FLL+WRO乐高机器人竞赛教程——机械、巡线与PID

以spike和EV3机器人为载体同步编写。
通过180多例搭建和200多例程序探索竞赛机器人的设计。

《FLL WRO乐高机器人竞赛教程——机械、巡线与PID》以乐高 spike 机器人和 EV3 机器人为载体进行编写，围绕 FLL 和 WRO 机器人竞赛， 通过 180 多个搭建示例，详细讲解机械原理、机械传动设计、机械臂系统设计，以及竞赛机器 人主机设计与机械平台设计。结合 200 多个程序示例，详细讲解竞赛机器人的运动、巡线、定位、 路径规划、PID 拓展与优化等程序的设计。书中还给出了竞赛机器人的“我的模块”程序设计， 让各年龄段的学生都能够学会简洁高效的程序编写。 《FLL WRO乐高机器人竞赛教程——机械、巡线与PID》可作为小学生和中学生学习机器人和竞赛的教材或参考书，同时也适合科技爱好者在 自学时选用。

第1章 电机与传感器

1.1　乐高机器人 2

1.1.1　spike机器人 2

1.1.2　EV3机器人 5

1.1.3　机器人的数据显示 8

1.2　伺服电机 12

1.2.1　伺服电机原理 12

1.2.2　电机编程模块 13

1.2.3　时间与循环 19

1.2.4　电机的变速控制 20

1.2.5　模拟匀加速运动 22

1.2.6 拓展阅读：匀加速直线运动方程 23

1.2.7　电机转速的测量 24

1.2.8　拓展阅读：电机堵转 26

1.3 传感器 28

1.3.1　光电传感器原理 28

1.3.2 光电传感器编程 29

1.3.3　反射光强度 31

1.3.4 光值的标准化 34

1.3.5　陀螺仪传感器 35

1.3.6　加速度传感器 37

第2章 机械传动设计

2.1　杠杆 41

2.1.1　杠杆的种类 41

2.1.2　力矩与扭矩 42

2.2　轴传动 44

2.2.1 轴 44

2.2.2　轮轴 44

2.2.3　万向节 45

2.2.4　离合轴 46

2.3　齿轮传动 47

2.3.1 从动齿轮与主动齿轮 48

2.3.2　齿数比 48

2.3.3　齿轮的离合传动 51

2.3.4　平行轴齿轮传动 54

2.3.5　垂直轴齿轮传动 56

2.3.6　蜗杆传动 58

2.3.7 齿条传动 59

2.3.8　链传动 62

2.3.9　棘轮机构 63

2.4　滑轮 64

2.5　凸轮机构 67

2.6　平面连杆机构 69

2.6.1　平面四杆机构 69

2.6.2　曲柄摇杆机构 70

机器人与竞赛可以给孩子什么？这是很多人曾问过我的一个问题，我想或许是乐于探
索：由兴趣转向热爱，有着痴迷的学习态度；或许是勇于尝试：学会用理论指导实践，以
实践来丰富理论；或许是敢于挑战：信念坚定，不惧困难，逆流而上……

青少年机器人竞赛活动是一项综合多种学科知识和技能的青少年科技活动，它将知识
积累、技能培养、探究性学习融为一体，孩子们通过计算机编程、动手制作与技术构建，
并结合日常观察、积累，去寻求完美的解决方案。在此过程中激发孩子们对科学与技术
的学习兴趣，培养他们的创新意识、动手实践能力和团队精神，提高科学素质。

本书以乐高 
spike机器人和 
EV3机器人为载体进行编写，读者可以任选一种器材来参
考本书进行学习。本书围绕 
FLL和 
WRO机器人竞赛，在搭建方面详细讲述机械原理、机
械传动设计、机械臂系统设计，以及竞赛机器人主机设计与机械平台设计；在编程方面，
详细讲述竞赛机器人的运动、巡线、定位、路径规划、 
PID拓展与优化等程序的设计。书
中还给出了竞赛机器人的“我的模块”程序设计，让各年龄段的学生都能够实现简洁高效
的程序编写。机器人的搭建与编程是相辅相成的，搭建的机器人需要编程来实现它的运动，
而编程又指导着机器人的搭建。

书中引用了一些公式，为了易于阅读和理解，公式大多采用文字进行描述，若阅读时
还是感觉有些内容难以理解，也无关紧要，只需要接着阅读其他文字部分的内容，掌握这
个程序算法的功能，学会运用相应程序控制机器人的运动即可。对于那些不解的内容，等
掌握了一定的数学和科学知识之后，再次阅读自然就会理解。

工作室里的一群热爱机器人的孩子们也为本书编写贡献了一份力量，他们参与了书中
的程序测试和结构搭建。这些孩子分别是郑玥瑶、黄舒可、薛皓轩、桑梓阳、徐安睿、缪泊元、
叶方舟、王浩澜、桑宇晗、姜翰、王柳、白义宇、张立行，感谢他们的热情参与。

感谢安徽省肥东县教体局周新龙、吴友邦、王怀宁、李仁梅、谢梦霞和我的领导王朝
升的大力支持，在你们的帮助下成立了青少年科技创新教育工作室，给我提供了研究、教研、
教学和交流的环境。在本书编写的过程中，特别感谢沈松华老师的经验分享，感谢李铁峰
老师的协助。还有朋友和家人，感谢你们一直以来的支持和陪伴，才能使本书顺利完成。

我的专业是物理学，虽有近 
10年的机器人竞赛经验，但在研究机器人的各种原理、工
程设计、自动控制和算法的过程中，还是遇到了很多难题，为此查阅了大量资料，也向有

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FLL WRO乐高机器人竞赛教程——机械、巡线与 
PID

经验的老师请教，但书中仍可能存有疏漏和错误之处，诚恳欢迎各位读者和专家不吝指正，
也欢迎大家一起交流学习。
本书承载着一个梦想，那就是希望每一个热爱机器人的孩子都能够设计出性能卓越的
竞赛机器人。
让我们一起在指尖上创造奇迹，在创造中点燃智慧！

蔡冬冬 
2022年 
6月 
1日

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