木头机器人

1

第二部分

全国青少年机器人技术等级考试

1-6级标准及1-2级内容解析

2

一级标准

科目：机器人搭建、机器人常用知识

形式：机器人搭建采用实际操作的形式，机器人常用知

识采用上机考试形式

器材：结构件：能够满足考试要求的结构件均可

考核内容：

(

一

)

实践

1.

基本结构认知

2.

知道六种简单机械原理（杠杆，轮轴，滑轮，斜面，

楔，螺旋）

3.

齿轮和齿轮比

4.

传动链

5.

机器人常用底盘

(

二

)

知识

1.

了解主流的机器人影视作品及机器人形象

2.

会分辨稳定结构和不稳定结构

3.

会计算齿轮组的变速比例

4.

能够区分省力杠杆和费力杠杆

5.

能够区分那种滑轮会省力

3

二级标准

科目：机器人搭建、机器人常用知识

形式：机器人搭建采用实际操作的形式，机器人常用知

识采用上机考试形式

器材：

结构件：能够满足考试要求的结构件均可

电子部分：包含可控制电源通断的电池盒及电机既可

考核内容：

(

一

)

实践

1.

使用电池盒类型的遥控器控制电机运转

2.

能够连接独立的电池盒、开关以及电机

3.

完成凸轮、滑杆、棘轮、曲柄、连杆等特殊结构模型

制作

4.

驱动电机完成一定任务

(

二

)

知识

1.

了解中国及世界机器人领域的重要历史事件

2.

知道机器人领域重要的科学家

3.

知道重要的机器人理论及相关人物

4.

知道凸轮、滑杆、棘轮、曲柄等特殊结构在生活中的

应用

4

三级标准

科目：机器人搭建（任务式，编程语言和方式不限）、

机器人常用知识、电子电路基础

形式：机器人搭建和电子电路基础采用实际操作的形式，

机器人常用知识采用上机考试形式

器材及软件：

结构件：能够满足考试要求的结构件均可

核心控制板：开源硬件控制板，包含硬件的原理图、引

导程序（如果含）、操作系统（如果含）、开源的开发环境及

源码。目前支持的控制板种类及型号，请至官方网站查询。

电子部分：与核心控制板配套的电子元件或模块

开发软件：能够完成开源硬件控制板程序开发的免费软

件即可。目前支持的软件种类及版本，请至官方网站查询。

考核内容：

(

一

)

电子电路基础

这部分实践操作主要在面包板上完成

1.

能够完成简单的串联、并联电路

2.

能够搭建简单的环境状态检测感应器

3.

能够通过可调电阻控制

LED

的亮度变化或控制电机速

度变化

(

二

)

语言程序设计

5

1.

能够编写简单的顺序结构程序

2.

完成简单的选择结构程序（只有一个

if

或一个

if/el

）

3.

能够进行数学运算和比较

4.

能够简单应用图形化编程软件

5.

实现数字量输入、输出

6.

实现模拟量输入、输出

(

三

)

机器人搭建

这部分实践操作主要是搭建能够完成指定任务的机构，

与语言程序设计中的内容有部分交叉

1.

基本传感器应用

2.

能够进行数学运算和比较

3.

灵活应用控制器

IO

口实现数字量输出

4.

控制机器人平台移动

5.

实现简单的自律型机器人制作（比如简单避障、单线

条巡线）

6.

能够编写简单的顺序结构程序

7.

完成简单的选择结构程序（只有一个

if

或一个

if/el

）

(

四

)

知识

1.

知道电力、电流、电压、电阻、导体、半导体等概念

2.

知道串联、并联的概念

6

3.

知道模拟量、数字量、

IO

口输入输出等概念

4.

了解自律型机器人的行动方式

5.

知道细分领域的机器人理论及相关人物

6.

知道

LED

这种半导体器件是单向导电的

7

、了解气动原理和相关器件

四级标准

科目：机器人搭建（任务式，编程语言和方式不限）、

机器人常用知识

形式：机器人搭建采用实际操作的形式，机器人常用知

识采用上机考试形式

器材及软件：

结构件：能够满足考试要求的结构件均可

核心控制板：开源硬件控制板，包含硬件的原理图、引

导程序（如果含）、操作系统（如果含）、开源的开发环境及

源码。目前支持的控制板种类及型号，请至官方网站查询。

电子部分：与核心控制板配套的电子元件或模块

开发软件：能够完成开源硬件控制板程序开发的免费软

件即可。目前支持的软件种类及版本，请至官方网站查询。

考核内容：

7

(

一

)

机器人搭建

1.

高级传感器认知和应用

2.

能够通过总线或串行、并行接口获取传感器的采集值

3.

能够将数据保存在掉电后也不丢失的位置

4.

能够完成十字路口的巡线动作

5.

能够完成走迷宫操作

6.

会使用智能电机、步进电机、伺服电机等器件完成特

定的功能。

7.

能够使用高端遥控器控制模型。

(

二

)

语言程序设计

1.

实现伺服电机控制

循环

、

do-while

循环

选择

串行通信

串行通信

7.

