关键词：自动控制系统；机械手；锻造；PLC
PLC是80年展起来的一种新型的电器控制装置，它将传统的继电器控制技术融为一体， 目前正以功能强、体积小、成本低、编程简单、修改方便等显著优点被广泛应用于工业生产过程的自动控制中。近年，机械手普遍应用于一些自动化生产厂家，采用PLC控制取代传统体积大、易出故障的继电器--接触器控制，取得了良好的社会与经济效益。
1.工作过程及控制要求
机械手的工作是由气缸驱动的，气缸由对应的电磁阀控制，其中， 上升、下降和左移、右移分别由双线圈两位置电磁阀控制。 例如，当下降电磁阀通电时， 机械手下降； 当下降电磁阀断电时， 机械手下降停止， 只有当上升电磁阀通电时， 机械手才上升； 当上升电磁阀断电时， 机械手上升停止。同样， 左移、右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制，机械手的放松、夹紧由一个单线圈两位置电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制，当该线圈通电时，机械手夹紧；当该线圈断电时，机械手放松，当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台无工件时才允许机械手下降，也就是说， 若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时， 机械手应自动停止下降， 所以要用光电开关进行无工件检测。
机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为步进、单周期和连续操作方式。手动操作：用各按钮开关来接通或断开各负载的工作方式，选择开关旋到手动操作时各按钮就执行该操作。旋到返回原点时，机械手自动返回到它的原点位。自动操作：单步操作，每按一次启动按钮，向前执行一步动作的工作方式，单周期操作，机械手在原点位时，按下启动按钮，自动地执行一个周期的操作，操作完成后，机械手停在原点位，如果在操作过程中，按下停止按钮，则机器停留在该工序上，如果再按启动按钮，则又在该工序继续工作，最后自动停止在原点位。连续操作，机械手处在原点位时，按下启动按钮， 机器就连续重复地工作，如果按下停止按钮，机器运行到原点位，再停机。机械手的结构图如图1所示。
2.机械手的任务
机械手的任务是将A工位的工件搬运到B工位。为了机械手的动作准确，在机械手的极限位置安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，对机械手分别进行下降，夹紧，上升，右移的限位并发出到位的输入信号。A工位上装有电光开关，用于检测A工位上是否有工件。机械手的启动由SB1控制，停止由SB2控制。机械手的上、下、左、右、抓紧、放松的驱动分别由五个电磁阀YV1、YV2、YV3、YV4、YV5和三个液压泵来控制。如图2所示。
图2 机械手的任务控制图
控制要求：按下SB1启动按钮，机械手系统工作。首先机械手回到原点位置。当光电感应检测到有工件时，机械手自动向下。下降到位时，机械手自动夹紧，夹紧1秒机械手上升。上升到位时，机械手自动右移，右移到位时机械手自动下降。下降到位时，机械手自动放松，放松1秒后机械手自动上升。上升到位时机械手自动左移，回到原点自动循环。
3.系统软件设计
尽管系统只有两种，但实际是有五种工作方式，状态的初始化，初始化状态置位按下返回原点按钮，则表示机器初始化条件的初始状态器在返回原点方式情况置位，在单步操作方式情况复位，中间状态处于中间工序的状态器要用手动复位操作，具体有单一操作，返回原点状态器由电池支持，在掉电情况下，仍保持掉点前的条件，用功能指令，可使中间状态器 同时复位如果状态器要在电源恢复供电时，从掉电前的状态开始继续工作，则不需要， 初始化脉冲，此时由置位指令驱动的输出继电器就要通过由电池支持的辅助继电器来驱动。
（1）状态转换启动。在自动操作（步进、单周期、连续）期间，按下启动按钮。
（2）总装调试。软件编写完成后，在总装调试前经过模拟调试，用模拟开关模拟输入信号的状态，用输出点指示灯模拟被控对象，经过调试能正常运行。
4.锻造操作机械手的机械结构及PLC控制
锻造操作机是实现锻造车问锻造机械化与自动化的重要设备， 其主要用途是夹持锻件来配合主机完成锻造工作， 或坯料的装出炉运输和堆放等， 因此， 操作机械手必须具有以下基本功能：钳口夹紧与松开；钳杆旋转；夹钳平行升降及倾斜；台架回转或夹钳摆移；大车行走。由于该操作机械手设计主要是用于生产线上的， 所以设计成为有轨锻造操作机械手， 因而取消了台架回转或夹钳左右摆动功能。共有五个自由度，十个方向的动作。其中夹钳倾斜方向上的自由度依靠丝杆手工完成。其余动作均由液压汕缸、液压马达完成。
锻造操作机械手为克服锻造过程中的由于振动而引起的不稳定性，并提高工作的可靠性。采用高精度液压油缸及液压马达为动力源进行驱动。
电气控制系统的设计主要目的是控制液压系统中的四个电磁换向阀进行动作。为了在实际中使用操作灵活方便， 在电气线路设计上我们的思路是设计成机械手的手动控制与自动控制相结合的原则， 同时保证在二者操作过程中有互锁装置不得相互影响。这样设计的优点是当生产线上自动控制遇到故障时， 关闭自动控制系统由手动控制同样可以完成。除此而外， 在初调试过程中可用手动使操作机城手到达锻压机的适当位置。
电气控制及手动控制原理是主要依靠可编程控制器上的继电器， 带动双向开关DK1--DK4来控制电磁换向阀上的线圈， 通电吸合达到控制操作机械手液压回路， 进而控制操作机械手的各个动作。
锻造操作机械手工作的场地环境十分恶劣， 应尽量采用自动控制方式代替原始的手动方法。为此， 经反复论证， 决定采用PLC可编程控制器实现白动控制， 如北京机械工业自动化研究所生产的KB系列可编程控制器， 这是因为PC可完成开关量的逻辑运算和控制， 有计时、计数、移位、步控及在线监视等功能， 对来自按钮、限位开关、传感器等的输入信号可进行检查， 又可根据程序设计输入信号状态等信息， 产生所需输出信号。由于锻造机械手的自动控制最终基本上可归结为开关量的控制。因而采用PC机控制方案是可行的。这样可利用PC控制器的程序设置驱动操作机械手的电动机控制器、接触器、电磁阀及指示灯类的负载， 使用灵活方便。用户不需使用复杂的计算机软件就可应用， 而是采用梯形逻辑图进行编程控制。
5.结束语
通过采用机械手，不但提高了工作效率，增加了安全性，而且提高生产机械化程度。随着我国生产行业机械化程度的提高，大型流水线厂房的不断落成，机械手的应用会越来越普遍。作为一名设计人员，需要深入地了解生产工序和流程，合理运用现代化的电子、机械设备的特点，设计出功能实用、性能优异、外观美观、操作维修方便、运行安全的机械手，为我国的飞速发展做出新的贡献。
参考文献
[1]钟肇新.可编程控制器原理及应用[M].广州：华南理工大学出版社，1992.
[2]赵明.工厂电气控制设备[M].北京：机械工业出版社，1999.
