止向前运動向前向後浮動原地顺時针转動向後向前浮動原地逆時针转動向後向後停止向後运動考虑到馬达在浮動状态下時也存在著重大的机械阻力，因此机器人将不能迅速转弯，驱動馬达在转弯時将负荷更大的重力。

使用小角轮走直线小角轮是差動装置平滑移動和转弯的又一种关键原因，一般我們會忽视這一點，LEGOConstructopedia提出图8.5所示的小角轮构造，不過小角轮设计上還存在著欠缺，它在一根轴上使用了两個轮子，在第二章中你已經懂得此构造的轮子不能独立转動。按照图表搭建此构造，试著让它转一种急弯，它的效果不是很好，為何？实际上，除非你使其中的一种轮子打滑，否则它就不能转動。

图8.5小角轮构造图8.6中的小角轮的构造有了一定的改善，左边的构造使用了單轮彻底防止了問題的出現。右边的构造更可靠，它使用了两個自由轮容許小轮在原地转弯防止了磨擦与打滑的問題，两种构造的区别在轮轴、在左边构造中，轴与轮子同步旋转，而在右边的构造中，轮在轴上转動。

图8.6防止打滑的角轮选择使用一种或更多角轮要根据机器人的功能，独角轮合用于多种場所，而双角轮安放在机器人的前方或背面是保持稳定性的好措施。

在某些場所，當在平滑的表面上控制重量轻，构造简朴的机器人可以用圆形垫块或其他与接触面磨擦力很小的部件替代独角轮（图8.7）。

图8.7圆形垫块8.3搭建双差動装置

双差動装置是對简朴差動机构的一种改善构造，重要從机械构造上处理走直线的問題,并使用了两個馬达(参照图8.8)。它的传動链有些复杂，依托差動齿轮-使用两個更精确。

图8.8双差動装置双差動装置是差動齿轮的此外一种使用方法，一般轮子是连接在從差動齿轮延伸出来的轴上，然而在此构造中，轮子通過齿轮连接在差動齿轮的外齿。在第四章中我們论述了差動齿轮可以在机械上對两個独立的运動作加或減法运算，為了实現這個措施，用差動齿上延伸的轴作為输入，且差動齿轮自身将根据差動齿轮内部的代数和来运動（两個运動方向的代数叠加）。在此构造中，两個馬达為两個差動齿轮提供動力，特點其中一种馬达同向带動差動齿轮的输入轴。另一种馬达以相反的方向驱動第三根输入轴，要控制双差動装置，只需使用其中一种馬达，让另一种馬达关闭。在图8.9中所示的构造与图8.8中的构造相似，只不過没有馬达，當1号馬达带動40齿齿轮A转動時，2号馬达使齿轮B保持静止，运動沿著虚线传递(由图示)。两個差動装置同步转動，机器人沿直线向前，另首先，1号馬达停止，则齿轮停止，當2号電机转動，带動B将動力沿著实线传递。差動装置同速不一样向旋转，成果是机器人在原地转動。

图8.9双差動装置剖面图一般不一样步使用两個馬达，一种馬达用于走直线，另一种馬达用于转弯，假如根据馬达的方向同步驱動两個馬达也没关系，由于两個差動齿其中一种會抵消两個相反的输入，保持静止，而此外一种差動齿對两個输入進行相加，從而使得速度提高一倍，此時，机器人绕著静止轮转動。双差動装置一种非常好的特性是使用一种角度传感器就可以精确的检测机器人的运動类型。将传感器连接到其中一种轮上，當机器人直线运動時，使用传感器来测量运動的距离，當机器人转弯時，用传感器测量方向的变化量。

當然我們仍要牢记在机械构造有得必有失，换句话說，這种具有独创性的构造有它的缺陷。首先是它非常复杂，我們展示了构造的平面图可以更轻易理解它們的配合，然而你自已也可使用多种传動机构构建简易的机器人(也許仍需某些齿轮或者是更少的)，這种复杂的传動装置导致产生了负面影响：磨擦力4搭建滑動转向装置

滑動转向装置是差動装置的一种变化形式，一般用于履带式車辆，但有時也用于四個或六個轮子的形式。對于履带的車辆，唯一的驱動设计就是滑動转向装置。在現实生活中，挖土机和某些除草机是使用這种装置的最佳例子。图8.10展示了一种简朴的滑動转向装置，每一种履带都由單独馬达提供能量，由一种8齿轮与一种24齿轮啮合，并连接在履带轮上，履带前轮不需驱動。