数组

(

三

)

知识

1.

了解中国及世界机器人领域的知名产品，重大工程项

目。

2.

了解高级传感器的实现原理

3.

了解计算机组成部分

8

4.

知道

ROM

、

RAM

、

Flash

、

EEPROM

多种存储器之间的不

同。

5.

知道不同串行通信协议之间的区别

五级标准

科目：机器人搭建（任务式，编程语言和方式不限）、

机器人常用知识

形式：机器人搭建采用实际操作的形式，机器人常用知

识采用上机考试形式

器材及软件：

结构件：能够满足考试要求的结构件均可

核心控制板：开源硬件控制板，包含硬件的原理图、引

导程序（如果含）、操作系统（如果含）、开源的开发环境及

源码。目前支持的控制板种类及型号，请至官方网站查询。

电子部分：与核心控制板配套的电子元件或模块，包含

无线通信模块

开发软件：能够完成开源硬件控制板程序开发的开源软

件即可。目前支持的软件种类及版本，请至官方网站查询。

考核内容：

(

一

)

机器人搭建

1.

组网通信应用，能够通过无线通信模块（

ZigBee

、蓝

9

牙、

WiFi

等）将多个分散的主体统一规划完成一定特殊任务。

2.

能够利用广域网络实现智能家居及远程遥控等基于

物联网的机器人应用。

(

二

)

语言程序设计

1.

二维数组

通信

3.

函数

4.

类库导入

5.

对象

(

三

)

知识

1.

了解不同处理器之间的差别

2.

知道不同无线传输方式的差别

3.

了解短波、中波、长波通信

4.

知道

C++

语言的特点

5.

结构材料中强度和稳定的概念

6.

功率计算、电源容量计算

六级标准

科目：机器人搭建（任务式，编程语言和方式不限）、

10

机器人常用知识、语言程序设计（

Arduino

、

Python

、

C++

三

选一）

形式：机器人搭建采用实际操作的形式，机器人常用知

识和语言程序设计采用上机考试形式

器材及软件：

结构件：能够满足考试要求的结构件均可

核心控制板：开源硬件控制板，包含硬件的原理图、引

导程序（如果含）、操作系统（如果含）、开源的开发环境及

源码。目前支持的控制板种类及型号，请至官方网站查询。

电子部分：与核心控制板配套的电子元件或模块，包含

无线通信模块

开发软件：能够完成开源硬件控制板程序开发的开源软

件即可。目前支持的软件种类及版本，请至官方网站查询。

考核内容：

(

一

)

机器人搭建

1.

大型复杂机器人，注重人工智能

2.

通过视觉识别、机器学习、动态平衡算法等技能实现

复杂、智能、动态型机器人创新作品

(

二

)

语言程序设计

1

、类库设计

2

、继承

3

、多态

11

(

三

)

知识

1.

了解不同的拓扑结构以及一些常用的信号处理方式

2.

了解多种编程语言的形式和特点

3.

嵌入式系统的概念

4.

常用嵌入式处理器

5.

常用嵌入式系统软件

6.

操作系统原理

7.

知道进行语音处理的主要公司

8.

了解常见的机器人操作系统

9.

