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思科技术经理 头条文章作者

几万块的乐高兴趣班:只因教了这个知识点,才让孩子优势如此明显

转载 2019-11-07 09:18:55

最近在带一帮孩子准备美国的乐高机器人比赛,下面这个大木板和地图就是我们自己DIY的比赛场地。

而这个配件是我们创作闯关任务的配件之一。

很多孩子都在玩乐高,其实乐高玩到后面拼的就是机器人的设计能力:怎么设计机械臂让它动起来?怎么设计车轮让它转起来?怎么提高机器人的行动速度?……这些都是孩子需要考虑的问题。

这些问题看起来很复杂,其实说白了就是一些最基础的机械结构。而乐高教育的培训班、国际机器人竞赛、机器人等级考试等,训练儿童的都是这些基础结构。

但是这些基础机械结构很多人都不了解,正好我这段时间在准备机器人课程,今天就跟你们捋一捋,那些乐高兴趣班、机器人比赛都在学些什么?

Part.1 乐高积木的分类

乐高积木分为三类:

  • 砖块积木

  • 科技组积木

  • 马达、传感器、控制器

像下面这种积木就是砖块积木。

而下面这个起重机就包含了科技组积木,那个滑轮就属于科技组的范畴。

砖块积木属于乐高体系中的入门款,因为它上手非常简单,很多孩子入手的第一套积木大多都是砖块积木。

但是如果想进阶的话,就要进入下一阶段——科技组积木,科技组积木是乐高为机器人教学打造的专门积木颗粒,而我们所说的乐高兴趣班、机器人竞赛等等都是围绕科技组积木所打造的!

Part.2 科技组积木构成

科技组积木相比于砖块积木来说,种类多了太多太多!它主要有下面几类:梁、轴、销、齿轮、轮毂。

梁(Beams)

下面这种有孔的长条形的零件就叫做:梁,英文叫beam。一般用来拼搭造型的框架。

梁一般都是根据它上面孔的个数来区分的:

轴(Axles)

下面这种零件叫做轴,英文是Axle:

 销(Pins)

下面这种零件叫做销,英文是Pin,销子的作用是用于定位和紧固零部件,它可以将其他零件固定在一起。

 齿轮(Gears)

齿轮大家都见过,英文叫Gear,一般用于传动。

轮胎(Wheel and tire)

轮胎与我们现实生活中汽车上轮子类似,包括塑料的轮毂(Wheel)和橡胶的胎皮(Tire)。

Part.3 机器人的基础结构

通过以上科技零件的组合,可以搭建出无数种变化的创意造型。而对于学习机器人来说,有一些基础造型是必须掌握的,而这些造型正是由上述的几种科技组积木所完成的。

1

结构稳定性

最常用的结构稳定性原则就是三角形的稳定性,这是拼搭各类造型的基础。

通过积木的拼搭可以体验三角形的稳定性,四边形的不稳定性。

(三角形的稳定性)

(四边形的不稳定性)

2

齿轮传动

齿轮传动是机械结构中最基础的部分,它的知识点有:

  • 齿轮咬合传动

  • 齿轮转动方向

  • 齿轮加速和减速

  • 垂直齿轮

两个齿轮咬合在一起,一个齿轮可以带动另一个齿轮的转动,就叫做齿轮传动。传统的钟表就是典型的齿轮传动机构。

将两个齿轮咬合在一起,先动起来的齿轮叫主动轮(驱动轮)

,被带动转起来的齿轮叫做从动轮,而且它们的转动方向是相反的,如果一个是顺时针,则另一个必然是逆时针。

就像下面这样,左边齿轮的转动可以带动右边齿轮的转动,它们的转动方向是相反的:

这两个齿轮的齿数是一样的,所以转速也是一样的。

下面这个齿轮传动就用到了加速和减速

的知识了,左边的小齿轮是8颗齿,右边的大齿轮是24颗齿,如果右边齿轮是主动轮,带动左边齿轮转动,那么转速比就是

主动轮齿数  :从动轮齿数 = 24:8 = 3:1

也就是右边的转动1圈,左边的转3圈,所以它有个加速的过程。

如果反过来,用左边的小齿轮作为主动轮,那么就是一个减速装置。左边的转3圈,右边的转动1圈。

还有一种是垂直的传动,通过锥齿轮(或冠齿轮)来改变运动的平面,这两个齿轮转动的平面是相互垂直的。

在现实生活中,汽车的手动变速箱就是一个复杂的齿轮装置:

3

皮带传动

皮带传动和齿轮传动有点类似,区别就是通过一条皮带将两个轮子连在一起,达到传动的目的。

这是用乐高积木搭出来的皮带传动装置:

这是现实中的皮带传动装置。

4

杠杆

杠杆在现实生活中很常见,小朋友爱玩的跷跷板,天平秤,钳子都是一种杠杆结构。

下面是用积木搭出来的一个杠杆结构。

这是用积木搭出来一个天平,可以衡量两边物体的重量。

这是现实生活中的天平:

5

曲柄结构

曲柄结构是常用的机械结构,在现实生活中有大量的应用。

(曲柄摇杆)

(曲柄滑块)

这是蒸汽火车上连杆结构:

这是用乐高积木搭出来的曲柄摇杆结构:

这是用乐高积木搭出来的曲柄滑块结构:

Part.4 憨爸的话

上面讲的这些基础结构就是机器人的核心,我们在生活、机器人竞赛中能看到很多这些结构的应用。

如果孩子掌握了这些结构,那么遇到生活中的问题,他们很快就能想到解决方法。

比如做一辆车,轮子转动的方向和马达的方向是完全不同的,一个垂直转动,一个水平转动。因此这时候我们就可以用冠齿轮来改变传动方向。

掌握这些结构原理,就能方便孩子在看问题时,举一反三!

比如说孩子掌握了四边形的不稳定性以及曲柄结构后,就会发现下面两个看起来完全不一样的造型。

实际上原理都是一样的,简化后都是下面的结构。

这样孩子看问题的角度都会和一般人不一样,他们能够将一个复杂的结构简化,看穿内部运行的机制!

最早我开始教憨憨机器人的时候,觉得好复杂啊,就这么几个零件怎么撘出这么高深的东西!可是等后来学习时间长了才发现,原来里面的核心结构就这么几个,掌握之后就能随意发挥创意了,并且参加机器人比赛。这就像一块入门转,把这块转头搭好了,后面的楼房就能越砌越高!

因此,学习乐高的精髓就在于,利用乐高积木这一载体,可以熟悉最基础的机械结构,是学习机器人的最好入门!

我们花了大半年的时间开发了一个小程序

和一个课程。小程序是免费的,里面放了大量的拼搭案例。课程收费的,会搭配积木教具。

下面这张图就是我们的机器人拼搭教学小程序,里面有很多拼搭案例,并且有案例的拼搭图纸、零件清单、课堂练习等等。

我们的课程会结合我们的积木教具,讲解机器人的各种基础结构,分析背后的原理。

明天上午的推文,我会详细介绍这个小程序和课程,明天见!

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