全国青少年机器人技术等级考试(二级)直升机搭建与原理(1)

全国青少年机器人技术等级考试(二级)直升机搭建与原理(1)

首页动作格斗机器人变形直升机更新时间:2024-08-03

由于6月份的机器人等级考试与期末考试时间太接近了,所以这次不报名了,等9月份再报名。器材当时从网上买的就是一、二级机器人技术等级考试套件,可以直接使用。

一、直升机模型搭建

直升机模型分为机体、动力、传动、升力四个部分,搭建顺序如下:

1、先简单准备好动力部分,即给电机加上小齿轮、装上简单的架子备用。

2、搭建传动系统。传动系统由旋翼动力传动、尾桨动力传动两部分组成。(1)旋翼动力传动。由电机的小齿轮通过垂直啮合方式带动旋翼杆上的冠状齿轮来实现传动力方向的改变。(2)尾桨动力传动。需要一根比较长的连杆,两头各装一个冠状齿轮,头部的冠状齿轮通过垂直啮合旋翼杆上的齿轮得到动力来旋转连杆,连杆尾部的冠状齿轮通过垂直啮合方式给尾桨的齿轮提供动力。

3、把动力、传动部分组合起来,就是下图的样子:

动力装置、旋翼动力传动装置、尾桨动力传动装置组合在一起

尾桨传动部分

4、安装升力部分,即旋翼和尾桨。

(1) 直升机脑袋顶上这个超级大风扇叫旋翼,不叫机翼,别用错词。旋翼的主要作用就是产生升力、前进的动力、转向的扭力。(2) 尾桨就是直升机尾竖起来的小风扇,学名“抗扭螺旋桨”,作用是“平衡旋翼旋转时产生的反作用力矩”。通俗点说,如果没有尾桨,旋翼转起来后,直升机就会因为旋翼产生的反扭力原地打转,而尾桨就是用来抵消反扭力保持直升机平衡的。

还记得小时候看过的电影《黑鹰坠落》吗?电影里美军的直升机尾桨被击碎,然后就旋转着掉下来了。除了保持平衡外,尾桨还能通过控制推力大小,实现直升机的转向(转弯)。所以尾桨很重要,机器人考试的时候,一定不能忘记加尾桨。

5、最后完善机体,加上机头、滑橇式起落架等,完工,见下图:

成品,旋翼有点迷你了,并不要飞起来

打开电源开关,转起来,虽然不会飞,但是很凉快!

仔细看了实操考试要求,发现尾桨的传动部分不要求实现,只需要旋翼有动力就行,就是做一个没动力的尾桨就行,但是尾桨一定要有!

二、知识点

1、直升机的升力

直升机旋翼转动的时候,桨叶上方空气流动速度快,产生的气压小,桨叶下方的空气流动速度慢,产生的气压大,形成了气压差,这就是直升机的升力。升力大于直升机重力时,就可以飞起来。这里有个伯努利定理(不是不努力定理)要了解:是流体速度加快时,物体(旋翼)与流体(空气)接触界面上的压力会减小,反之会增加。

另外,有个小实验一定要做一下,有助于孩子理解气压差,即两张纸片合起来,用嘴吹,看看纸是吸起来,还是被吹开?

吹一吹

如果仅仅应对机器人等级考试,孩子理解上面的基础理论就可以了,但真实的直升机升力产生是很复杂的,上面的基础理论很难真正解释直升机升力产生的原因,这个涉及到流体力学,以及流体力学的一个分支,空气动力学。感兴趣可以了解下库塔条件。在真实环境中,只有满足库塔条件,旋翼(机翼)才可能产生升力。

库塔条件:“旋翼上方是有曲面的,所以上方距离比下方长,旋翼下方气流到达后缘时,上方气流还没到,下方气流就会绕过尖后缘与上方气流汇合,下方气流绕过后缘时会形成一个低压旋涡,导致后缘存在很大的逆压梯度。随即,这个旋涡就会被来流冲跑,这个涡就叫做起动涡。根据海姆霍兹旋涡守恒定律,对于理想不可压缩流体在有势力的作用下翼型周围也会存在一个与起动涡强度相等方向相反的涡,叫做环流,或是绕翼环量。环流是从翼型上表面前缘流向下表面前缘的,所以环流加上来流就导致后驻点最终后移到机翼后缘,从而满足库塔条件。” 这些感兴趣就做个简单了解,但机器人等级考试并不涉及。

2、电机

电机的作用是将电能转化为机械能(注:这个必考,送分题,别问我为啥知道,因为我把这几年的题都看了)。电机根据供电方式分为直流电机和交流电机。我们实操模型用到的小电机都是直流电机,顾名思义,直流电机使用的是直流电源供电,比如干电池、蓄电池、直流发电机等,所以小朋友的玩具、遥控器等用的都是直流电,因为装的是电池。

小朋友可能还会问交流电源都有啥呢?很简单,你家的插座出来的就是交流电,你家的冰箱、电视、空调、灯都是用交流电的。我说这么啰嗦是因为可能会考到,当然我们学习不以考试为目的,黑线!!!

直流电机(或者电动机)运用了磁感应原理,利用定子绕组提供旋转磁场,直流电源向转子提供电流,由于电流在磁场中受到里的作用而产生转动。直流电机的种类分无刷、有刷、空心杯。

拆开的一个直流无刷电机

直流电源的特性是“电流流向始终不变正极到负极”,即在外电路中形成稳定不变的由正极到负极的电流,所以直流电又称之为恒流电。电压高低,正负极都不变,而交流电电压高低,正负极都会随时间变化而变化。这段不会考试到,了解即可。

这次就到这里,全国青少年机器人技术等级考试中,直升机涉及的知识点就这些了,需要对升力、电机有个初步的了解,再复习一下机器人考试一级的垂直啮合(注:啮,读nie,四声,我居然读错,黑线!!!)等齿轮传动方式。我把近期考试的题目都看了一遍,考到的知识点基本都在这里了。不足之处,欢迎交流指正,谢谢。

如果需要了解机器人技术等级考试(一级)的考试过程与经验分享,可以点击这里:

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