【关键词】 单孔腹腔镜 胆囊 肝囊肿 肝脓肿 胆总管结石 左肝外叶血管瘤
【中图分类号】 R61 【文献标识码】 A 【文章编号】 1671-8801（2014）03-0046-02
肝胆外科的黄志强院士曾说过，21世纪是微创外科的世纪，自2005年美国内镜学会（SAGES）和美国消化内镜学会（ASGE）的专家小组正式提出自然孔道经内镜手术（natural orifice translumenal endoscopic surgery ，NDTES）的新概念[1]，我院在吸收这些先进理念的同时，自2010年4月利用现有腔镜器械，在脐下单孔现胆囊切除，积累一定经验后，引进先进的多自由度器械，将单孔下胆囊切除扩展到胆总管切开取石、肝囊肿开窗引流、肝脓肿切开引流、左肝外叶血管瘤切除，取得良好效果。现报告如下。
1 临床资料
1.1 一般资料
本组患者316例，男102例，女214例，年龄16-77岁，平均45.8岁、其中胆囊结石185例，肝囊肿36例（直径7-22cm），胆总管结石46例，肝脓肿27例（直径5-14cm），左肝外叶血管瘤22例（直径6-9cm）。患者均无严重的基础疾病，无上腹部手术史。
1.2 手术方法
①术前脐部清洁，脐部碘伏消毒②麻醉采用经口腔气管插管全麻③：截石位，头高足低约30-40度，左右倾斜随病变部位不同而改变④沿脐下边缘作一弧形切口，长约1.5cm，置入10mm trocar ，建立气腹，放入光源探查腹腔。胆囊、胆道、肝脏等。胆囊切除术：在10mm trocar右上角置入5mm trocar，在10mm trocar左上角置入5mm trocar（可用长约6cm塑料trocar或将金属trocar锯短至6cm），后两trocar均在1.5cm切口内完成，但若是右肝后叶、左肝外叶或胆总管结石病变切除时，可将切口开至剑突与脐的中线，利于多自由度器械操作。⑤主操作者位于患者两大腿之间，助手可随患者病变部位不同位于左侧或右侧。⑥胆囊切除：主操作者用胆囊抓钳提起胆囊壶腹部，电极钩切开胆囊三角前后浆膜，游离出胆囊动脉后钳夹，切断胆囊动脉后再游离出胆囊管后钳夹，顺行切除胆囊。肝囊肿开窗引流及囊壁切除：电极钩或超声刀切开囊壁后，吸引器吸尽囊液，待囊腔塌陷后用超声刀沿囊壁与正常肝脏约0.5cm切除囊壁，囊强内置引流管引流。肝脓肿切开引流：腔镜下探查，寻找到肝脓肿（若为肝下脓肿，则术中用B超定位），超声刀切一小口，吸引器吸尽脓液，并反复冲洗脓腔，再用超声刀切除部分脓壁（利于脓腔敞开引流），放置引流管引流。胆总管切开取石：因利于胆道镜取出胆总管内结石，将切口开至剑突与脐的中线，用多自由度器械操作，切除胆囊后，腔镜专用切开刀切开胆管，置入胆道镜取出胆管内结石，若患者黄疸轻，胆总管下端通畅，则胆管行一期缝合，若黄疸重，且结石嵌顿于胆管下段，则安置T管后缝合胆管。左肝外叶血管瘤切除：超声刀离断肝圆韧带、镰状韧带及左三角韧带、左侧阔韧带，将血管瘤充分暴露后，电极钩沿血管瘤边缘0.5cm处划出一预切线，切除血管瘤可采用两种方式，一是用超声刀切除肝脏，遇大的血管或胆管时用组织闭合夹夹闭；二是用腔镜下射频针沿预切线凝固后用剪刀剪开肝脏，遇大的血管或胆管组织闭合夹夹闭防止出血、漏胆⑦切除物取出：若切除物或胆囊结石大于戳孔直径时，可将切除物装入自制的标本带，将标本带拖出切口外，切开胆囊，用钳子夹粹结石，取出胆囊，或将切除物剪成碎块后取出，避免延长切口。同时切口用可吸收线作皮下缝合。
2 结果
316例手术均在单孔腔镜下成功完成。手术时间30-182min，平均46min，术中出血5-100ml，平均20ml。185例胆囊结石切除胆囊后均未置腹腔引流管。36例肝囊肿术后腹腔引流放置2-4d，无引流物后经B超检查肝内及膈下无积液后拔除引流管。27例肝脓肿经引流管反复冲洗，4-8d拔除引流管。46例胆总管结石术后无漏胆，2-4d拔除腹腔管引流管。22例血管瘤切除后无出血、漏胆，2-5d后拔除腹腔管引流管。住院时间3-7d ，平均4.8d，手术费用平均下降500-1000元。术后切口愈合后无明显手术疤痕，脐下切口与脐基本融为一体。
3 讨论
1997年Navarra等[2]首先报道经脐单孔LC手术，经脐单孔腹腔镜技术给普通外科微创手术带来了新思路。在国内张忠涛等[3]2007年也率先报道了首例经脐单孔LC手术。我们在吸收国际、国内先进理念同时，初期创造性运用现有腔镜器械在脐下作单孔，在三个不同层面置入操作器械行腹腔镜胆囊切除手术探索，取得了良好的效果[4]。后引进先进的多自由度器械，将单孔腔镜下胆囊切除扩展到胆囊切除+胆总管切开取石、肝囊肿开窗引流及囊壁切除术、肝脓肿切开引流术、左肝外叶血管瘤切除，取得良好的效果。
3.1 手术病例选择。在单孔腔镜下手术，最难是怎样在一个点上能将切除物充分暴露，因孔在脐下，操作器械到胆囊、肝脏位置有一定距离，在初期，选择体型瘦，脐至剑突的距离近，近期无急性炎症发作的胆囊结石、胆囊息肉的病例进行操作，积累一定经验后，可对发病72小时的胆囊结石伴急性炎症患者进行手术，因72小时内急性胆囊炎患者胆囊三角水肿，利于解剖三角。郭伟[5]等认为，现阶段单孔腹腔镜手术应当有较严格的适应症，腹腔内的良性病变（包括胆囊结石、胆囊息肉、肝血管瘤、肝囊肿、肝囊腺瘤、脾脏囊腺瘤等）、胃肠道早期肿瘤（包括间质瘤）以及减肥手术等。笔者体会引进先进的多自由度器械，可将单孔腹腔镜手术扩展到胆总管结石，提别是有腔镜射频单级针后，单孔腹腔镜手术在肝脏手术方面可进一步扩展。
3.2 普通腹腔镜器械在单孔手术下的改进。怎样能使脐下单孔和四孔、三孔、二孔法一样暴露充分，是一个微创外科医生追求的目的。在单孔腹腔镜切口专用装置未获得国内上市，而国外产品价格昂贵的情况下，我们在现有器械上作一些改进。一是将5mmtrocar改为塑料trocar，或将5mm金属trocar锯短，长度约6cm，因trocar缩短，使得操作器械在体内碰撞、相互阻挡的机会减少，避免器械在体内出现“打架”现象。同时我们将辅助孔内的胆囊抓钳可在体外部分进行改进，使胆囊抓钳能在体内弯曲一定程度而不失去硬度，充分暴露切除物。常规电极钩作用单一，且在术中产生烟雾多，需放气才能得到清晰视野，我们在单孔腔镜中改用超声刀，超声刀集分离、电切、止血等效果为一体的工具，且产生烟雾极少，视野清晰。常规腔镜光源为直径1.0cm，单孔下在体内占据位置多，与其他器械易出现阻挡、碰撞，我们改进光源，使用直径0.5cm光源。
3.3 特殊、专用单孔器械的运用。虽然我们将常规器械作了一定的改进，在腔镜下胆囊切除取得了一定成功，但向肝脏、胆道等手术拓展过程中遇到了困难。后我们引进了单孔腹腔镜的特殊、专用器械，特别是Triport的应用，Triport有3-8个孔，其优点有：一是孔内有胶性材料，防止了漏气，二是可用于不同厚度的腹壁，三是每个孔道均能分开一定角度，使得器械在腹腔内保持一定距离，四是该装置的置入与取出非常方便，且利于标本的取出[6]。单孔腔镜手术要求器械有更多的自由度以增加其灵活性，这些器械在整个手术过程中要求像人体腕关节一样进行推拉、弯曲、扭转等多个自由度的活动。现成的国际、国内多自由度器械包括RealHandTM、AutonomyTMLapro-AngleTM、Dundee柔性关节器械和柳叶刀可腕转微创手术器械。这些多自由度器械的出现，是目前看来解决三角缺失的最佳方法之一[7]。
3.4 单孔腔镜下手术技巧的探讨。单孔腔镜下肝胆手术与传统四孔、三孔、二孔法手术相比，操作者缺乏方向感、立体感，怎样取得单孔腔镜下手术技巧，笔者体会：一是要具备熟练腔镜操作团队。我院肝胆二科从1992年以来开展LC手术以来，现已完成LC手术46320余例、腹腔镜胆道手术2512余例、腹腔镜肝叶切除118例、腹腔镜脾脏切除71例、腹腔镜胆肠吻合术33例，腹膜后肿瘤切除22例。一个熟练腔镜操作团队能使主操者得到充分的空间暴露和完整、清晰的手术视野。二是操作者要有丰富的腔镜操作技能。由于腔镜下肝胆手术属于精细操作，且空间有限，只有具有丰富腔镜操作技能，操作者才能有改变空间感和位置感的缺失余度，才能改变以前的固定思维，建立新的腔镜位置感、空间感，才能掌握新的单孔下操作技能。三是由易到难，积累经验，逐步拓展。在初始开展单孔腔镜手术时，应从相对简单的胆囊切除开始，在现有腔镜器械下操作者相对容易适应，逐步寻找到单孔下现有器械的使用规律、位置感和空间感后。可向肝脏、胆道手术前进。四是改进和适应现有腔镜器械。虽然Triport和多自由度器械对单孔腔镜下手术的开展起到很好的促进作用，但由于其价格昂贵，在基层医院及不发达地区医院开展有相当的难度，笔者体会，改进现有腔镜操作器械，并适应之，不适为现在形势下的一种选择。五是在行单孔下胆道手术时，可将孔开至脐与剑突中线偏上，切开腹白线后置入trocar或Triport，这样利于胆道镜行胆总管内结石的取出。行左肝外叶血管瘤切除时，我们首先用超声刀离断肝圆韧带，并切除部分肝圆韧带，避免肥大的圆韧带阻挡光源，同时用单级射频针沿肝预切线消融，腔镜下剪刀逐层剪开，遇粗的血管或胆管时用组织闭合夹夹闭，接近第一肝门或第二肝门约1.0cm时慎用射频针，可用超声刀解剖出第一、第二肝门的血管或胆管后组织闭合夹夹闭，也用线缝扎。没有腔镜下射频单级针的时，可用超声刀沿第一和第二肝门解剖出肝左动脉、门静脉左支及肝静脉左支，分别组织闭合夹夹闭，阻断左肝外叶入肝和出肝血流后，再用超声刀沿预切线切除血管瘤[8]。
虽然我们在单孔腹腔镜手术取得一定成功，仍然存在器械在体内互相碰撞、手术空间感缺乏、单孔Triport密封口漏气、单级射频针消融不完全等问题。但随着国际单孔特殊器械的国内化，器械费用逐步降低，单孔下操作技术不断熟练，腹腔镜单孔技术会在基层医院和不发达地区得到进一步的推广和深入使用。
参考文献
[1] Kalloo，A N，Kantsevovy S V，Singh V K，et al.Flexible transgastric peritoneoscopy：a novel approach to diagnostic and therapeutic interventions in the peritoneal cavity[J].Gastroenterology，2000，118：A1039.