控制理论和

PID

控制

12

全国青少年机器人技术等级考试

1-­2级知识点解析

一． 机器人常识14

1. 机器人历史事件及重要理论14

2.主流机器人影视及形象18

3. 机器人定义及组成19

二．基础结构认知20

三．力的基础认知22

1. 力的效果22

2. 力的三要素22

3. 二力平衡23

四．简单机械26

1. 斜面27

2. 楔形27

3. 螺旋28

4.杠杆29

5.滑轮33

6.轮轴40

五．功与能量41

六．常用传动装置

43

1.齿轮啮合43

2.皮带传动47

3.传动链49

七．特殊机械机构

52

1.凸轮机构52

2.连杆机构59

3.曲柄机构61

13

4.滑杆机构66

5.棘轮机构

67

6.间歇运动机构71

八．电学常识74

1.电的发展74

2.电路75

3.串联和并联82

4.欧姆定律85

九．编程常识87

14

一．机器人常识

1. 机器人历史事件及重要理论

古代机器。机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的

问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有

3000多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器，以便代

替人类完成各种工作。

机器马车。西周时期，中国的能工巧匠偃师用动物皮、木头、

树脂制出了能歌善舞的伶人，这是中国最早记载的木头机器人雏

形。

公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机

器人──自动机。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕

像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。

汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。

计里鼓车每行一里，车上木人击木马车鼓一下，每行十里击钟一

下。

后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，

并用其运送军粮，支援前方战争。

机器人的产生

1920年，捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小

说《罗萨姆的万能机器人》中，根据Robota和Robotnik两个单

15

词，创造出了“Robot”机器人这个词。从此之后机器人在历史

舞台上拉开了序幕。

1939年，美国西屋电气公司制造出家用机器人，它由电缆

控制，可以行走，会说话，甚至可以抽烟，让人们对家用机器人

更加憧憬。

1942年，美国 科幻巨匠阿西莫夫 在的科幻小说中提出“机器

人三大定律”：

1.机器人不应伤害人类；

2.机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；

3.机器人应能保护自己，与前两条条相抵触者除外。

这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则

作为机器人开发的准则。

1948年 诺伯特 维纳出版《控制论》，阐述了机器中的通

信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计

算机为核心的自动化工厂。

1954年 美国人乔治 德沃尔制造出世界上第一台可编程的

机器人 并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同

的工作，因此具有通用性和灵活性。

1959年 美国发明家约瑟夫·英格伯格和德沃尔制造出第

一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂

16

——Unimation公司。约瑟夫英格伯格被称为“工业机器人之父”。

1966年斯坦福大学人工智能研究中心发明了谢克机器人

（ShakeTheRobot），它是第一台移动机器人它被赋予了有限

的观察和环境建模能力，控制它的计算机要填满整个房间。

1969年日本的机器人专家森昌弘提出了“恐怖谷理论”：人

形玩具或机器人的仿真度越高，超过95%人们越有好感，但当超

过一个临界点时，这种好感度会突然降低，越像人越反感恐惧，

直至谷底，称之为恐怖谷。正因为如此，许多机器人专家在制造

机器人时，都尽量避免“机器人”外表太过人格化，以求避免跌

入“恐怖谷陷阱”。

国际上机器人比赛

国际上的机器人足球比赛分为两大系列RoboCUP（机器

人世界杯）和FIRA（微型机器人世界杯足球比赛）

（1）机器人世界杯（RoboCup）

1992年加拿大不列颠哥伦比亚大学教授AlanMackworth

提出机器人进行足球比赛

（提出概念）

1992年10月日本草拟了规则和足球机器人和模拟系统的

开发原型。（原型）

1993年6月日本创办机器人比赛命名RoboCupJ联赛，

