学生已经知道机器人是什么，现在要动手搭一台真能跑的。他们会学到电机如何带动车轴，轮子和齿轮如何把这份转动变成前进的动作，以及齿轮又是怎样用速度换取转动的力气（扭矩）的。他们还要弄清楚为什么有的轮式底盘会翻、有的却稳稳当当：摩擦力和抓地力负责「抓住地面」，又低又宽的质心负责「站得稳」。接着他们会认识差速驱动，也就是靠两个轮子转速不同来让机器人转向。最后，每位学生都要搭出并测试自己的轮式底盘。
这一周结束时，你将能够
- 说明电机、车轴和轮子是怎样把转动变成滚动的
- 找出轮式底盘上的轮子、车轴和齿轮
- 比较速度和扭矩，以及齿轮如何用一个换取另一个
- 用摩擦力和抓地力解释轮子为什么会抓住地面或者打滑
- 分辨稳固和不稳的底盘设计
- 说明轮距和质心是怎样影响平衡的
- 搭出或模拟一个轮式底盘，并用差速驱动来操控它
- 测试一个设计，并根据结果加以改进
学习
从转动的电机到滚动的机器人
电机通电就会转，但光是一个转着的电机哪儿也去不了。要动起来，机器人得把电机接到车轴上，车轴再装上轮子。电机带动车轴，轮子跟着转，机器人就滚起来了。
所以这条链条是：电机转动、车轴带动、轮子滚动。链条上任何一环松了或缺了，转动就传不到地面，机器人只能原地不动。
例如：电机带着一根光秃秃、没装轮子的车轴，只能在空中干转; 把轮子套到转动的车轴上，机器人就往前走了
齿轮用速度换扭矩
齿轮是带齿的轮子，彼此咬合，一个就能带动另一个。小齿轮带大齿轮时，大齿轮转得更慢，但转动的力气更大。大齿轮带小齿轮时，小齿轮转得更快，但力气更小。
这种转动的力气就叫扭矩。齿轮让你自己选：要么是又慢又有劲、能爬能推的机器人，要么是又快但力气小、在平地上飞驰的机器人。速度和扭矩没法同时拉满，只能用一个换另一个。
例如：自行车挂低速挡：慢，但上坡蹬起来轻松（扭矩大）; 自行车挂高速挡：平地上快，但起步很吃力（扭矩小）
摩擦力和抓地力：轮子是怎么抓住地面的
摩擦力是两个接触面之间相互摩擦的力。没有摩擦力，转动的轮子只会在原地打滑，机器人哪儿也去不了，就像轮胎打在冰面上一样。
抓地力指的是轮子抓住地面的能力，它来自摩擦力。橡胶轮胎在地毯上抓地力很足；光滑的塑料轮子在滑溜的地板上就几乎抓不住。抓地力好，轮子的转动才能变成真正的前进。
例如：橡胶轮胎牢牢抓住路面（抓地力大）; 轮子在潮湿或光滑的表面上空转（抓地力小）; 在打滑的轮子外面套一根橡皮筋，帮它抓住地面
平衡、稳定性和质心
质心是机器人重量集中的那个平均位置。当质心倾斜到轮子以外时，机器人就会翻倒。
要让机器人更稳，就把质心放低、把底盘做宽。又低又宽的底盘很难弄翻；又高又窄、头重脚轻的则一碰就倒。赛车之所以又低又宽就是这个道理，积木塔堆得太高会倒也是同样的道理。
例如：又低又宽的底盘转弯时也能立得住; 零件堆成的高塔，在机器人急停时会倒下来; 把沉甸甸的电池装在底盘下部，好把质心压低
底盘设计：机器人的车架
底盘就是把电机、车轴、轮子和电池固定在一起的车架。好的底盘会让轮子笔直对齐，把电机牢牢卡住，并把沉重的部件放在低处。
设计上的取舍很要紧：轮子隔得太开或太近、电机没固定牢、车架晃晃悠悠，都会改变机器人的行驶表现。底盘绝不只是个盒子，它决定了机器人能不能走直线、拐弯利不利落、站不站得稳。
例如：轮子笔直对齐，机器人才能走直线; 车架结实，电机才不会晃; 重量放低，并压在轮子的正中间
差速驱动：靠速度来转向
大多数小型机器人靠差速驱动转向：两个轮子分居两侧，各由自己的电机带动。两个轮子转速相同时，机器人就直着走。
要转弯，就让两个轮子转得不一样快。机器人会朝转得慢的那一侧划出弧线。如果一个轮子往前转、另一个往后转，机器人就会原地打转。这里没有方向盘，轮速之差就是方向盘。
例如：两轮同速：笔直向前; 左轮比右轮慢：机器人向左划弧; 左轮向前、右轮向后：机器人原地打转
要认识的词
- 电机:
- 通电后会转动的部件，为机器人提供滚动所需的动力。
- 车轴:
- 一根装着轮子的杆，车轴一转，轮子就跟着转。
- 轮子:
- 圆形的部件，车轴转动时它就带着机器人在地上滚动。
- 齿轮:
- 带齿的轮子，与另一个齿轮咬合，把转动传过去，同时改变转动的速度或力气。
- 速度:
- 机器人跑得有多快。小齿轮带大齿轮，会让轮子转得更慢。
- 扭矩:
- 电机或齿轮所具有的转动力气。扭矩越大，推动沉重的机器人或者爬坡的力量就越足。
- 摩擦力:
- 两个接触面之间的相互摩擦的力。它会减缓滑动，让轮子抓住地面，而不是在原地空转。
- 抓地力:
- 轮子抓住地面的能力。抓地力好，轮子就能把机器人往前推，而不是打滑。
- 平衡:
- 把机器人的重量分布好，让它立得住、不翻倒。
- 稳定性:
- 一台机器人有多难被弄翻。又低又宽的底盘比又高又窄的更稳。
- 质心:
- 机器人重量集中的那个平均位置。质心越低，机器人就越不容易翻。
- 底盘:
- 机器人的车架或者说底座，把电机、轮子和其他所有部件固定在一起。
- 差速驱动:
- 一种转向方式：让两侧的轮子以不同速度转动，机器人就会往转得慢的那一侧偏。
注意安全
这一周动手搭建或运行机器人之前，先把这些读一遍。
- Caution:让手指、头发和宽松的衣服远离转动的轮子和齿轮，换零件之前先把电机关掉。
- Caution:切割纸板和车轴孔时请使用儿童安全剪刀，并在大人陪同下进行，木签尖头要磨钝。
- Caution:在空旷处测试轮式底盘，远离桌边、楼梯和落差处。
- Note:常常保存你的成果，免得刷新浏览器时把底盘和测试记录弄丢。
动手做
选择你的路线
这门课你可以用机器人套件、浏览器模拟器，或者不插电、只用家里的材料来上。挑一条就行，随时可以换，你的成果不会丢。
底盘虚拟考察
机器人套件探究轮子大小、齿轮配比和底盘形状会怎样改变一个轮式底盘的行驶、抓地和站立表现。
- 你每次只改一样东西：轮子大小、齿轮、底盘宽度或者重量，然后观察底盘怎么跑。每次只改一样，才分得清究竟是哪个改动带来了哪个结果。
- 每改一次，就记下速度、抓地力和稳定性发生了什么变化。写清楚哪一种配置跑得又直又快，哪一种最稳。
在套件底盘上更换真实的轮子和齿轮
你需要：一套带两个电机的可编程机器人套件, 套件里各式各样的轮子和齿轮, 「底盘测试记录」活动纸
步骤
- 1搭一个简单的双电机底盘，用固定的速度让它在地板上直着开过去。
- 2把轮子换成大一号或小一号的，再跑一遍同样的距离。记下速度的变化。
- 3调整齿轮配比（或电机功率），让轮子转得更慢，再感受一下要让底盘停下来有多费劲：这就是扭矩变大了。
- 4在上面加一个高高的部件，然后再把重量挪到低处，看看哪一种更容易被推翻。
做成了是什么样：轮子越大跑得越快，但起步更费劲；齿轮配比越低扭矩越大；又低又宽的底盘最难被弄翻。
- 至少测试并记录了三种配置
- 每一处改动都写明了它对速度、抓地力或稳定性的影响
- 指出了最稳的那一种配置，并说明了理由
安全：让手指、头发和宽松的衣服远离转动的齿轮和轮子。 更换轮子或齿轮之前先把电机关掉。
如果不管用
- 底盘不直着走，老是拐弯
- - 检查两个轮子是不是都拧紧了、两个电机转速是不是一样；轮子松动或电机不匹配都会让它跑偏。
- 轮子在转，底盘却不动
- - 轮子在打滑，说明抓地力不足。换一个更抓地的轮子，或者换一个更粗糙的地面试试。
再往前一步：找出能一口气爬上你那道斜坡、中途不熄火的轮子与齿轮组合。
虚拟底盘实验室
设计一台轮式机器人，再看它在四项测试里表现如何。每次只改一样，并读一读提示，弄明白一个设计为什么行得通、为什么会失败。
你的设计
测试路面
路面： 光滑地板
实时结果
测试结果
- 直线行驶好
走得笔直，也牢牢抓住了路面。
- 转弯好
靠两个轮子干净利落地转了弯。
- 小斜坡好
轻轻松松就爬上了坡，力气还有富余。
- 打滑路面一般
走得很慢，但还保住了一些抓地力。
为什么会这样
- 扎实、稳当的设计：又低又宽，抓地力也好。
你在测什么？
- 直线行驶:
- 它能不打滑、不摇晃地直着走吗？
- 转弯:
- 它能干净利落地转弯，既不甩尾也不磨蹭吗？
- 小斜坡:
- 它有足够的力气和抓地力去爬坡或者顶开阻力吗？
- 打滑路面:
- 地面几乎没有摩擦时，它还能动吗？
轮式底盘挑战
机器人套件搭一个能走直线、立得稳，并且能用差速驱动转向的轮式底盘。
- 搭一个底盘，两侧各装一个驱动轮，前面或后面再加一个支撑点，免得它翻倒。把沉重的部件放低，让轮子笔直对齐。