[2] Navarra G ，Pozza E，Occhionorelli S ，et al.One-wound laparoscopic cholecystcctomy[J].Br J Surg，1997，84（5）；695.
[3] 张忠涛，韩 威，李建设，等.经脐单孔腹腔镜胆囊切除术1例报告.腹腔镜外科杂志，2008，13（4）：314.
[4] 胡仁健，秦红军，郭恺，等.腹腔镜单孔法胆囊切除术86例[J].武警医学，2013，24（3）：250-251.
[5] 郭伟，张忠涛，等.单孔腹腔镜手术的现状与前景.临床外科杂志，2009，17（12）：811-812.
[6] 朱震宇，段伟宏，郝法涛，等.单孔腹腔镜手术20例报告.腹腔镜外科杂志，2012，17（6）：473-476.
“机械奥运”机器人项目集机械、声、光、电、信息技术于一体,具有广泛的知识涵盖面。它是将设计制作与操控竞技结合,趣味性、观赏性、科学性兼备,深受学生喜爱的综合性科技活动。是沪港澳三地青少年步行机器人竞赛交流项目。内容有机械篮球、足球、短跑等十几项竞赛。拥有广泛的群众基础。它更是培养青少年创新能力,团队精神,树立科学道德规范的理想活动载体。
为了推动青少年“机械奥运”项目的发展,普及机器人科技知识,激发学生的科学兴趣,培养创新能力和正确的科学道德观。我们从课程建设的角度,初步构建了以问题化、信息化、模块化为主要特征的“机械奥运”活动项目课程内容体系。开发了面向全体学生的课程化教材及系列化配套器材。
目前宝山区青少年“机械奥运”系列竞赛活动已形成了传统,目的是力求为青少年提供一个学习、实践、展示科学素养的大舞台。
二、活动目的与理念
1.“机械奥运”项目竞赛活动方案设计,要实现由单纯性技能操练向以培养创造能力为重点的转变。注重知识学习与活动实践相结合,注重学习过程的科学探究,更注重探究过程中的道德体验、感悟与内化,引导学生形成持久的创新动力和正确的科学态度(见表1)。
2.学生科学探究能力的培养,要求在“机械奥运”项目竞赛活动方案设计中有完整的知识体系。十几项机器人竞技项目覆盖了从小学到高中的各年龄层学生,让每个青少年都有展示自己创造才能的机会(见表2)。
3.通过机器人竞技系列活动,逐渐在宝山区形成一支高素质的科技辅导员网络化队伍。措施:举办科技教师继续教育240培训班,定期举行学科教研活动。具体要求:
(1)学习普及型机器人科技基础理论知识,逐渐形成区科技辅导员网络化队伍。
(2)区科技辅导员具备较强的动手实践能力,示范教学能力。
(3)能够设计学校科技活动方案,组织学生科技社团活动。
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(4)能够辅导学生参与科技集训、竞赛活动。骨干学校确立自己的优势项目,形成科技品牌。
三、活动方案的创新特色
1.以自主开发的《模块式步行机器人》器材和课程化教材为基础,设计了系列化竞赛活动。注重创立探究需求的情景,形成了以学生为本,师生互动,民主和谐的“科学人文”环境。
2.活动以步行机器人为主题,以知识学习和操控技能相结合为特点的区级综合性青少年竞赛活动,内容覆盖了从小学到高中的各年龄层学生。
3.整个活动内涵丰富,努力营造充满高尚情趣和时代精神的场景,让学生有获得成功的情感需求,在这种集科学、艺术、竞技、娱乐为一体的探索活动过程中体验人生,陶冶情操,完善人格。
4.活动过程也是逐渐形成我区科技辅导员网络化队伍的过程,师资培训属于活动的重要组成部分,要先于活动的开展,并成为常态化制度。
5.活动过程中师生互动,教学相长。不断吸取创意灵感,为开拓新的活动项目积累资料。
四、实施活动的基础条件
1.宝山区校外教育基础雄厚。有专职机器人项目教师,积累了比较丰富的组织综合性大赛的经验。
2.自主研发了《模块式步行机器人》系列科教器材和课程化教材。为普及型机器人活动深入发展打下了基础。
3.宝山区有一支素质比较高的科技辅导员队伍,教学科研初具水平,活动的开展具备优越的师资条件。
4.步行机器人竞技项目还是宝山区科技教育品牌项目,得到了区教育局的政策支持,拨给专项活动经费予以保障。对于活动的开展十分有利。
5.我区基层学校设施完备,有些学校还拥有室内体育场馆,而且基层学校有专项科技活动经费,活动开展有保障。
6.暑期社区青少年机器人活动频繁,社区组织开展此类活动意愿强烈。有力促进我区青少年机器人活动的发展。
五、实施活动尚需注意的问题
宝山区是我市城乡结合的行政区,地域广大,乡镇学校多而分散,城乡学校在科技教育资源方面有一定差距。这要求区少科站在师资培训、活动指导、器材经费等方面有所倾斜。
六、竞技活动内容与知识重点(见表3)
七、竞赛活动组织机构与职责
组织管理机制如图1所示。
八、活动参与对象和时间安排(见表4、表5)
九、活动内容与阶段设置
“机器人竞技场”活动方案阶段设置与活动内容关系如图2所示。
十、活动过程
第一阶段:活动准备阶段
(一)前期准备:科研先行、资料收集、设备添置。
1.开发成功《模块式步行机器人》科教器和课程化教材。
2.收集整理项目竞赛内容、形式、规则等资料。 (参考了沪港澳青少年机械奥运竞赛组织经验)
3.打造竞赛道具,消耗用品,准备奖品等。
4.落实承办单位。
具体落实:师资队伍建设,基层活动开展。
(二)重点实施
1.利用网络媒体,下发文件进行广泛动员。
2.定期举行区科技教师项目教研活动,举办科技教师机器人项目培训班。
3.《模块式步行机器人》校本课程,活动器材进入课堂。
4.了解各校活动情况,参赛项目、参赛意愿、有何困难、有何需求等信息反馈。
5.根据各校反馈情况,区少科站项目教师下基层学校进行专项指导和服务。
6.印发竞赛规则,竞赛程序册。 7.组织学校报名参赛。
8.组织与竞赛规则有关的区级教研活动(见表6)。
第二阶段:活动主体阶段――机器人创意、设计、制作及竞技活动
竞赛项目一:机器人短跑
竞赛组别:小学三、四、五年级
1.活动形式
学校科技教师组织学生利用班组、小队、科技社团、家庭或社区等各种形式进行机器人科技探索活动。
2.活动内容与时间安排
(1)机器人知识与制作的探索研究(每周活动一次,活动时间段从3月～5月中旬)。
(2)机器人短跑竞技比赛(宝山区青少年“机器人竞技场”竞赛项目之一,计划利用五月科技周的一天,与其他各个竞赛项目一起集中举行)。
3.活动过程
(1)短跑机器人模块构建方案的探索:设立探求情景,要求学生在教师指导下,自主研制出竞赛机器人。给出三种机器人模块构建方案,制作和调试难度逐渐递进,机械知识相互衔接。学生通过多方案的制作实践。分析比较各方案优劣,就自然形成了探究学习的过程。
名称:曲柄连杆式四足步行机器人,如图3所示。 知识点:①四连杆机构。②齿轮传动机构。③机器人肢端运动轨迹分析。
名称:曲柄滑槽式四足步行机器人,如图4所示。
知识点:①曲柄摇杆机构。②曲柄滑槽机构。③机器人肢端运动轨迹分析。
名称:交叉
连杆式四足步行机器人,如图5所示。
知识点:①四连机杆机构中的双摇杆机构。②四连机杆机构的多种组合。③机器人肢端运动轨迹分析。
(2)机械知识与制作技能的探索研究(见表7)
(3)竞技比赛:本比赛纯粹是速度的较量,比赛以最快完成2m短跑的机器人为胜。
机器人短跑比赛规则 1.机器人规格
(1)机器人只可以单电机双电池运作。 (2)机器人长度不能超越300mm,阔度不能超过150mm,高度不能超过180mm(长、阔、高尺寸不能互换)。总重量不能超越500g(包括电池)。
(3)机器人必须以步行方式完成比赛。
(4)在比赛时,机器人不可有任何装置改变机械原本之尺寸。
2.比赛场地规格
(1)比赛时采用水平短跑赛道板,跑道2000mm长,起跑区长400mm,如图6所示。
(2)赛道上共有6条跑道。每条跑道阔150mm。
(3)定时器会置于赛道板末。
3.比赛规则
(1)比赛以最短时间完成指定距离来决定胜负。
(2)参赛者可选择待栏闸打开才启动/放下机械,或是先启动/放下机器人等待栏闸打开。
(3)参赛者不可再碰触已离开起跑区的机械,机器人若停止活动或在限时30秒内未能到达终点会当作仍未能完成比赛(见表8)。
竞赛项目二:机器人拔河
组别:小学四年级～初中一年级