随后，更名机器人世界杯RoboCup。（创办）

1997年8月23-29日日本名古屋举行比赛

（首届比赛）

17

2008年6月在中国苏州举行了第12届机器人世界杯

（2）微型机器人世界杯足球比赛（FIRA）

1995年韩国科学技术院的金钟焕教授提出比赛

1996年11月在韩国首次举办了微型机器人世界杯足球比赛，

以后每年举办一次机器人足球比赛。

机器人的三代发展

第一代机器人：“示教再现”型机器人只具有记忆、存储

能力，按相应程序重复作业，但对周围环境基本没有感知与

反馈控制能力。（工业机器人）

第二代机器人：感知型机器人随着传感技术和信息处理

技术的发展第二代机器人能够获得作业环境和作业对象的

部分有关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。

第三代机器人：智能机器人它具有更完善的环境感知能力，

而且还具有逻辑思维、判断和决策能力，可根据作业要求与

环境信息自主地进行工作。

18

2. 主流机器人影视及形象

电影名称及机器人形象总结如下表

序号电影／动画片名称机器人形象电影年份

1终结者（第一部）T-8001984年

2霹雳五号Number51986年

3机械战警亚历克斯·墨菲1987年

4剪刀手爱德华爱德华1990年

5机器管家安德鲁1999年

6人工智能大卫2001年

7I,Robot机械公敌尼桑2004年

8机器人历险记罗德尼2005年

9变形金刚（第一部）汽车人霸天虎2007年

10钢铁侠托尼·斯塔克2008年4月

11机器人总动员瓦力2008年6月

12铁臂阿童木阿童木2009年

13铁甲钢拳亚当2011年

14机器人启示录艾克斯2012

15环太平洋机甲猎人2013年

16超能陆战队大白2014年

17超能查派查派2015年

19

3. 机器人定义及组成

机器人定义

机器人是自动控制机器Robot的俗称，自动控制机器包

括一切模拟人类行为或思想模拟其他生物的机械。

理想中的高仿真机器人是整合了控制论、机械、电子、

计算机与人工智能、材料学和仿生学的产物，目前科学界正

在向此方向研究开发。所以机器人是综合微电子技术，自动

化控制技术，机械学，计算机等学科综合成果

机器人系统基本结构：机械部分、传感部分、控制部

分。

机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制

系统和复杂机械等组成。

机器人驱动

机器人驱动方式：电力驱动液压驱动，气压驱动。

电机是发电机和电动机的统称，电机通常分为直流电机和交

流电机，交流电机分为异步电机和同步电机两类。人们对电

机的要求事体积小，高速高精度。

机器人的特点

机器人能力的评价标准包括：

20

1.智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判

断、决策、学习和逻辑推理等；

2.机能，指变通性、通用性或空间占有性等；

3.物理能，指力、速度、可靠性、联用性和寿命等。

4.活动范围：机器人就是具有生物功能的实际空间运行工具，

可以代替人类完成一些危险或难以进行的劳作、任务等。

各类机器人特点

工业机器人指能自动执行任务的人造机器装置，用以取代或

协助人类工作，所以工业机器人具有以下特点：

1.对工作环境有很强的适应能力，能够代替人类在有害场

所从事危险工作

2.动作准确性高，可保证产品质量的稳定性。

3.能高强度在环境中从事单调简单的劳动

4.具有很广泛的通用性

医用机器人具有特点：

1.不能发生错误动作

2.非专业人员也可以正确使用

3.对医生提供有效的帮助

4.可以直接与人接触

二．基础结构认知

21

每个物体都是由简单的图形构成的，也就是说物体的每个面都是

由圆，三角形，四边形和多边形构成的。

三角形有着稳固、坚定、耐压的特点。三角形框架、起重机、三

角形吊臂、屋顶、钢架桥中都有三角形的身影。

任取三角形两条边，在两条边角度不变的情况下，在两条边的非

公共端点连接第三条边。

因为第三条边不可伸缩或弯折

所以两端点距离固定。

按照相同的方式任取两条边都复合上述情况。

所以三角形固定，具有稳定性。

一个结构是否稳定，除了考虑结构外，还要考虑放置的位置和物

体的重心。总体来说符合以下原则

22

1.与地面接触面积越大，物体越稳。

2.重心越低，物体越稳。

3.通过重心作竖直向下的直线与地面的交点，如果在接触面上，

则物体较稳；如果在接触面外，物体不稳。

三．力的基础认知

1. 力的效果

力的概念很抽象，我们一般根据力的作用效果来认识力。力

的作用效果有：

改变物体的运动状态（速度） 改变物体的形状

力的表示符号一般为F，力的单位是牛顿N,常见的力有重力，

摩擦力，弹力等。

2. 力的三要素

23

影响力的效果不同的三个重要因素:1.大小 2.方向 3.作用点



（a）与（b）：力的作用效果和力的大小有关

（a）与（c）：力的作用效果和力的方向相关

（a）与（d）：力的作用效果和力的作用点相关

力的示意图: 3N 要标明大小，方向，作用点。

3. 二力平衡