带轮滑動转向装置需要一种有效的装置，将動力传到所有的轮子上，否则机器人不能顺利转弯或者不能转弯。图8.11中的模型每侧使用五個24齿轮啮合，它們像履带那样從每個馬达那裏获得動力，每一种轮轴用于安装齿轮，這些齿轮都被用于传递运動的惰性齿轮分隔，假如有足够的24齿齿轮，你可以组合成此构造，图片中的圆形轮胎由补充套装提供。

图8.11带轮滑動掌舵装置履带机器人搭建简朴且動作有趣，因此，許多乐高愛好者都采用此构造。与差動装置比较而言，當两条履带以同向运行時机器人向前行進，方向或速度上有差异就會使机器人转弯，原地转弯也有也許实現。滑動转向装置也具有差動装置驱動机器人走直线所具有的缺陷。最终總結滑動转向装置的特點：■

在粗糙的地面上履带与轮子相比，履带更易控制然而它不太租用光滑的表面■

履带构造产生了更大的摩擦力花费了馬达提供的部分動力。■

在运用机器人运動進行定位時，這种构造的机器人是不适合定位的，由于它們不能防止自身具有的缺陷：产生滑動。8.5搭建转向装置

转向装置是用于多种車型的原则构造，由两個前转向轮和两個固定後轮构成，它也合用在机器人身上使用。你可以驱動後轮或者前轮或者是四只轮子，运用乐高来实現這個措施非常简朴，這也是為何要简介它的原因。尽管它比差動装置的通用性要差，并且不能在原地转弯或急转弯，但此构造也有诸多長处：易实現沿直线行走，且在粗糙路面上行走具有较高稳定性。

當使用机器人基本套装搭建转向装置時，只有一种馬达驱動轮子，由于你需要其他的装置转動前轮，因此你的转動装置需要有差動机构二分之一的動力，才能使你的机器人良好的沿直线行走。图8.12、8.13展示了二個简朴的转向机构，除動作细节外，這两個模型具有相似的构造特性。例如：後轮都是通過一只差動齿轮与驱動馬达相连，在第二章中我們论述過假如想让机器人转弯，就必须使用差動。辅助馬达掌握前轮控制机器人的行進方向。注意我們使用了一只带子来驱動转向机构，重要是运用它的极限扭转来防止能力過程中损伤机械构造或馬达。你最佳添加一只传感器侦测转向轮的位置，更好的控制机器人的方向。當转向装置转動時至少也要一只触動传感器。在转完後你可使用定期方式或传感器使机器人再变為先前的行進方向。

图8.12转向装置

图8.13另一种转向装置措施与技巧使用梯形转向机构（阿克曼转向机构）現实中使用转向机构的車都是根据梯形转向机构的原理進行设计的(阿克曼為此装置的首创人)。我們在前面设计的转向轮转動的角度相似，但這個机构就不是這样的，在转弯時，内轮的转角比外轮的大。裏面的轮子比外部的轮转弯急。在大半径的转弯中差异很小，可忽视。在急转弯中此差异变得相称明显且轻易使内轮锁死。阿克曼转向机构在设计上赔偿了内轮转角的差异，因此处理了一般转向机构的缺陷。這個理论阐明了當從轮子延長的线交于一點時，車就能平稳的转動并且一直围绕這一交點转動(图8.14)图8.14阿克曼转向机构：内部轮比外部轮转弯急使用乐高搭建建阿克慢构造是可行的，在14章将有對前轮驱動更深入的阐明。图8.12与8.13中两种模型都使用了齿轮齿条转向机构，一种8齿齿轮（小齿轮）与一种带齿的特殊板（齿条）相啮合，它們不一样之处是後一种我們使用了一种特殊部件：三块1x10板，两個转向臂和两块光滑平板。将這些组件设计成一种组合部件，发明出一种使用更简易的使用在許多乐高工艺車、卡車模型上的转向装置。8.12模型只使用了机器人套装的基本部件，必须要使用2x8的板替代1*10板，用自制的去替代转向臂。此构造整個前面部分都是由梁搭建起来的，用于支撑轮子和转向机构，但一般還需要一种光滑的表面用于齿条滑動。當你建好這個装置後，把轮子移到枢轴背面变成一种自定心转向机构（在诸多状况下的一种明显的特性）。在图8.15中的a图，轮子装在枢轴下面，這样不會影响它的转向。假如轮子装在转向柱的背面，轮子摩擦引起車的動态向前运動從而推進轮子向後运動，产生自定心的動作。观测购物車的构造你就知轮子為何装在中轴上，把轮子越往枢轴背面移動，如图B、C，就越轻易产生自定心。不要把轮子装在枢轴的前面，如图d，會引起转向机构不稳定。实际上，轮子會向後走使你的車子自然转弯。

