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第 2 周
搭一台能跑起来的机器人
把电机的转动变成平稳的滚动，并设计一个跑起来不会翻的底盘。
65 至 80 分钟
要点
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。
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。
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。
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。
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。
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。
你的活动
底盘虚拟考察
目标：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。
写下发生了什么：
轮式底盘挑战
目标：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。
写下发生了什么：
预测
动手测试之前，先写下你的猜测。
做翻倒测试之前：你觉得在斜坡上哪个底盘立得更久，是又高又窄的还是又低又宽的？为什么？
换齿轮之前：你觉得把齿轮配比调低，会让底盘更快，还是爬坡更有劲？预测一下它要拿什么去换。
测试并记录
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。
记录：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）。
记录：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
逐题作答。选择题请把最合适的答案圈出来。
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。
- A.质心太高了
- B.轮子的抓地力太强了
- C.电机的扭矩太小了
- D.车轴太长了
转动的电机是怎样让机器人在地板上滚起来的？
- A.电机带动车轴，车轴再带动轮子
- B.电机往后吹气，把机器人推着走
- C.电机让机器人变轻了
- D.不用电机，轮子自己就会滚
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？
- A.得到速度，放弃扭矩
- B.得到扭矩（转动的力气），放弃速度
- C.速度和扭矩都变大
- D.速度和扭矩都变小
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？
- A.扭矩太大了
- B.电机关着
- C.抓地力不足：轮子在打滑，抓不住地面
- D.质心太低了
哪一种机器人底盘最难被弄翻？
- A.又高又窄、沉重部件都堆在上面的底盘
- B.又低又宽、沉重部件都靠近底部的底盘
- C.轮子最大的底盘，形状怎样都无所谓
- D.颜色最鲜艳的底盘
在差速驱动里，一台双轮机器人是怎么左转的？
- A.它像汽车一样用方向盘
- B.左轮转得比右轮慢
- C.两个轮子一起加速
- D.电机往一侧倾斜
反思
哪一处机械改动对你的机器人行驶影响最大？为什么？
哪一处改动让你的底盘最稳？它为什么起了作用？
描述一下：只用那两个轮子，你会怎样让机器人左转。