平衡：运动状态不发生改变。静止或者匀速直线

平衡条件：两个力大小相同，方向相反，同一个物体，同一直

线。

相互抵消

24

4. 常见力的介绍

（1）重力

定义：重力是我们生活中无时无刻都存在的一种力，是由于

地球的吸引而受到的力。表示符号：G

重心：地球吸引物体的每一个部分，但是对于整个物体，重

力作用的表现就好像它作用在物体的一个点上，这个点就是

物体的重心。质地均匀外形规则的物体的中心，很容易确定

重力的大小：G=mg重力=质量*重力加速度g=9.8N/Kg

重力的方向：指向地心。竖直向下。

（2）摩擦力

两个相互接触的物体，当它们发生相对运动或者具有相对运

动趋势时，在接触面上会产生一种阻碍相对运动的力，这种

力叫做摩擦力。

摩擦力的产生需要两个条件：第一是至少需要两个相互接触

的物体，第二是物体之间要发生相对的运动或者是相对运动

趋势。而摩擦力的方向是阻碍物体相对运动的方向，根据物

体的运动状态又分为静摩擦力、滑动摩擦力以及滚动摩擦力。

分别介绍如下

静摩擦力。当相互接触的物体之间没有相对的移动，只有相

25

对运动趋势时，在接触面上产生的摩擦力称为静摩擦力。

静摩擦力的大小是不能直接得到的，不过我们可以根据力的

平衡来计算。静摩擦时，虽然有运动趋势，但没有运动，所

以物体是相对静止的，静止的物体是受力平衡的，可以根据

力的平衡条件求得静摩擦力，这需要知道物体上的其他力的

大小和方向。而静摩擦力的方向是与其他作用在物体上力的

总和的方向相反的。

当物体上的外力过大，超过接触面能产生的最大静摩擦力时，

两物体就会发生相对的滑动，此时摩擦力变为滑动摩擦力。

最大静摩擦的大小要大于滑动摩擦力。

滑动摩擦力。两个相互接触的物体，当它们发生相对运动时，

在接触面上会产生一种阻碍相对运动的力称为滑动摩擦力。

滑动摩擦力的大小等于摩擦因数乘以压力，而摩擦因素与物

体表面的粗糙程度有关。

注意：压力是垂直于接触面的力，而不是垂直地面的力。如

26

下图中1是压力，2是重力。

滚动摩擦力。当一物体在另一物体表面做无滑动的滚动或有

滚动的趋势时，在接触面上产生的阻碍滚动的摩擦力称为滚

动摩擦力。

前面我们说到现在的轮胎上都是有花纹的，这些花纹主要是

为了让轮胎增加与地面之间的摩擦，防止打滑。

一般情况下，物体之间的滚动摩擦力远小于滑动摩擦力，只

有滑动摩擦力的1/40到1/60。所以在地面滚动物体比推着

物体滑动省力得多。



四．简单机械

①②

27

1. 斜面

斜面，是指与水平方向有不为零的夹角的平面。

斜面是一种简单机械，可用于克服垂直提升重物的 困难，

省力但是费距离。

斜面的工作原理：

斜面与平面的倾角越小，斜面较长，则省力越大，但费距离。

斜面与平面的倾角越大，斜面较短，则省力越小，但省距离。

从底面爬到最高处，延直线1，路程短，但费力；延直线2，

路程长，但省力。

斜面在生活中有广泛的应用，如盘山公路、搬运滚筒、螺丝

钉、斜面传送带等

2. 楔形

楔是斜面的应用，原指上厚下薄的小木橛，在结构中表示一

头尖一头稍粗的物品。如下图所示。

1

2

28

生活中的斧头，钉子都是楔形。都是斜面的应用，为了更加

省力。

3. 螺旋

螺旋是一种简单机械，是斜面的变形。

第一个描述螺旋物的人是希腊科学家阿基米德。阿基米德螺

旋是一个装在木制圆筒里的巨大螺旋状物，如图1.5所示，

它用来把水从一个水平面提升到另一个水平面，对田地进行

灌溉。这个东西的真正发明者并非阿基米德本人，他只是描

述了这种已经存在的东西。阿基米德螺旋可能是古代埃及的

能工巧匠们设计并在尼罗河两岸的灌溉中使用的。

29

图1.5 阿基米德螺旋

4. 杠杆

古希腊科学家阿基米德有这样一句流传很久的名言：“给我

一个支点，我就能撬起整个地球！”这句话便是说杠杆原理。

杠杆的定义是能绕某一固定点转动的杆，对于跷跷板来说，

跷板这个杆能够绕支架上的点旋转，而扳手这个杆能够绕螺

丝的中心轴旋转。在杠杆结构中，那个固定的点称为支点。

支点两边力的关系是

30

一边的重量×物体到支点的距离=另一边重量×另一边

物体到支点的距离

L1

杠杆原理的公式是 F

1

L

1

=F

2

L

2

杠杆原理的五要素是

动力：使杠杆转动的力叫做动力，施力的点叫动力作用点。

动力臂：从支点到动力作用线的垂直距离叫做动力臂

支点：杠杆绕着转动的固定点叫做支点

阻力：阻碍杠杆转动的力叫做阻力，施力的点叫阻力作用点。

阻力臂：从支点到阻力作用线的垂直距离叫做阻力臂

说明：通过力的作用点沿力的方向的直线叫做力的作用线

L

1

L

2

F1

F2

31

杠杆的分类

生活中的杠杆按照施加动力的大小分为省力杠杆、费力杠杆

和等臂杠杆。三者具体的比较如下表所示

说明：省距离、费距离中的距离指的是力的作用点运动的距

离，而不是力到支点的距离

杠杆的应用

分类 条件 力 力运动距离

省力杠杆

L

1

2

F

1

>F

2

费距离

费力杠杆

L

1

>L

2

F

1

2

省距离

等臂杠杆

L

1

=L

2

F

1

=F

2

不费不省

32

我们在生活中应用杠杆原理的时候并不是都要使用省力杠