1.活动形式、要求和时间:同前(略)。
2.活动过程
(1)机器人知识与制作技能的探索研究
知识点:①齿轮传动比与动力轴转速及动力输出力矩的关系。②机器人的重力、重心、足底接触面积和摩擦材料、作用力方向等机械力学知识。
机械原理:步行机构(单侧步行足)由曲柄滑槽机构和两组曲柄摇杆机构共一个动力曲柄组成的复合机械装置(如图7所示),动力装置采用四级齿轮传动低转速方案。
机械方案特点分析:机器人左右足底板相连,左右足同步迈进。中足与前后四错落地行走。这种方案使得机器人在拔河竞赛时,拉力方向始终在中轴线上。比较符合力学原理。而采用交错步的机器人会因重心左右摆动,拉力线也会随之漂移。另外脚板面积也不易做大。
模块构建方案的探索:①指导学生以力学原理构建模型方案,讨论下列方案依据。机器人采用左右足底板相连,左右足同步迈足方案的依据。②机器人采用相对较短曲柄,小步幅组装,减速齿轮箱采用低转速(四级齿轮传动)高扭力方案的力学依据。③机器人足底板的制作:要求尺寸准确,胶皮粘合均匀平整。在规则允许的范围,足底板的面积尽可能大。④机械组装(略)。⑤调试(略)。
讨论与思考:①请同学运用初中物理学知识,研究拔河机器人的重量、脚底板面积、采用的材料和摩擦力的关系。②用力学知识,分析判断机器人配重是采用均衡分布,还是集中一点方案?如何确定配重物的位置?③尝试研究新的拔河机器人构建方案。
(2)竞技比赛
此项比赛主要测试各机器人之力度,机器人要以步行的方式移动,比赛是以最快将对方拉出指定范围者为胜。
机器人拔河比赛规则
1.机器入规格
(1)机器人只可以单马达双电池运作。
(2)机器人长度不能超越300mm,阔度不能超过150mm,高度不能超过180mm,总重量不能超越500g(包括电池)。 (长、阔、高尺寸不能互换)
(3)拔河采用长150mm的电线扣为联系两台机械之物件。
(4)机器人身体末端中央离地60mm~90mm处须装置一个直径lOmm的金属羊眼圈,以便钩上拔河之电线扣,如图8所示。
(5)机器人必须以四足步行方式移动,每只脚掌面积不能超过25mm×50mm步行时每只脚板均会离开地面。机器人不应有任何部分永久接触地面。
(6)机器人接触地面的部分不应有高度黏性(以不粘起一张80g的A4打印纸超过3秒为准)。
2.比赛场地规格
本比赛采用拔河赛道板。拔河赛道板
长1000mm x阔180mm×高180mm,于中线前后各有75mm阔之标记,如图9所不。
3.比赛规则
(1)比赛以一场分出胜负,比赛由裁判示意开始,当机器人将对方拉出每边65mm的比赛范围之外便告胜出。
(2)比赛限时为1分钟,若在时限内仍未能分出胜负,则以重量较轻者为胜。
(3)比赛开始时若机器人不能启动或中途停止活动,机器人就当作败论(见表9)。
竞赛项目三:寻迹追踪机器人
组别:高中一、二、三年级
1.活动形式、要求和时间:同前(略)
2.活动内容
(1)按比赛规则制作一个绕障竞速机器人。
(2)学习操控机器人的技术。
(3)在绕障竞速机器人的基础上,发展出追踪机器人。
3.重点
(1)机器人模块构建方案确定。
(2)网上查找追踪机器人电子光控线路资料。
4.难点
电子光控线路的制作与机器人的匹配调试。
5.活动过程
(1)机械原理
步行机构(单侧步行足)由四组四连杆机构共用一个动力曲柄组成的复合机械装置。模型采用一体双板形式。两组齿轮箱分别给左右步行足提供动力。使得机器人前进后退,左右转弯灵活自如,操控性极佳。
(2)绕障机器人(如图10所示)的技术特点
此项竞赛要求机器人具有良好的操控性,高速步行性能和机动灵活性。从装配图上看这是一种小步幅,高步频,底重心的组装方案。因为这种组装法底板离地面最近,重心自然也最低。这对机器人高速步行的稳定性和操作灵活性都有很大作用。
(3)制作与调试(略)
(4)研究课题:机器人功能拓展
①思路:追踪机器人(如图11所示)是以绕障竞速机器人为步行机械平台,装上电子探测装置,前部加装平行四连杆机构和红外光感探头组成的柔性探臂。柔性探臂可随机器人步行节奏起伏,自动即时调整光感探头紧贴地面,使得感光条件一致,机器人沿竞赛规定黑线行走时,成功几率大增。
②要求:作为扩展性研究内容,要求学生自行上网收集有关资料,在老师指导下制作电子探测装置,并完成与机器人的匹配调试工作。
(5)总结与表彰
组织模拟竞赛,总结与奖励。
(6)竞技比赛
机械追踪比赛的目的是实践自动化操控概念(autonomous contr01)比赛中机器人必须有感应器装置以便依从黑线行走,一般可用红外线感应器或光敏电阻作为感知元件。为了提高学生对电子制作科研水平和兴趣,大会将接受自行开发的线路板。但为了技术交流,参赛者必须公布技术参数和线路图,本会将在网上公布,以便供其他同学参考。
机械追踪比赛规则
1.机械规格
(1)参赛作品只可以双马达四电池运作。机械长度不能超过300mm,阔度不能超过180mm,高度不能超过240mm,总重量不能超过1 kg(包括电池),如图12所示。
(2)参赛机械必须预先一个月前公布电子线路和技术参数。以便及时网上公布。
(3)机械须以光学原理自动控制。
2.比赛场地规格
(1)本比赛采用星球追踪比赛相同综合赛道板,如图13所示。
(2)比赛场区面积 2400mm×1200mm,四周有高lOOmm之围板。
3,比赛规则
(1)开始比赛时,机械被放在指定的位置,待裁判示意比赛开始,计时器此刻同时计时开始。
(2)机械要依着黑线步行,以机械触碰终点计时装置为结束。
(3)比赛时间以1分钟为限。
①比赛以用时短者为优胜。②若在1分钟内未能完成,便会量度距离,以距离远者为胜。③若途中离开黑线,将记下距离和时间,以距离为优先,时间为参考。度量距离以起点至机械离开黑线地方的直线长度。
(4)比赛一开始,参赛者再不能碰触步行机械,直至比赛结束。
(5)比赛中途,若有参赛机械离开指定路线,裁判将有权拿走该机械,以免影响其他正在比赛的机械。
竞赛项目四:机器人足球
组别:初中一、二、三年级
1.活动形式、要求和时间:同前(略)
2.活动内容
(1)按比赛规则制作一个足球机器人。
(2)足球机器人模块构建方案的多样性选择。
(3)研究足球机器人的重量、速度和力量的关系。
(4)培养团队精神,参与竞技比赛。
3.重点
(1)足球机器人的重量、速度和力量的搭配。
(2)培养团队精神和意志品质。
4.难点
足球机器人的操控技术和比赛战术配合。
5.活动过程
(1)模块构建方案探索
这里提供两种模块集成方案作参考(如图14、图15所示),要求学生研究出竞赛型足球机器人模型,其过程类似短跑机器人探索过程。
(2)探索机器人球队的战术组合
因为目前机械奥运足球规定是三对三的比赛,分别有前锋、后卫和守门三种机器人。可以尝试高速机器人和中速机器人球员搭配,灵活型和力量型兼顾的阵型。比如前锋采用快速灵活型机器人球员,中后卫采用中速力量型机器人球员。(高、中、低速方案可以通过齿轮箱的齿轮传动组合来实现)
(3)训练方法
①射门练习,盘带练习。②模拟对抗比赛。教师要适时有意识地引导学生在具体的活动过程中体验团队精神,锻炼意志品质。
(4)思考与实践
在实际创作和比赛活动中,学生有了亲历的体验。在此基础上请学生自己总结。
①研究足球机器人的重量、速度和力量的关系。②总结机器人配重要点。 (重心低且要居中、配重量适当)③根据自己在球队中的角色,修正机器人制作方案。④谈谈集体对抗性竞赛项目在比赛中,团队协作精神的重要性。
(5)竞技比赛
本项目是以队制形式进行,每队有三台正选步行机器人,及一台后备机器人,期望学生制作出较灵巧的步行机器人,并在比赛中发挥合作精神。比赛以两队步行机器人进行对抗,在指定时间内用“脚”将足球踢人对方龙门,以人球多者为胜。
机器人足球比赛规则
1.机器人规格
(1)参赛机器人的长度不可超过300mm,阔度不可超过200mm,高度不可超过240mm(长、阔、高尺寸不能互换)。总重量不能超越1.5kg(包括电池及接收器)。
(2)每队由三台步行机器人组成。
①前锋机器人需于200mm旗杆贴上黄色半圆形旗帜,并只能于己方前半场活动,范围包括敌方。②中场机器人需于200mm旗杆贴上红色三角形旗帜,除了不能进入双方的,可于全场活动。③防守机器人需于200mm旗杆贴上蓝色长方形旗帜,并只能于己方后半场活动,范围包括己方。
