案例一:举重机器人

案例简介

设计一款举重机器人，它能够无需编程自动执行任务。该机器人利用曲柄连杆机构将电机的圆周运动转换为直线往复运动，以实现举重动作。

教学准备

名称	图示
哪吒Pro运动套装

教学目标

理解基本的机械原理，如杠杆、滑轮和曲柄连杆机构。

培养动手能力和解决问题的能力。

激发对工程和机器人技术的兴趣。

课程引入

欢迎小朋友们加入我们的STEAM奇妙旅程！今天我们要变身为小小工程师，一起制作一个神奇的举重机器人。不需要复杂的编程，我们只用简单的曲柄连杆，就能让机器人动起来，举起重重的物体。是不是很酷呢？让我们一起探索机械的奥秘，动手又动脑，开启创造的乐趣吧！

学习探究

探究曲柄连杆机构是如何工作的。

搭建步骤

硬件连线

将智能电机连接到哪吒Pro扩展板的M1接口

案例演示

按下哪吒Pro上面的按键即可让举重机器人开始进行举重。

总结分享

扩展知识

曲柄连杆机构的工作原理 曲柄连杆机构是内燃机中将活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋转运动（或反之）的基本机构，它在许多机械系统中都有应用。下面我们来探究它的工作原理：

基本组成：

曲轴（Crankshaft）： 一个旋转的轴，通常带有一两个或多个曲柄。

连杆（Connecting Rod）： 连接活塞和曲轴的杆。

活塞（Piston）： 在气缸内往复运动的部件。

工作原理：

当活塞在气缸内被推动时，它通过连杆将力传递给曲轴上的曲柄。

曲柄与连杆的连接点称为活塞销（Piston Pin），它允许连杆围绕它旋转。

曲柄的旋转使得连杆和活塞以一种协调的方式移动，从而将直线运动转换为旋转运动。

运动转换：

直线到旋转： 当活塞向下运动时，它推动连杆，连杆的另一端推动曲柄，使曲轴旋转。

旋转到直线： 如果曲轴被外部力（如电机）驱动旋转，曲柄的旋转会拉动连杆，进而推动活塞在气缸内做直线运动。

力的传递：

曲柄连杆机构的设计使得活塞的力可以有效地传递到曲轴，从而驱动其他机械部件，如车轮或发电机。

重要参数：

行程（Stroke）： 活塞从上止点到下止点的距离。

压缩比（Compression Ratio）： 气缸总体积与燃烧室体积的比值，影响发动机的效率和功率输出。

优化和调整：

通过调整曲柄的长度和连杆的设计，可以优化发动机的性能，比如提高功率输出或改善燃油效率。

实际应用：

除了内燃机，曲柄连杆机构也被用于其他需要直线和旋转运动转换的场合，比如往复泵、压缩机等。

圆周运动和直线运动的区别及应用场景

圆周运动和直线运动是两种基本的运动形式，它们在物理特性和应用场景上有着明显的区别。以下是对这两种运动的讨论：

圆周运动（Circular Motion）

定义：

圆周运动是指物体沿圆形或曲线路径的运动。

特点：

路径： 物体的运动轨迹是连续的曲线。

速度变化： 速度的大小可能保持不变，但方向不断变化，因此存在向心加速度。

需要外力： 为了维持圆周运动，物体需要一个持续的向心力。

应用场景：

钟表和时钟： 时针、分针和秒针的旋转。

旋转门： 门的旋转允许人们进出。

旋转木马： 游乐园中的旋转设施。

车轮： 车辆的车轮使车辆能够沿直线或曲线路径移动。

行星运动： 天文学中，行星围绕太阳的轨道运动。

直线运动（Linear Motion）

定义：

直线运动是指物体沿直线路径的运动。

特点：

路径： 物体的运动轨迹是直线。

速度变化： 速度的大小和方向都可以变化，但不需要向心力。

简单直接： 直线运动不需要复杂的力的平衡，易于控制和预测。

应用场景：

电梯： 垂直或水平移动的电梯。

滑梯： 游乐园中的滑梯，孩子们沿直线下滑。

输送带： 工厂中用于运输物品的输送带。

火车和地铁： 沿轨道直线运行的交通工具。

伸缩门： 可以直线伸缩的门，用于控制车辆和行人的进出。

区别：

路径不同： 圆周运动的路径是曲线，而直线运动的路径是直线。

速度方向： 在圆周运动中，速度方向始终指向圆周的切线方向，而在直线运动中，速度方向保持不变或沿直线变化。

加速度： 圆周运动中存在向心加速度，而直线运动中只有切向加速度（如果速度变化）。

力的需求： 圆周运动需要向心力来维持，而直线运动不需要这种力（除非存在加速度）。

了解这两种运动的区别和应用场景有助于我们设计和分析各种机械系统和日常设备，从而在工程和科学研究中做出更合理的决策。

举重的相关知识

举重是一项历史悠久的体育运动，以下是一些关于举重的相关知识：

项目介绍

举重是一项力量型运动，运动员需要通过特定的动作，将杠铃以双手举过头顶，达到规定的高度并保持稳定，以展示出最大的力量和爆发力。

现代举重比赛包括抓举和挺举两个项目。抓举要求运动员在一次连续动作中，将杠铃从举重台上直接举过头顶，身体保持直立，杠铃在头顶停留稳定后，裁判员示意成功，动作完成。挺举则分为两个步骤，先将杠铃提至胸前，支撑在锁骨和两肩之间，然后再将杠铃举过头顶。

比赛规则

举重比赛按照运动员的体重划分不同级别，男子和女子各有多个级别。在比赛中，运动员有三次试举机会，以抓举和挺举的最高成功重量相加作为总成绩，来确定比赛的名次。如果总成绩相同，则以体重较轻者获胜。

比赛过程中，运动员的动作必须符合规则要求，如杠铃的上升和下降必须垂直，身体姿势要保持正确等，否则会被判定为犯规，试举失败。

训练方法

举重训练需要综合发展运动员的力量、速度、协调性和柔韧性等身体素质。常见的训练方法包括杠铃训练，如深蹲、卧推、硬拉等，这些动作可以有效提高腿部、臀部、胸部和背部的肌肉力量。

此外，还有一些专门针对举重技术的训练，如抓举和挺举的分解动作练习，以及各种辅助训练，如平衡训练、爆发力训练等，以帮助运动员更好地掌握举重技术，提高运动成绩。

重要赛事

奥运会举重比赛是举重项目最高水平的国际赛事，每四年举办一次，吸引了世界各国最优秀的举重运动员参加。此外，世界举重锦标赛也是一项重要的国际赛事，每年举办一届，为各国运动员提供了展示实力和交流的平台。在地区性赛事中，如亚运会、泛美运动会等，举重也是重要的比赛项目之一。