杆，而是要看具体的情况，有些情况下是为了省力，而有些

情况下是为了节省距离。为了省力，就应该用动力臂比阻力

臂长的杠杆；如欲省距离，就应该用动力臂比阻力臂短的杠

杆。

在杠杆结构中要想省力，就必须多移动距离；要想少移动距

离，就必须多费些力。要想又省力而又少移动距离，是不可

能实现的。下面我们就来列举一些生活中常见的杠杆结构，

大家可以分析一下其中包含的杠杆五要素。

费力杠杆：镊子、钓鱼竿、筷子等，费力杠杆的应用主要是

为了省距离

省力杠杆：榨汁器、胡桃钳，门把手，扳手，铁钳，

指甲刀。省力杠杆的应用为了省力。

33

等臂杠杆：天平，主要用于测量两侧物体质量。

5.滑轮

34

由可绕中心轴转动有沟槽的圆盘和跨过圆盘的柔索（绳、胶

带、钢索、链条等）所组成的可以绕着中心轴旋转的简单机

械叫做滑轮。滑轮是可以用来提升重物并能省力的简单机械，

滑轮有动滑轮和定滑轮之分。

定滑轮

定滑轮是中心轴的位置固定不变的滑轮，定滑轮具有以下特

点：

1.改变力的方向。如图6.5所示，如果想让物体上升，那就

要向下施力。

图6.5定滑轮能改变力的方向

定滑轮改变力的方向是可以根据实际情况来确定的，并不一

35

定是反方向，如图6.6中展示的是两个不同的施力方向。这

两个力的大小是一样的。

图6.6施力的方向不同

2.不改变力的大小，不省力也不费力。

3.施力端运动距离和物体上升距离相同。

定滑轮原理

定滑轮实质上是一个等臂杠杆。如图6.7所示，定滑轮中心

的轴就是这个等臂杠杆的支点，重物端的滑轮圆边上为阻力

点，施力端的滑轮圆边为动力点。此时，无论什么方向拉动

绳子

阻力臂都与动力臂相当，都是滑轮的半径，所以定滑轮是等

臂杠杆。

36

图6.7定滑轮的工作原理

动滑轮

中心轴的位置随着被拉物体一起运动的滑轮叫动滑轮。动

滑轮的特点是：

1.不改变力的方向，如图6.8所示，想要让物体向上，就要

向上拉倒物体，图中，动滑轮的F乙的方向向上，物体向上

运动。而定滑轮的F甲的方向向下时，物体是向上运动的。

37

图6.8动滑轮和定滑轮的比较

2.改变力的大小，如上图竖直向上用力时，力的大小为重物

的一半，所以省了一半力。

3.施力端上升距离为物体上升距离的二倍。

动滑轮的原理：

动滑轮的实质是一个省力杠杆，如图6.9所示，动滑轮的中

心轴拉着重物的为阻力点，施力端的圆边为动力点，而支点

为左侧圆的边界，此时动力臂的长度是圆的直径，而阻力臂

38

的长度是圆的半径，所以动力臂是阻力臂的两倍，所以动滑

轮省力，且动力是阻力（物体的重量）的一半。

图6.9动滑轮的原理

思考：动滑轮中，施力方向不是竖直向上的，而是斜向上的，

力的大小是否也是物体重量的一半呢？

滑轮组

滑轮组是由多个动滑轮和定滑轮组成的机构。如图6.10中

两个滑轮就是组合在一起的。

39

图6.10滑轮组

滑轮组的特点是：

1.定滑轮可以改变力的方向，但不能省力地拉动物体。动滑

轮不可以改变力的方向，但能省一半的力地拉动物体。滑轮

组结合了定滑轮和动滑轮，这样既可以改变力的方向，又能

很省力地拉动物体。

2.滑轮组用几段绳子吊着物体，提起物体所用的力就是总重

的几分之一。绳子的自由端绕过动滑轮的算一段，而绕过定

滑轮的就不算了。如图6.11所示，绳子的段数只计算绕过动

滑轮的绳子，在图中左侧的滑轮组中是4段绳子，所以F是

物体总重量的四分之一。

40

图6.11滑轮组的省力情况

3.使用滑轮组虽然省了力，但费了距离，施力端移动的距离

会比重物移动的距离大很多。比如图6.11中最左边的滑轮组，

虽然施力是物体重量的四分之一，但移动的距离也延长了四

倍。

6. 轮轴

这种能绕共同轴线旋转的机械，叫做轮轴。在轮轴中外环叫

轮，内环叫轴。轮轴两个环是同心圆。

轮轴的实质实际是一个能够连续旋转的杠杆。这个杠杆的支

点就在轴线上，轮轴在转动时轮与轴有相同的转速，动力点

41

就是轮的外圆，而阻力点就是轴的外圆（阻力臂就是轴的半

径），所以当动力作用在轮上，则轮轴为省力杠杆，轮和轴

的半径相差越大则越省力，但越费距离。动力作用在轴上则

轮轴为费力杠杆，轮和轴的半径相差越大则费力，但越省距

离。

五．功与能量

这里我们介绍一个功的概念。当一个力作用在物体上的时候，

如果这个力让物体在这个力的方向上移动了一段距离，那么

这个力的作用就显示出了成效，在力学里就说这个力做了功。

功的大小是力乘以力的方向上移动的距离，单位是焦耳。因

此功包含的两个必要因素就是：作用在物体上的力以及物体

在这个力的方向上移动的距离。

在了解了功的概念后，我们来看一下之前学过的杠杆和滑轮，

这两个机械机构中，只要省力就会费距离，费力就会省距离，

且力和距离的乘积是固定的。

其实在力学中有一个重要的结论：任何机械都不省功。

功率。功率就是单位时间内所做的功，通常用P表示。

42

功率的单位是瓦特，因为功的大小是力乘以距离，而距离又

等于速度乘以时间，所以

速度力

时间

时间速度力

时间

距离力

时间

功

功率´=

´´

=

´

==

能量转化

一切物质都具有能量，能量以多种不同的形式存在；按照物