(3)机器人的前端必须有左右各一件挡板,挡板由齿轮箱前端向后倾斜30～45度,至遮蔽用作步行的前脚,防止机器人的前脚踢球,两件挡板前端的开口最大距离是30mm,所以踢球的脚或板不能大于30mm。 (见附图)
(4)比赛时机器人以大会认可的无线方式控制。如红外线操控板或无线操控器。
(5)机器人必须以摇摆方式(非旋转式)踢球。
2.比赛场地规格
(1)本比赛采用足球赛道板。
(2)比赛场地的样式会印于一张面积3658mm×2438mm的横额物料上,四周有高100mm之45度三角斜围板,龙门为915mm阔×200mm高×200mm深。比赛选用直径约60mm的橡皮球。
3.比赛规则
(1)机器人只可踢球,不能持球或推球。
(2)后备机器人连操控器需放在大会的指定地方,否则不能要求更换机器人。
(3)比赛分上、下半场,各场时限为2分钟。比赛首阶段为小组循环赛,胜方得3分,负方得0分。和局各可得1分。次阶段为淘汰赛。
(4)以掷毫方法决定开球队伍及场地,每队在上、下半场各有1次开球机会。双方先摆放前锋机器人,再于内摆放防守机器人,由开球一方于中圈内先摆放中场机器人,最后由对方于中圈外摆放中场机器人。
(5)待裁判指示才可开球,而计时亦以此刻为开始时间。开球队伍须于5秒内开球,否则改由对方开球。其余机器人待开球后才能开动。
(6)将球踢入对方龙门便得1分,失分球队将再在中场开球,而定时器不会暂停,比赛完结时得分较高者便为胜方。
(7)时限过后仍未能分出胜负,于循环赛中会算作和局,于淘汰赛中会加时比赛,以实时死亡决胜负,各队只可派出一台机器人作赛,实时死亡的时限最多为2分钟。若仍未能分出胜负,双方轮流派出一台机器入射定点球,每方三台的机器人各射一球,并记录入球的时间,入球最多一方为胜,若入球数目相同时,以时间最短者为胜。若第一轮射定点球仍未能分出胜负则再射第二轮,直至分出胜负。
(8)定点球做法是将足球置于中圈,机器人于限时1分钟内不限次数射空门(即没有防守机器人),直至射入。机器人不能进入射球,但可从取球。
(9)机器人因犯规被罚十二码球,足球会放于顶之中央,射球的机器人先放于乏外,之后守方才将防守机器人垂直(最短的一边)放于龙门底边的中央,对方未触球前防守机器人不能开动,否则会被警告及重射定点球。
(10)比赛时双方若争持足球超越10秒,裁判可暂停比赛,将双方的机器入分开距离足球约300mm后再进行比赛。
(11)参赛队员应在指定位置操控机器入。比赛一开始,参赛队员再不能触碰机器人和球,直至将球踢入对方龙门或比赛完结为止。
(12)开球第一脚踢入龙门的入球作废。连对手机器人及球一起推入龙门的入球作废。
(13)比赛进行中,若需要维修或更换机器人要向球证提出,获得批准后方可进行,机器人需由球证取出及放回,定时器不会暂停,球赛仍继续进行。放回原位之机器人需得球证指示方可操控移动并继续比赛。
(14)所有判决最终由项目裁判组决定。
足球竞赛场地图如图16、图17所示。
竞赛项目五:机器人篮球比赛
组别:高中一、二、三年级
1.活动形式、要求和时间: 同前(略)
2.活动内容(另附详细课程化教材)
(1)按比赛规则制作一个篮球机器人。
(2)学习操控机器人的技术。
(3)了解拾球机器人机械手原理。
(4)培养沟通和协调能力,发扬团队精神。
3.重点
(1)篮球机器人的步行平台模块构建方案依据。
(2)拾球机械手制作与调试。
(3)培养沟通和协调能力。
4.难点
(1)拾球机械手制作与调试。
(2)机器人操控技术,比赛战术配合。
5.活动过程
(1)步行机构和拾球装置模块构建方案的探索:机器人步行平台模块集成方案有多种选择,方法如前几项。
(2)机器人球队的战术组合(类似足球机器人)。
(3)训练方法
①传球和投篮练习。②模拟对抗比赛。让学生在实际的活动中体验沟通和协调的重要性。教师要适时有意识的引导学生。
(4)思考与实践
①为什么上面所有机器人步行平台模块构建无一雷同?如何根据比赛项目确定步行平台模块构建方案?②改进投篮机器人模块构建方案。思路:a.降低重心;b.增大投篮器盛球篮面积,想一想这种设计有什么好处?③所有机器人步行平台模块构建方案并无一定模式,请你自己探索。④谈谈竞赛中战术策略与协同配合的关系。
(5)竞技比赛
机器人篮球比赛是另一种队制形式比赛,模仿人类的篮球比赛,即有传球及射球等活动。每队由2台机器人组成,每台机器人需兼具拾球及投球的功能。比赛会用一个橙色乒乓球作为篮球。比赛只有一场,时限为6分钟,每个人球可得两分,比赛结束后以得分最高者为胜。
机器人篮球比赛规则
1.机器人规格
(1)篮球机器人(如图18所示)包括已伸展的拾球及投球装置计,其长度不能超越300mm,阔度不能超过200mm,高度不能超过240mm(长、阔、高尺寸不能互换)。总重量不能超越1.5kg(包括电池及接收器)。
(2)参赛机器人使用齿轮箱的数目不多于5个,须以步行方式移动。
(3)比赛时机器人可以大会指定的无线方式控制,如红外线操控板或多频道无线操控器,故机器人应预留空间装置红外线接收器或无线电接收器。
2.比赛场地规格
(1)比赛将用篮球赛道板,四周有457mm高的透明围板。直径180mm的篮筐离地高度为240mm,如图19所示。
(2)比赛会以一个橙色乒乓球球作篮球。
3.比赛规则
(1)每队可预备三台机器人,其中两台机器人用作出赛,第三台机器人作后备更换之用,比赛前须先交给裁判保管。没后备机器人的队伍只能修理损坏之机器人。
(2)开始比赛时,双方机器人要置于自己半场的中圈外,并面向攻方。裁判会于中圈的中心以上300mm放下一个篮球供双方争夺。
(3)篮球机器人取得篮球后,须于5秒内抛出篮球,否则算作犯规(持球),裁判会给予犯规者一次警告,并由对手于原地开球。若能投入对方的篮筐内可得两分。比赛时限为6分钟,以得分最多者为胜。
(4)比赛进行中,若需要维修或更换机器人要向第二球证提出,获得批准后方可进行,机器人需由球证取出及放回,定时器不会暂停,球赛仍继续进行。放回原位之机器人需得球证指示方可操控移动并继续比赛。
(5)限时过后仍未能分出胜负,以实时死亡决胜负,不用对换场地,亦不能更换机器人。双方机器人要置于自己半场的中圈外,并面向攻方。裁判会于中圈的中心以上300mm放下一个篮球供双方争夺,以最先入球者为胜。实时死亡的时限最多为3分钟。若仍未能分出胜负,双方轮流派出一台机器人射定点球,每次时限为1分钟。每方二台的机器人各射一球,并记录入球的时间,入球最多者为胜,若入球数目相同时,以时间最短者为胜。若第一轮射定点球仍未能分出胜负则再射第二轮,直至分出胜负。若再和局则从抽签分胜负。
(6)定点球不设防守机器人,做法是将篮球置于顶之中央位置,机器人由中圈出发去拾球,若投球不入,机器人可在限时内捡回篮球再射,射球次数不限,但不能进入射球。
(7)入球后由失球一方于自己半场的底线开球。
(8)双方机器人不能进入超过5秒,否则会被裁判警告,并由对手于原地开球。
(9)同一台机器人犯规两次会被罚球,由对手机器人于外射球一次。射入罚球可得两分,失球一方于自己半场的底线开球。若罚球不入,比赛会随即继续进行。
竞赛程序:分组抽签 (与机器人足球比赛程序相同)
竞赛项目六:星球探索机器人
组别:高中一、二、三年级
1.活动形式、要求和时间:同前(略)
2.活动内容
(1)星球探索机器人模块构建方案。
(2)按比赛规则制作一个星球探索机器人。
(3)机械手抓斗的改进。
3.重点
机械手的制作和改进。
4.难点
机械手的制作和改进。
5.活动过程
在前面制作的基础上,要求学生自己独立完成作品。
(1)步行平台和拾球装置模块构建方案的探索
①演示连杆机械手步行机器人作品(如图20所示),并要求在篮球拾球机器人的基础上,制作星球探索机器人。②星球探索机器人要在模拟的外星球环境中采集岩石标本,需要负重。请你思考,采用哪种机器人齿轮传动方案和模块构建案?提示:上述系列机器人布局方案无一雷同,底板没有前后正反之分,原则是布局配置尽量使机器人的重心均衡,这样机器人转向比较灵活机动。③研究连杆机械手步行机器人机械手机构原理与改进,提高采集标本效率。④要求每个人提出构思方案,并交流讨论,相互启发。⑤在以上研究基础上动手制作实践。⑥学习机器人的调试、检查与排除故障的技能。