- 测三件事：它走得直吗？让两轮转速不同能不能让它转向？急停和转弯时它站得住吗？每次只改一处，直到三件事都做到为止。
用实体套件搭轮式底盘
你需要：一套可编程机器人套件，配两个电机、轮子和车轴, 做翻倒测试用的斜坡或几本书, 「底盘测试记录」活动纸
步骤
- 1搭一个能牢牢固定两个电机的底盘，每个电机各带一侧的轮子，再加一个万向轮或滑块作为第三个支撑点来保持平衡。
- 2把电池和沉重的部件放在低处、居中位置，让质心保持在低位。
- 3让它往前开，一边调整一边试，直到能走直线；然后让两轮转速不同，让它转弯。
- 4用急刹车和在缓坡上行驶这两种方式，测一测它的稳定性。
做成了是什么样：一个用套件搭的底盘，能走直线，能用差速驱动转弯，急停时和在缓坡上都立得住。
- 至少能直行一米
- 靠改变轮速能左转和右转
- 急停时不会翻倒
- 电机和轮子都固定牢靠
安全：行驶过程中请远离转动的轮子和齿轮。 在空旷处测试，远离桌边和楼梯。
如果不管用
- 它总是往一边偏
- - 可能某个电机转得更快，或者某个轮子松了；把两个电机的转速调一致，并把两个轮子都拧紧。
- 它一停下来就往前栽
- - 质心太高或者太靠前了；把重量放低，并往后挪到轮子上方。
再往前一步：给它编个程序，先走一条直线，再用差速驱动的转弯走出一个正方形。
预测
Commit to a guess before you test - then see how close you were. Your predictions save automatically.
怎样验证：把每个底盘放在斜坡上倾斜（或者跑一遍模拟器的坡），看哪个先翻，再和你的猜测对照一下。
怎样验证：把齿轮调成让轮子转得更慢，然后爬一次斜坡，看看它是不是爬得更好、但跑得更慢了。
测试与改进
轮式底盘的速度与直线性测试
画一条起点线和一条终点线，相隔一米。让底盘从起点出发，记录它用了多少秒，以及终点时偏离直线多远。一共跑三次。
要测量的：跑完这段距离所用的时间，以及底盘偏离直线的程度
| Run | 到达终点用时（秒） | 偏离直线多远（厘米） | 备注 |
|---|---|---|---|
翻倒稳定性测试
把底盘放在斜坡上，慢慢抬高斜坡，直到底盘翻倒。分别记录又低又宽和又高又窄两种配置翻倒时的角度（或者垫了几本书）。
要测量的：每种配置翻倒时的角度或斜坡高度
| 配置 | 垫几本书 / 到什么角度会翻 | 有没有立住？（是/否） |
|---|---|---|
知识检测
回答这几题，检验一下你是否明白机器人是怎么动起来、又是怎么保持平稳的。
1. 诊断一下这个设计问题。
一位学生的机器人又高又窄，电池装在最上面。它直着开没问题，可每次快速转弯都会翻倒。
2. 转动的电机是怎样让机器人在地板上滚起来的？
3. 你把机器人的齿轮调低，让轮子转得更慢。你得到了什么，又放弃了什么？
4. 机器人的轮子转得飞快，可在光滑打滑的地板上却几乎不动。问题出在哪儿？
5. 哪一种机器人底盘最难被弄翻？
6. 在差速驱动里，一台双轮机器人是怎么左转的？
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反思
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下周预告
下周你的轮式底盘要装上大脑了：你会写下第一个程序，让机器人自己走完一条规划好的路线。
- 把你的轮式底盘留着别拆，保持能跑的状态，下周好给它编程。
- 给你的套件充好电，或者把模拟器和它的积木编辑器加入收藏夹。
- 想一想：如果不能在旁边看着，你会怎样把「从门口走到椅子那儿」的每一步准确地告诉别人。
完成第 2 周
完成以下内容，即可结束本周并解锁下一周：
- 完成底盘虚拟考察，并记录三种配置 (not done yet)
- 搭出一个能走直线、能转向、立得稳的轮式底盘 (not done yet)
- 记录速度与直线性测试和翻倒测试 (not done yet)
- 知识检测至少答对 5 题中的 4 题 (not done yet)
- 写下你的反思 (not done yet)