质的不同运动形式分类，能量可分为机械能、化学能、热能、

电能、辐射能、核能、光能、潮汐能等。这些不同形式的能

量之间可以通过物理效应或化学反应而相互转化。

动能是物体在运动时具有的能。

势能包括重力势能和弹性势能。

重力势能是物体由于被举高而具有的能量。

弹性势能是物体由于弹性形变而具有的能量。

机械能是动能和势能的总和。当物体下落时，高度越小，那

么它的重力势能就越来越小，但是物体的速度会越来越快，

则动能就越来越大。如果不考虑空气阻力的话，机械能是不

变的，重力势能减小的部分都变成了动能。

在荡秋千时，从最低点到最高点的过程中，速度越来越小，

而高度越来越大，这时动能转化为重力势能；到达最高点时，

43

速度为零，动能为零，全部动能转化为重力势能。从最高点

下降到最低点的过程中，速度越来越大，而高度越来越小，

这时重力势能转化为动能，到达最低点时，速度最大，动能

最大，重力势能最小。

荡秋千时的能量变化如下所示。

高度：最低点最高点最低点

速度：速度最大速度为零速度最大

能量：动能最大势能最大动能最大

能量守恒

能量不会凭空消失，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他

形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，

能量的总和保持不变。

六．常用传动装置

1.齿轮啮合

齿轮啮合方式

齿轮啮合方式常用两种：平行啮合，垂直啮合

44

齿轮传动的方向（垂直啮合不在同一平面，不考虑方向）

（1）两齿轮平行啮合：两个齿轮转动的方向相反；当大齿轮

作为主动轮，顺时针转动时，小齿轮作逆时针转动。

（2）若多个齿轮啮合：接近的两个齿轮转动方向相反；而

中间隔了一个齿轮的1号和3号转动方向相同，如图7.4所

示。

（a）（b）

图7.4齿轮的转动方向

图中，1号齿轮和2号齿轮啮合，转动方向相反；2号与3

号齿轮啮合，转动方向相反，所以1号齿轮和3号齿轮的转

动方向相同。

号号

45

齿轮传动的速度比

齿轮传动时齿轮传动的速度与半径和齿数的关系如下

多个齿轮传动的速度比

在多个齿轮组成的齿轮组中，计算传动速度比大致分为以下

两种情况

（1）齿轮并排依次啮合（各齿轮都不在同一轴上）

根据两个齿轮啮合的速度比，如图7.4所示，大齿轮与小齿

轮半径比为3:1，那么1号齿轮和2号齿轮的速度比为1:3，

2号齿轮和3号齿轮的速度比为3:1，所以1号齿轮与3号

齿轮啮

合

半径直径周长齿数转速

传动

力

作用

大齿轮

带动小

齿轮

3:13:13:13:1

加速

1:3

变小

3:1

加速

装置

小齿轮

带动大

齿轮

1:31:31:31:3

减速

3:1

变大

1:3

减速

装置

46

齿轮的速度比为1:1。

说明：计算并排依次啮合的齿轮间输出的齿轮速度，可以越

过中间所有的传动过程，直接比较主动轮和输出轮的半径比

或齿轮比。

（2）多重加速（减速）齿轮装置（有同轴带动的齿轮）

这种情况如图7.5所示。

图7.5有同轴带动的齿轮组

根据两个齿轮啮合的速度比，与把手同轴的大齿轮带动小齿

轮，大齿轮与小齿轮半径比为3:1，那么大齿轮与小齿轮的

速度比为1:3。而同一轴上的齿轮的转动速度相同（即角速

度相同），中间轴上的大齿轮带动小齿轮，速度比为1:3。所

以，主动轮与输出轮的速度比为1:9。

47

多重加速装置最终速度比不能按照主动轮和输出轮的半径

或齿轮比直接计算。需要一步步计算，按照倍数乘积得出最

后的速度。

齿轮传动的优点：

（1）可以准确无误的传递动力：齿轮传动时，是通过轮齿

啮合，主动轮转动一个轮齿，从动轮跟着转动一个轮齿，

这样的传递方式保证了运动的准确性。

（2）齿轮传动力大：齿轮传动通过轮齿与轮齿之间的啮合，

传动力大于皮带等装置。

（3）结构紧凑，适用于近距离传动，不能直接啮合时，可

以通过多个齿轮传动。

齿轮传动缺点：

（1）噪音大：齿轮传动力大，所以产生的噪音较大

（2）易损坏：变速时，由于传动力大，齿轮的轮齿容易断

裂。

2.皮带传动

皮带传动连接方式

（1）平行传动。皮带直接绕过两个传动轮，这种传动方式

也称作开口传动。如下图14.7所示，传动时两个滑轮转动

48

方向相同。当小滑轮作为主动轮顺时针转动时，大滑轮也顺

时针转动。

图14.7皮带平行传动

（2）交叉传动。皮带反方向180度绕过两传动轮，如下图

12.8所示，这种传动方式叫交叉传动。交叉传动时，两个滑

轮的转动方向相反，当小滑轮顺时针转动时，则大滑轮逆时

针转动。

图14.8皮带交叉传动

皮带装置的优点：

（1）可实现远距离传动：皮带是有一定的长度的，这样就

可以只利用两个滑轮和一根皮带将力传递到较远距离。

49

（2）在突然施加外力或者突然变速时，可以保护机械，不

会损坏零件。

（3）噪音小：相对于齿轮啮合，皮带传动的噪音较小。

皮带装置的缺点：

（1）在传递动力过程中，会有时间上的延缓：皮带有弹性，

在主动轮从静止到转动的一刻，皮带被拉动伸长，从动轮并

没有马上运动，会有一瞬间的延缓。

（2）不能准确无误的传动：前面章节我们讲过减速和加速