(2)训练内容
①模拟采集火星岩石标本的操控练习。②组织对抗比赛。
(3)机器人作品交流与总结
①讲评创意机器人,表彰创新精神。②总结和奖励(略)。
(4)竞技比赛:希望学生于此项比赛中设计灵巧的手钳作探索星球,而非作星球开矿。机器人要拾取岩石样本(乒乓球),运送至指定的地点储存,拾取岩石时要选取有用之岩石(白色乒乓球),避免选取有害之岩石(橙色乒乓球)。
星球探索比赛规则
1.机器人规格 (1)机器人以收起机械手计,其长度不能超
越300mm,阔度不能超过200mm,高度不能超过240mm(长、阔、高尺寸不能互换)。总重量不能超越1kg。
(2)参赛机器人不限使用齿轮箱的数目,但须以步行方式移动,每次拾取岩石的数量不限,但必须以机械手夹持或合拢的方式为原则,不能用铲泥的方式向上兜接或扫拨。
(3)比赛时机器人以有线控制盒手动控制。
2.比赛场地规格
(1)本比赛采用综合赛道板,如图21所示。
(2)比赛场区面积2438mmx1219mm,四周有高100mm之围板。
(3)岩石储存于赛板两端的基地容器,长300mm×阔300mm×高50mm。
3.比赛规则
(1)参赛机器入须于2分钟内捡拾不同颜色的岩石样本(乒乓球),不同颜色的岩石代表不同的分数,以基地容器的岩石总分最高者为胜。在机器人身上的岩石不会被计算。若分数相同,以白色乒乓球最多者为胜。
(2)不同颜色的岩石所代表的分数如(表10):
(3)参赛机器人不能损害或阻碍其他参赛机械,如有违反,裁判将发出警告;凡被罚2次警告,将取消其参赛资格并使其立即离场。
(4)在比赛进行中,机器人如有故障可向裁判要求实时离场作维修,维修后之机器人须由裁判放回原位继续比赛,该机器人不会获得额外之补时。
竞赛项目七:自主设计创意机器人评比
组别:小学、初中、高中
机器人造型设计比赛规则
1.机器人造型设计比赛的目的
在于让学生尽量发挥创作意念。在比较宽松的规格下,机器人外型可更具创意及富有美感。
2.参赛组别
(1)小学组与中学组分组评比,每校最多可派两只步行机器人参赛。
(2)每个机器人要起一个名字(见表11)。
3.比赛规则
(1)参赛作品不得参与其他任何赛事。
(2)曾参加上届比赛的机器人不得重复参加本年度相同的赛项。
(3)机器人连背景装饰不得大于425mm×300mm×230mm(长、阔、高的尺寸可以互换)。
(4)机器人须完成基本步行动作并装饰美丽。
(5)比赛当日参赛同学需向裁判作现场讲解或说明创作意念及特色。参赛同学可附交一张A4之作品简介(见表11),但说明内容不可含有任何与学校或作者姓名有关的文字及图像。
4.评审准则(见表12)
100%各机械造型设计比赛胜出的队伍需留下作品供作展览之用。其他未有胜出的队伍需于决赛当日中午后取回参赛作品(见表13)。
第三阶段:活动总结,网络媒体展示优秀作品,教师教研交流。
1.机器人竞技活动优胜者发奖与表彰大会。并在综合评估的基础上,评选基层学校优秀活动组织奖,最佳科技辅导员奖。
2.资料汇总,收集与整理。以利活动的可持续发展。
3.组织教师专题教研交流活动,对于活动客观总结利弊得失,写出专题报告。
1.1文献资料法:阅读1985、1989、1993、1997、2(X)l年国际评分规则及有关文献;
1，2数理统计与比较研究法:对历届规则分值结构和难度数量变化进行数理统计与比较分析。
2结果与分析
从可以看出，艺术体操个人项目分值的分布呈现出动态的波形发展过程。编排分由高逐渐降低，在2001版规则中回复到1985年水平。完成分则体现出相反的发展趋势。集体项目中，编排分和完成分在1997以前基本持平，到2001年编排分上升，完成分则体现下降的趋势。总体来看，编排分所占比重大于完成分。项目的艺术优美性、技术价值的高难度化、完成动作的高质量是规则发展的总趋势。美中求难、难中充分体现美，配之于动作准确无误的完成，是当今运动员在比赛中出类拔萃，取得优秀成绩的重要保证。
2.1技术价值的竞技化趋势
动作难度级别、数量和类型不断增加，速度不断加快。在1997年版以前的规则中，难度的数量逐年增加，到2001年急剧上升，几乎达到最大饱和度。难度的级别也从1985年的中难度和高难度逐步发展为A、B、A+B(B+A)、B+B、C、D、E等5种难度级别。尤其是在2001年，规则对难度的级别做出了重大调整，取消了原来的联合C、D难度，并以单个的高难动作C、D、E难度来代替。与此同时，新规则中极大丰富了难度动作的类型。单个的跳难度类型由1997年的34种陡增到2001年的14个类型77种动作，平衡也由原来的21种上升到现在的49种，转体由36种上升到70种，柔韧和波浪由23种上升到68种动作。难度类型的成倍增长，为运动员身体动作的编排提供了丰富的资源;难度数量和级别要求的骤然增加，对运动员的竞技能力提出了更大的挑战。
在难度数量和难度级别大幅度增加的同时，个人和集体成套动作时间都没有改变，这就意味着运动员完成动作速度将会大大加快二一系列的变化表明，新规则对运动员的体能、技术、技能及综合身体素质都提出了更高更难的要求。因此，竞技性艺术体操向高难度、快速度发展是必然趋势。
手持器械完成成套动作是艺术体操区别于其他运动项目的最为显著的特征。在成套动作中，运动员必须熟练、充分运用器械。新规则通过对特殊艺术性加分分值的大幅度的上升，充分强调了器械技术的重要性。它的实施，必将导致各国艺术体操界对器械技术训练的重视，器械技术的发展也将日臻完善。因此，器械技术的复杂化、惊险化、高难度化是艺术体操成套编排的必然趋势。
创新是艺术体操的生命。历届大赛证明，世界冠军总是属于那些有绝活、有创新、有超难动作的运动员。新规则中，动作的独创性加分上升到1.0分，在总分中所占的比重远远高于1997年以前的水平，从而更加突出了动作创新的重要性。
2.2完成价值的主要变化—对器械掉地的理解
器械掉地的难度无效。这是新规则区别于旧规则的又一显著特征。从表2可以看出，器械掉地的各种情况的扣分所占比重以1989年最大，以后逐次降低，到1997年降到最低，但20()1年新规则重又开始强调动作完成的质量，扣分的比重也有所回升，较接近1993年版水平。由此，新规则对运动员完成器械动作的熟练性和稳定性提出了更高的要求。
稳定的完成动作是取得世界冠军地位的保证。在世界高水平的赛场上是绝不允许有任何看得见的失误的。在1999世界锦标赛中，Kabaeva以她超人的身体动作难度、非凡的柔韧性、精彩的表现力、熟练精确的完成质量，征服了裁判，赢得了个人全能、球操、带操和个人团体4枚金牌，6个10分的好成绩。赛后，她一度被公认为20(X)年奥运会艺术体操个人全能冠军最有力的争夺者。然而，在悉尼奥运赛场上她的圈操却出现了灾难性的失误—器械掉地且出界，被扣去了宝贵的0.2分，将唾手可得的冠军宝座拱手让人。可见高难度的身体动作、完美的艺术表现力是取得优秀成绩的基础，稳定的完成动作是保证。但仅有稳定熟练和优雅的气质也是远远不够的，乌克兰的Vitriehenko在2(X用年奥运会中，她的表演极具美的感染力，也几乎没有任何看得见的失误，但在动作难度和速度方面终究逊人一筹，最终与奖牌无缘。
3结论
3.1新规则对运动员完成超难动作的能力提出了更大的挑战，身体动作的高难度、快速度是成套动作发展的必然趋势。
3.2新规则着重突出艺术体操的灵魂—身体难度与器械技术的完美结合。身体动作与器械动作结合程度的紧密化、结合方式的复杂、多样化、器械技术与身体技术配合的准确性与惊险性是当今艺术体操发展变化的主要特点。
通过观看第二十六届奥运会艺术体操集体五人项目决赛及1997年四大洲艺术体操比赛,对共计18套成套动作的录相进行研究和记录。在参考、查阅相关资料的基础上,对有关数据进行统计分析和对比。
2分析与讨论
2.1集体成套动作队形变化的特点
