案例十九:走钢丝机器人

案例简介

利用运动主题 Steam 套装搭建一款走钢丝机器人，通过电机驱动橡皮筋（模拟钢丝）转动，利用摩擦力传动带动上方的独轮车小人稳定骑行。独轮车小人通过重心控制结构设计（如低重心底座、配重块）实现平衡，无需传感器辅助。让学习者在实践中理解摩擦力传动原理、重心与平衡的关系，以及机械结构在运动模拟中的应用。

教学准备

名称	图示
哪吒Pro运动套装

教学目标

机械原理：理解摩擦力传动的工作机制（橡皮筋转动→带动小人车轮滚动）。​

重心控制：通过配重块位置调整，掌握 “低重心 + 对称结构” 对稳定性的影响。​

电机控制：学会通过编程设置电机转速与转动方向，实现匀速 / 变速 “走钢丝”。​

跨学科融合：结合物理（摩擦力、重心）、机械工程（结构设计）与编程，解决实际运动模拟问题。

课程引入

提问引导：

走钢丝演员为什么能在细细的钢丝上保持平衡？​

如何让一个 “小人” 不用手扶，也能在 “钢丝” 上稳定骑行？

场景导入：“今天我们要打造一个会‘走钢丝’的机器人！用橡皮筋模拟钢丝，电机让‘钢丝’转动，小人靠车轮与橡皮筋的摩擦力前进。不过最神奇的是 —— 小人不会摔倒是因为我们给它设计了‘平衡秘诀’！快来通过搭结构、调重心、编程序，让小人成为‘钢丝上的舞者’吧！”

学习探究

探究橡皮筋转动速度与小人骑行速度的关系，分析配重块位置如何影响小人重心，研究 “摩擦力传动 + 重心控制” 如何替代传统平衡系统实现稳定运动。

搭建步骤

硬件连线

将智能舵机连接到哪吒Pro扩展板的M1接口。

代码编程

进入“makecode.microbit.org”，点击新建项目。

在弹出窗口输入项目名称并点击创建。

点击代码抽屉中的扩展。

在弹出界面输入nezha pro并点击搜索图标，在显示nezha pro软件库后点击。同样的方式加载PlanetX软件库。

示例程序

程序链接:https://makecode.microbit.org/_M6udwiHY1EiF

你也可以通过以下网页直接下载程序。

下载程序

使用 USB 线连接 PC 和 micro:bit V2。

连接成功后，电脑上会识别出一个名为 MICROBIT 的盘符。

点击左下角的，选择Connect Device。

点击。

点击。

在弹出窗口选择 BBC micro:bit CMSIS-DAP，然后选择连接，至此，我们的 micro:bit 就已经连接成功。

点击下载程序

案例演示

按下按键A，独轮车机器人开始骑行，按下按键B，独轮车机器人停止骑行。

总结分享

扩展知识​

走钢丝的平衡科学​

重心垂线法则：人体或物体的重心垂线必须落在支撑面（钢丝的投影线）内才能保持平衡。本案例中，小人通过配重块将重心固定在车轮正下方，支撑面虽窄但重心稳定。​

动态平衡 vs 静态平衡：真实走钢丝演员需通过身体微调维持动态平衡，而本案例通过静态重心设计简化问题，适合初学者理解平衡本质。​

摩擦力传动的应用场景​

优势：无需复杂齿轮啮合，通过弹性材料（橡皮筋）实现柔性传动，适合低速、轻载场景（如玩具、教学模型）。 ​ 局限性：摩擦力受张力、接触面粗糙度影响，高速时易打滑，需通过调整橡皮筋绷紧程度或轮面材质优化。​

独轮车运动的重心控制技巧​

真实骑行：独轮车骑手通过腰部扭转、腿部发力调整重心，而本案例的 “懒人平衡法”—— 直接将重心固定在支撑点正上方，是机械结构对人体运动的简化模拟。​

工程启示：在机器人设计中，低重心 + 对称结构是实现稳定运动的常用策略（如平衡车、机器人步行机）。