装置，在传动时，齿轮速度和齿轮半径成反比，可以得到准

确的数值，比如半径为3:1的齿轮，大齿轮为主动轮时，为

加速装置，大齿轮速度与小齿轮速度比应该为1:3，小齿轮

速度为大齿轮的三倍。而皮带由于弹力和打滑的问题，在传

动时，不能准确无误的传递运动与力，同样的大滑轮为主动

轮的加速装置，小滑轮的速度没有达到大滑轮的三倍，

（2）在传动时，能量损失比较大：和第二条同理。

（3）皮带容易破损。

3.传动链

传动链通常用于低速度大负荷的经济型动力传动装置，主要

有滚子链和齿形链等种类。传动链具有如下的特点：

50

（1）传动链传动时要求必须在同一平面连接，否则传动链

两侧受力不均而容易断裂。

（2）传动链传动时，两个齿轮转动的方向相同，属于同向

传动。这种传动方式不像齿轮啮合的传动方式那样可以改变

运动的方向。

（3）在突然变速时，传动链的反应较慢，容易断裂。

（4）传动链每一节都可以拆卸，所以传动的距离可以自由

调节。

（5）可以准确无误的传递动力，传动时主动轮转动一格，

从动轮转动一格。

（6）传动链装置的速度和力的计算均与齿轮啮合传动相同。

图9.5传动链

51

齿轮、皮带、传动链之间的区别

传动  

装置

安装方向 转动方向

传动距

离

优点 缺点

齿轮

同一平面（轴平

行）：

两齿轮转

动方向相

反

1.近距

离：

2个齿轮

直接咬

合

2.远距

离：

多个齿

轮咬合

1.可以准确

无误的传递

动力

2.齿轮传动

力大

3.结构紧凑

1.噪音大

2.易损坏

零件、电机

轴同面垂直：

冠齿轮与平齿

轮

不在同一

平面不讨

论方向

轴异面垂直：

涡轮和平齿轮

可任何角度咬

合：多用途齿轮

传动

链

必须同一平面同向

远距离

传递动

力

1.准确无误

的传递动力

2.远距离传

递

1.噪音大

皮     

带

同一平面：皮带

平行

两滑轮转

动方向相

同

远距离

传递动

力

1.噪音小

2.保护机械

（牺牲自我

保护他人）

3.在皮带的

弹性范围内

远距离传递

动力

1有时间的延

缓，无法准确

传递

2.有能量损

失，传递力量

小

3.皮带速度

过大或突然加

速会导致皮带

断裂

同一平面:皮带

交叉

两滑轮转

动方向相

反

垂直平面（轴异

面垂直）：皮带

半交叉

不在同一

平面不讨

论方向

52

七．特殊机械机构

1.凸轮机构

凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副

机构。

高副机构是指在机械工程中机构的两构件通过点或线的接

触而构成的运动副。低副机构是指机械工程中机构的两构件

通过面的接触而构成的运动副。

凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，它一般为主动件，

作等速回转运动。从动件一般为长杆型，作为传递动力和实

现预定的运动规律的构件。从动件一般作连续或间歇性的往

复直线运动或摆动，从动件直线运动或者摆动的最大距离叫

做行程。

分类

凸轮机构在应用时衍生各种各样的状态。凸轮机构可以根据

不同的方式分类，分别介绍如下：

（1）按照凸轮形状不同分类，可以分为盘形凸轮，移动凸

轮和圆柱凸轮三种，如下图所示。

53

图15.11凸轮形状不同

盘形凸轮中凸轮形状像盘子一样的凸轮机构，是凸轮机构中

是最基本的形式。盘形凸轮结构简单，应用最为广泛，凸轮

一般作匀速圆周运动（等速回转运动）。

移动凸轮中凸轮形状可能是个“山”形或者斜面形，凸轮相

对机架做直线移动。

圆柱凸轮中凸轮形状为圆柱形，这种凸轮机构属于空间凸轮

机构，凸轮绕自己中心轴作圆周转动。

（2）按从动件形状不同可以将凸轮机构分为尖顶从动件，

滚子从动件和平底从动件。下面我们依次介绍：

尖顶从动件是最基本从动件的形式，从动件与凸轮接触的部

分为尖顶形状。如下图分别为尖顶从动件盘形凸轮，尖顶从

动件圆柱凸轮，尖顶从动件移动凸轮。

尖顶从动件能够与任意复杂的能与任意复杂的凸轮轮廓保

持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。但尖端处摩擦

较大，极易磨损，所以尖顶从动件只能用在传力不大的低速

54

机构。

图15.12尖顶从动件凸轮机构

滚子从动件是将从动件与凸轮接触的顶端变为滚轮，将滑动

摩擦变为滚动摩擦，如下图所示，依次为滚子从动件盘形凸

轮，滚子从动件移动凸轮，滚子从动件圆柱凸轮。滚子从动

件的优点是凸轮与从动件之间为滚动摩擦，因此摩擦磨损较

小，所以滚子从动件适用于传力较大的中，高速机构，应用

十分广范。

图15.13滚子从动件凸轮机构

55

平底从动件将从动件与凸轮接触的顶端做成一个平底，如下

图所示，从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑状况好，受力

平稳，传动效率高。但从动件做成平底后与之相配合的凸轮

轮廓须全部外凸，所以一般只与盘形凸轮搭配。平底从动件

适用在高速，传动力大的机构。