图8.15移動中轴线上的轮子

自已搭建一种简朴的底盘去探索图8.15中多种构造的特性。转向装置拾分合用于粗糙的表面，由于它有四個轮胎非常平稳，你可以使用其他的措施改善此构造。此外重要一點是此构造没有一种驱動轮會長期离地，否则差動机构将會把所有動力传递到阻力最小的轮子上，成果导致轮子打转，使你的机器人变得不能运動。

使用皮带与皮带轮把一般附加轴与轮轴连接在一起构成一种無滑差動机构可以大大減少上述的問題。皮带可以保持驱動轴以同速转動，然後在转弯過程中它們會在皮带轮上发生打滑現象以便调整轮子的速度。将一只轮子脱离地面皮带也會将大部分能量传递到其他轮子上。

图8.16無滑差動机构8.6搭建一种三轮装置

三轮装置由一种用于驱動和转弯的前轮及两個保持稳定的独立後轮构成（图8.17）。三轮驱動装置的独特之处在：前轮既作為驱動又作為转向装置，使机器人的活動更灵活。

图8.17三轮装置

你也許认為把後轮作為驱動轮也會得到与前轮作為驱動轮相似的成果，不過只有在一定转角内才同样。实际上，转向装置在转急弯時，你最终會发現一种状况：後轮不能再把動力转换成运動。這個装置的最大转角是當外轮可以沿著内轮画一种圆，另首先，前驱動轮可以控制任何转角，甚至是前轮与後轮的运動方向成垂直角度時。理论上，驱動轮可以转360度可以转向任何方向，這意味著你可以搭建一种转位自由的机构（娱乐公园套装中有這种构造的例子）。我們图8.14中的例子，可以转360度，不過由于馬达与RCX的连接线使此机构只能转一种360度。在平常使用中，转180度就可以活動自如。由于在180度到360等的范围等同与0度到180度向反向运動，换句话說：210度馬达向前运動等同于30度(210度-180度=30度)馬达向後转。你可用传感器侦测转向轮的方位。8.7搭建同步驱動装置

同步驱動装置使用三個或更多的轮子，他們都作為转向与驱動装置。它們同步转動并保持一致，因此机器人变化运動方向但不变化它的方位。使用乐高部件组建搭建同步驱動装置非常具有挑战性，在几年此前有人尝试但没有人可以成功完毕。目前，障碍被攻破了，假如你上网你能发現許多用乐高搭建的很不錯的同步驱動装置。制作360度同步驱動装置并且防止任何转動的极限，关键是沿著每一种轮子的枢轴传递运動。最简朴的措施需要一种叫转盘的特殊部件，应用于乐高模型中的旋转平台，支持起重机或挖土机(图8.18)

图8.18乐高转盘你可以把轮子固定在转盘的一边，并且使用转盘中心的一根轴来驱動。在图8.19展示出一种实例，注意转盘被颠倒，由于轮子必须与转盘连接在一起由外齿带動一起转動，因此机器人将完全或向下突出设计。我們想让我們的同步驱動装置不通過移動而原地变化方向，為了实現這個措施，图8.19、8.20两装置相似，但不可互换，图8.19中的转盘的底部能顺利转動但图8.20不可以。這是由于图8.20中的轮没有与忠心轴连接因此當它转向時，它只能移動某些距离。图8.19中的传動装置使得轮子以合适的方向转動而8.20中的传動装置使轮子反對转動，我們描述的是一种精细的差异。我們再次邀請你亲自動手搭建這两個构造并看一看它們怎样工作的。

图8.19可行的轮胎同步驱動装置

图8.20錯误的轮胎同步驱動装置建造一种完整的同步驱動装置你至少需要三個上述的转盘然後把它們连接在一起用一种馬达同步驱動所有的轴然而其他的馬达可以同步旋转所有的轴。图8.21你看到是四轮同步驱動装置的仰望图。注意我們用8齿的齿轮把转盘连接起来，实現同步转動。驱動任何一只8齿轮都會使机器人变化方向。

图8.21一种完整的同步驱動装置（仰望图）图8.22是完整同步驱動装置的俯视图。40齿大齿轮通過四對斜齿轮驱動轮子，其他40-齿轮负责转弯，對一种完整的同步驱動装置，你必须加二個馬达驱動A和B，可以使用8齿获得一种比较高的传動比。任何人都會對同步驱