集体项目的队形丰富多彩、复杂多变。成套中所有的动作移动、器械交换都需要通过一定的队形来表现。这些队形依其是否构成了相对稳定的形态而划分为成型队形和过渡队形两大类。队员位置相对固定,组成了清晰而明确的视觉映象,叫做成型队形;而在由一个成型队形转换至另一个成型队形的动态过程中,瞬间出现并随即消失的队形称之为过渡队形。在现行的竞赛规则中,要求每套动作至少包括6个不同的队形。队形图案相对稳定并且清晰可见,队员在每个队形中不能停留太长时间。根据以上要求,我们对第二十六届奥运会艺术体操集体五人项目前6名队及1997年四大洲艺术体操集体五人项目前3名队不同器械共计18套成套动作队形变化进行统计分析。表明,世界最高水平的集体成套动作,平均队形数相差很小,成型队形与过渡队形比例基本相同,新队形平均出现时间间隔明显缩短。第二十六届奥运会艺术体操决赛与四大洲艺术体操比赛相比,表现更为突出,反映了当代世界高水平艺术体操队成套动作队形变化的特点,即过渡队形增多,移动速度加快。
2.2集体成套动作队形分组结构发展的趋势
对18套集体五人项目成套动作的队形分组结构进行统计,结果表明应用最多的是三组结构和双组结构,分别占29.5%和25.9%;其次为五组结构和单组结构,各占21.9%和16%;采用率最少的是四组结构,仅占6.7%。比较结果表明,世界高水平艺术体操五人项目在成套动作中,队形分组结构采用种类比较丰富,有了更大、更新的发展空间,使队形更加巧妙、多变、纷繁复杂,也对教练员在选择队形时提出了更高的要求。
2.3集体成套队形中规则与不规则图形比较
规则图形,一般指图案简单,变换时易于成形,有时是对称的,多体现在纵排、横排、圆形等;不规则图形是指图案较复杂,变换时不易成形,往往是不对称的。经统计,在18套成套动作中,不规则图形数量占总数量的68%,规则图形占32%。尤其是在器械交换中最能体现出来。五人交换打破了六人交换器械时1对1的基本格局,通过同步交换与连续交换(移动中交换)两种方式来完成。一般同步交换的队形采用的是斜排、圆形、十字形、丁字形等一些较为规则的队形。在成套中这一类形式运用较少,但较多地运用连续交换(移动中交换)。利用器械交换时距离、方向的改变,场上队员移动位置形成连续多次不规则图形出现。这样无疑加大了动作的力度及幅度,同时也增强了整套动作队形的巧妙利用及空间场地使用的多样化,使成套更加活跃。
2.4集体动作不同器械对队形的选择与运用
集体项目比赛分同一器械与不同器械两种。运动员手持不同器械运动时,对运动的空间有着不同的要求,也就必然会对队形的选择和应用产生一定的影响。例如:球的体积最小,手持球运动不需要很大的空间,所以在五球中5名运动员集中一致的较规则图形的出现要多于其它器械。如:十字形、梯形、三角形等。三球二带中的带活动范围最大,再加上两种不同的器械的结合,导致更多地采用不规则队形。同样,不同的图形本身也具有各自的特点。不同的队形运用不同的器械动作可以表现出不同情绪效果。通过统计,我们发现8种队形在成套中是较常见的。在世界强队的18套成套动作中,采用梯形的频率最高。这一队形具有开阔、端庄的特点。在同一器械成套中编排优美流畅的身体难度动作,可体现整齐一致的效果,也可以展现每个运动员的身体动作姿态;而在不同器械成套中编排这一队形,就会具有层次感,使观众产生良好的视觉效果。
此外,十字形、丁字形、盾形和箭头形等4种队形的特点是纵横交错,多方位,容易体现出高潮。因此它们在相同或不同器械成套中采用都比较平均,大多数是在器械做对抛时采用,突出成套中的高潮和精彩段。其余几种队形,如直线、三角形、圆形等都是较规则的图形,容易体现出整齐的效果。直线和圆形队形在相同器械中采用得较多,而三角形队形却在不同器械的成套中采用得较多。这是因为三角形队形不易于组织,但颇具观赏性,而且队形本身能体现有力、平静、对称的效果。在不同器械成套中由于人数和器械的不对称,成套中往往都处在不规则的情况下,在此采用一个较规则的三角形,能使人感到动中有静,乱中有序。
【中图分类号】 G613.7 【文献标识码】 A
【文章编号】 1004―0463（2017）06―0062―01
一、幼儿园户外体育锻炼的应用价值
幼儿园户外体育活动的开展，对于幼儿的身心健康发展具有重要作用。第一，有利于幼儿保持愉快的心情，培养坚强、勇敢的品质。第二，在开学初、学期末定期对幼儿的身体进行测评，例如对身高、体重、头围、胸围、腰围、坐高、臂长等测评，可以作为体育锻炼后幼儿身体发育的评价标准。第三，能够提高幼儿的自我保护意识，帮助幼儿养成良好的行为习惯，并逐渐培养团队精神、协作精神。
二、民间游戏的开发和要求
1. 多方面搜集民间游戏。民间游戏充满着生活气息，从中可以感受到传统文化的总结和应用。这些游戏项目比较接地气、玩法简单，而且娱乐性比较强。在教学过程中，教师应搜集不同地区的游戏玩法，综合参考幼儿园的实际情况、幼儿的认知特点，从中选择出合适的游戏项目。常见的如：踢毽子、木头人、捉迷藏、老鹰捉小鸡等。
2. 创建良好的游戏环境。幼儿的户外活动要重视民间游戏的运用，教师要根据游戏特点创建良好的游戏环境，保证所有幼儿都能够参与到活动中。教师可以根据幼儿好奇心、好动性强的特征，充分利用教学中和生活中的废旧材料创造出新的游戏方法。例如，在钓鱼游戏中，可以将空饮料瓶当作鱼缸，把碎布裁剪后当作小鱼，加水后就可以进行钓鱼。游戏环境的创建能够锻炼幼儿的动手、动脑能力，增强想象力和创造力，有利于幼儿的全面发展。
3. 考虑幼儿的发育特点。一方面，幼儿的兴趣爱好不同，对于游戏的喜爱程度也不同，因此就会在参与游戏的积极性上有所差异。对此，教师要通过观察和了解，掌握各个幼儿的性格特点、身体素质，并开展针对性的游戏活动，以满足不同幼儿的兴趣需求。在幼儿园内，游戏可以在课间进行，这样有效节约了隐性时间，有利于幼儿劳逸结合。另一方面，幼儿的年龄大小不同，对于游戏的选择也不同。例如小班幼儿刚入幼儿园，对周围环境比较陌生，对家长和教师的依赖性强，喜欢待在教师旁边。针对这种情况，教师可以开展拉大锯游戏，这样能够保证幼儿和教师之间、幼儿和幼儿之间面对面相处。
另外，应以《指南》为基础，抓好幼儿基本动作发展练习。可结合基本动作走、跑、跳、钻爬、投掷、平衡等项目，进行不同年龄段的练习，并配以不同音乐旋律，将单一的运动项目整合为体育、游戏、音乐、社会相结合的综合性教学。尤为突出的是，幼儿园可结合孩子们特点创编多套体操，如安全礼仪操（徒手操、武术操、模仿操）、各种器械操（呼啦圈操、绳操、球操、易拉罐操、彩带操、彩棒操）等。将体操与音乐游戏相结合，促使课间活动丰富多彩、趣味横生。
5. 提高幼儿的主动性。民间游戏中大多蕴含着一定的内涵，需要教师和幼儿在游戏中进行挖掘。例如丢沙包体现出团结协作能力，木头人体现出控制管理能力，捉迷藏体现出观察分析能力等。教师要引导幼儿自主参加游戏活动，从而让幼儿获得愉快的体验，成为学习和生活的主人。
三、活动器械的运用和要求
1. 选择有特色的活动器械。幼儿园户外活动常见的活动器械例如滑梯、蹦床、皮球、转椅、橡皮筋、呼啦圈等，幼儿园必须进行购置。除此之外，还要学会自己动手制作出游戏器材，丰富器械的种类。
2. 创新丰富器械的玩法。游戏过程中，教师要改变先入为主的观念，摒弃教师示范、幼儿执行的模式，鼓励幼儿进行自主探索和创新。以袋鼠旅行游戏为例，教师不告诉幼儿游戏方法，而是看他们如何玩，如有的幼儿选择扭动，有的幼儿选择滚动，有的幼儿会选择跳动。而在真人版的打地鼠游戏中，可以锻炼幼儿的灵敏性，提高反应能力，增强身体的协调程度，让幼儿在游戏中获得更多自信。
关键词：幼儿；运动；器械；创新教学；充满活力
幼儿阶段是孩子身体发育和机能发展最为迅速的时期，不让孩子成为“温室幼苗”，弱不禁风；要让他们成长为“小老虎式”的阳光孩子，健壮、机灵、勇敢、喜欢运动、不怕困难，溢出他们内心得天独厚的心灵想象，这种最贴近孩子生活的质朴运动，的确让人着迷，让人陶醉。幼儿园要坚持从每天不少于两小时的户外运动入手，通过增加器械，保证幼儿率性的运动等，积极开展户外运动的实践与改革。
一、运动器械有机结合
1.自制运动器械
结合《3―6岁儿童学习与发展指南》对体育健康的要求，教师根据幼儿的年龄特点，以班级为单位，发动教师、家长利用废旧材料与孩子共同自制各种体育器械。自制体育器械玩具带给孩子们的快乐在不断增加，带给孩子们的兴趣在不断延续，孩子们在体育器械玩具中不断探索，不断创新。
2.适当采购器械
根据幼儿的年龄特点，适当采购运动器械，如攀登类（木凳、木梯），孩子们可以随意组合，进行爬、走、跳等，锻炼腿部力量；建构类（万能工匠大件与中件），孩子们进行组合钻、倒着钻等；拓展类（玩沙玩水、 吊床、攀爬软梯），获得了孩子们的喜爱。
3.大小型器械有趣结合
运动中只凭借大型器械，对幼儿参与活动的兴趣有一定的局限性。因此，可以利用孩子对大型玩具的喜爱，将大型玩具和小型器械有趣地结合起来，充分调动幼儿参与活动的积极性。
二、保证幼儿率性的运动
1.自主混龄运动
每天的运动时间是孩子们最开心的时刻，通过分块区域――民间游戏区、挑战游戏区、拓展游戏区、建构游戏区、特色游戏区等进行中大班的混龄运动，打破年龄段与班级界限，每个场地、每个区块由专门的老师负责指导，幼儿根据自己的意愿自主选择活动区域与内容，开展体育锻炼，自主选择合作伙伴，自主整理运动器械，玩转所有场地，体现了灵活性，培养了良好的时间观念、自我调配能力和团结合作意识，运动能力、动作灵敏性得到了极大的提高，让幼儿真正感受到“我的运动我做主”！
2.趣味操节游戏
20分钟的操节我们一改以往的“模式化”，变成了孩子们的游戏时间：进行分时做操，并在做操之前增加走、跑、跳基本动作。如大班结合《说唱脸谱》，将京剧融入早操的准备环节当中，让孩子感知中国的国粹，体验京剧的魅力，用动作感知京剧特有的手势；以《中国功夫》为背景音乐，配上红色的扇子，孩子在做操时会更加的精神百倍。如中班结合《共产儿童团团歌》边开火车边进场，将游戏带入走队中；以《斗牛士》为背景音乐，做红旗操，进一步发展幼儿基本动作。如小班将绳子摆成S形状，结合《我是》与《兔子跳跳》这两首歌曲，让幼儿绕着绳子进行走、跳等基本动作的练习，进行热身；由幼儿亲自录制传统儿歌《吹泡泡》，师幼共同将绳子拉圆，根据浅显易懂的内容做相应的动作，在游戏中感受到快乐。趣味操节游戏给孩子们无限的兴趣，孩子们玩得不亦乐乎！
3.一物多玩，创意无限
幼儿园积极利用身边的物品、材料，让幼儿探索多种玩法，激发幼儿积极思考，拓展探究空间。我们注意提供有充分探索余地的材料，让幼儿挖掘材料的多用性，使活动器械能体现一物多玩，变形重组。如轮胎，一个人的时候可以滚着玩，也可以将轮胎平放在地上，翻滚着玩。多个人的时候，可以将轮胎竖着排成一排，钻着玩；可以将轮胎平放成一排，在上面玩“过小河”的游戏，练习孩子的平衡能力和跨越能力；还可以玩“青蛙跳水”的游戏，练习孩子的弹跳能力。
课桌、小凳、报纸、软棒、竹竿……都成了孩子们运动的好工具。教师以班为单位组织开展“一物多玩”活动，鼓励幼儿通过材料组合、方位变换、合作游戏等方式，不断创新、丰富玩法，提高幼儿运动兴趣和运动能力。
总之，有趣、健康的锻炼给幼儿带来的不仅是身体上的变化，更重要的是精神上的愉悦。要让幼儿感受到参加晨间体育锻炼的无限快乐，从而积极主动地参与到各种运动中，感受到运动的独特魅力。
参考文献：
[1]李季湄，冯晓霞.《3―6岁儿童学习与发展指南》解读[M].北京：人民教育出版社，2002.
一、内容选择的创新
我园在选择早操内容的时候不仅结合了幼儿的年龄特点，更多地是从幼儿的兴趣和生活需要出发，从他们关注和喜爱的事物里寻找切入点。
（一）主题选择
在早操内容选择上，我园根据各年龄段幼儿的发展水平与兴趣特点，选择相应的主题，将主题目标巧妙地“藏”入活动设计和器械投放中，以徒手操、器械操、律动与歌表演、游戏等方式呈现。
小班上学期幼儿面临着刚入园的分离焦虑，为了幼儿能够更快地适应幼儿园的一日生活，教师们通过与幼儿及其家长交流沟通发现《花园宝宝》是幼儿都非常喜欢的动画片，于是选择了《花园宝宝》为早操主题，利用幼儿共同的兴趣爱好让他们更快地融入集体，融入到早操活动中。
中大班幼儿大多处于皮亚杰认知发展理论所划分的前运算阶段，这一阶段的幼儿都有着模仿的渴望，他们频繁地借助象征符号代替外界事物，他们喜欢根据自己的生活经验和意愿扮演着各种各样的角色。通过观察及教师对幼儿的“民意调查”，发现中班的幼儿对动物尤其是动物的尾巴很感兴趣，于是确定中班的主题是《神奇的尾巴操》。大班幼儿对社会各行各业的职业扮演很感兴趣，结合着交通安全的常规知识宣传，确定大班的主题是《快乐的小司机》。
（二）音乐选择
在早操音乐的选择上，我们注重音乐的节奏鲜明、旋律优美、健康向上且有时代气息。歌词选择上也要朗朗上口，内容贴近幼儿的日常生活，容易引起幼儿的共鸣，幼儿能够边做边唱。同时，请幼儿参与早操音乐的筛选，将幼儿试听音乐时的反应和表现作为选择音乐的重要参考。在组合时，会根据运动量选择适宜的音乐，否则大量风格相似的音乐组合在一起，不仅会造成运动量不足或过量，还会产生听觉疲劳。因此，我们将不同风格的音乐进行合理融合，避免音乐单调，给幼儿带来充分的听觉刺激。
为此我们在生活中将听到、看到的合适音乐素材及时收集，按照不同风格进行整理，成立音乐资料库。我园为早操挑选的音乐不仅有动感欢快的《天使》、清新优美的《绿色水世界》、《勾勾手指头》，还有活泼可爱的《花园宝宝》以及传统民间的《拉大锯》、《丢手绢》等。
（三）动作编排
早操动作的编排，在遵循幼儿身心发展规律，合理科学地编排动作的同时，我园还关注了早操动作的“运动功能”，避免了早操动作的“舞蹈化”，并充分挖掘器械的功能，鼓励引导幼儿参与早操动作的创编。
1.挖掘器械的功能，一物多玩。
让幼儿喜欢做早操，充分利用器械很关键。不论是常见的轻器械（球、圈、棒、彩带等），还是废物利用制作的轻器械（果奶瓶、纸盒、小尾巴、小飞盘、布袋等），只要恰当地使用，都会使早操活动生趣盎然。
我们在使用前，会考虑器械的安全性、实用性，提倡废物利用。为了增加运动量，有的器械进行了再加工，如在果奶瓶中放入各类豆子，既增加了重量还能发出有趣的声音。根据不同的主题和需要，通过巧妙的设计，充分挖掘器械的功能。例如，中班《神奇的小尾巴》中自制“小尾巴”不仅可以作为幼儿的游戏道具进行丰富多彩的游戏活动，还可以通过不同的拿放方法练习钻、跳、跨、平衡的动作。
2.鼓励幼儿参与动作编排。
以往，幼儿学习早操就是一个被动接受的过程，我们劳神费时地将自认为较完美的早操一板一眼地教给他们，却发现表面上热热闹闹、整齐好看的早操活动似乎总是缺少了点什么。
现在，从器械、音乐的选择，动作的编排，队形的变化到游戏的内容，我们都给予幼儿充分的参与机会。当“以幼儿为主体”落在了实处，而不仅仅是一句口号时，我们真真切切体验到其中的妙处。经过早操活动的实践，目前我园的早操活动成为老师和幼儿共同关心的事情，幼儿的主动参与更加激发了学操和做操的兴趣，他们的探索、尝试经常带给教师们意想不到的惊喜。
不同年龄段的幼儿创编的内容、难度各不相同。由于小班幼儿早操动作简单、有趣、难度较低，易模仿，在编排动作的过程中，教师会请幼儿随音乐根据生活经验做各种动作，从中提取部分动作，进行加工整理，编排成《生活模仿操》、《小动物模仿操》等。中大班幼儿则参与部分律动、器械操及游戏的创编，教师引导并进行整理、提炼，如中班器械操《嘀嘀嗒》中，幼儿走平衡木、跳绳以及跳皮筋等动作皆来自幼儿的创编。
此外，器械摆放，队列练习和集体游戏活动也征求并采纳了幼儿的建议。有了幼儿的参与，以往一学期一成不变的早操活动，现在根据幼儿不同时期的兴趣爱好，早操的队列队形和游戏活动也在不断地变化中，充满了新鲜感和趣味性。有了幼儿的主动参与，我们的早操活动少了份刻板、多了份灵动，少了些整齐划一、多了些轻松快乐。
二、结构形式的创新
《幼儿园教育指导纲要（试行）》指出“健康领域的活动要充分尊重幼儿生长发育的规律”，这就要求早操各环节安排必须科学、合理，遵循“曲线上升，波形进展和曲线下降”的规律，动静交替，使运动强度适宜。我园早操结构由五个部分组成：热身运动—队列练习—操节—体能运动—放松运动。在早操的组织形式上，我们将操节、队列、体能锻炼相结合；个别、小组、集体活动相结合；规定动作与自由动作相结合，以游戏贯穿，形式多样，富有童趣。
（一）早操结构
1.热身运动。
根据不同的主题采取不同的方式，如小班（《花园宝宝》）走、跑交替；中班（《神奇小尾巴》）在行进中歌表演；大班（《快乐小司机》）自由开展玩圈游戏，促使幼儿身体各器官组织机能由较平静状态转为活动状态，为接下来的活动做铺垫，起到热身的效果。
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