【AI加油站】机器人设计系列二十：乐高筑梦：从趣味入门到创新实践的机器人探索之旅（附下载）

核心总结

《趣味机器人入门 —— 基于乐高教育机器人的创新设计》作为 “学生创新能力培养实战系列” 丛书之一，以乐高教育机器人为核心载体，打破传统学科壁垒，将机械、电子、计算机、传感技术等多学科知识融入趣味项目与实践操作中，旨在让读者在 “玩中学、做中创”，全面培养创新能力与实践素养。

一、书籍定位与核心理念

本书精准聚焦创新能力培养，明确区分 “动手能力” 与 “创新能力” 的本质差异，强调多学科理论基础、熟练实践能力与强烈创新意识的有机结合。其核心理念在于摒弃枯燥的理论灌输，以乐高机器人为桥梁，通过 “项目驱动 + 自由探索” 的模式，唤醒读者 “玩” 的天性，让阅读与学习回归快乐本质。读者在动手实践中不仅能掌握技术知识，更能拓展视野、提升团队协作能力，实现思维的无限延伸。

本书适用范围广泛，既可用作中小学科技活动课、大中专选修课教材，也能满足社会非专业人士、机器人比赛选手及发烧友的学习需求。

二、核心内容框架

（一）基础认知：机器人与乐高载体的深度解析

开篇从机器人的起源与发展切入，追溯 1920 年捷克斯洛伐克作家卡佩克在科幻小说中创造 “Robot” 一词的历史，明确机器人 “代替人类完成工作” 的核心使命 —— 涵盖人类不愿干、不好干、干不了的各类任务。书中梳理了机器人的定义与三原则（阿西莫夫提出，强调不伤害人类、遵守命令、自我保护），按应用环境将其分为工业机器人与特种机器人，并通过与人体结构的类比，清晰阐释机器人的五大组成部分：计算机（大脑）、传感器（感官）、机械装置（骨骼）、动力能源（内脏）、执行装置（手脚）。

随后聚焦乐高教育机器人载体，梳理其发展脉络：1989 年乐高教育部成立，1998 年联合 MIT 开发 RCX 系统及 ROBOLAB 编程环境，2006 年推出 NXT 系统，2013 年发布 EV3 系统，形成涵盖机械、电子、自控等多学科的完整教学体系。详细介绍乐高基础零件（驱动件、结构件、连接件、气动件等，精度达 5μm，采用插拔式固定）、电子部件（控制器、马达、传感器及第三方拓展传感器）与软件平台（RoboLab、Mindstorms NXT2.0、EV3 均为图形化编程，操作便捷）。

（二）技术实践：从核心组件到系统应用的逐层突破

1. 驱动能源探索：以动力车搭建为核心，系统介绍不同能源的应用原理与实践方法。包括压缩空气动力（利用气球放气推力，理解空气压强与阻力）、橡皮筋动力（基于弹性势能转化，掌握形变与能量关系）、太阳能动力（通过太阳能板实现光电转换，分析光能利用的优势与局限）、电容器动力（依托充放电原理，研究小功率电能高效利用）及水流发电机（将水流势能转化为电能，探索转速比与发电效率的关联），每个项目均配套详细组装流程与知识链接。

2. 机械零件与机构：将机械结构类比为机器人的 “骨骼”，通过十大项目深入解析核心机械原理。从 “非常慢的钟” 与 “蜗牛级电动车” 的齿轮减速机构，到 “投石战车” 的弹性势能应用；从 “刮雨器” 的蜗轮蜗杆传动，到 “行走机器人” 的连杆与曲柄机构；从 “传送带” 的柔性传动，到 “起重机” 的滑轮系统，再到 “机械手臂” 的离合器与蜗轮蜗杆配合，全面覆盖齿轮传动、带传动、连杆机构等核心机械知识，强调结构稳定性与功能实现的结合。

3. 传感器技术应用：视传感器为机器人的 “感觉器官”，精选 14 个典型项目详解各类传感器的工作原理与实战场景。涵盖握力传感器（检测力学量，实现鸡蛋抓取的力度控制）、温度 / 湿度传感器（分别用于排风扇自动控制与晾衣架伸缩调节）、颜色传感器（引导机器人循色行走）、光敏传感器（实现隧道穿越的声光响应）、超声波传感器（完成避障退让功能）等，同时介绍传感器的分类（内部 / 外部）、技术指标（动态范围、分辨率等），及与人类感官的差异与互补。

4. 执行装置与计算机技术：聚焦机器人的 “肌肉” 与 “大脑”，解析执行装置与控制核心的技术要点。执行装置部分涵盖直流电机、步进电机、螺线管等电动执行器，及汽缸、气动马达等气动执行装置，结合搬运机器人、射门机器人等项目讲解其控制原理；计算机技术部分系统介绍乐高三代控制器（RCX、NXT、EV3）的硬件构成与软件平台，通过 “缩头乌龟”“追光机器人” 等趣味项目，融入输入输出设备、A/D 转换、中断概念等计算机基础知识，延伸至互联网远程控制、蓝牙通信、手机控制等进阶应用，甚至包含 “会玩魔方的机器人” 这样的复杂系统设计。

（三）拓展应用：技术开发与跨领域实践

1. 机器人应用技术开发：突破乐高原生系统限制，介绍第三方技术拓展。包括编程语言开发（LeJOS NXJ、Scratch2.0、S4A 等图形化语言在乐高硬件上的适配与应用）、硬件电路开发（51 单片机与 Arduino 最小系统的机器人搭建）、传感器开发（触动、握力、金属等第三方传感器的制作原理与流程）及电机与舵机开发（解析内部结构与传动比设计），为读者构建自主创新的技术基础。

2. 跨学科实验探索：展现乐高机器人在教育领域的多元应用，将其用于化学、物理、生物等学科的探究实验。包括酸碱滴定曲线实验（利用 pH 传感器绘制反应曲线）、比尔定律实验（通过色度传感器测量溶液浓度）、欧姆定律实验（借助电流电压传感器验证电学关系）、玻意耳定律实验（用压强传感器研究气体压强与体积关系），及发芽种子热量实验、水中溶解氧实验等，实现技术与学科知识的深度融合。

（四）竞赛与实践活动：从理论到实战的综合提升

专设单元介绍机器人竞赛活动，涵盖国际主流赛事（FIRA、RoboCup 足球赛，机器人灭火赛，FLL 世锦赛等）的规则与特点，详解机器人相扑、搜救、投篮、舞蹈、走迷宫及 “秦皇陵探险” 等特色竞赛项目的场地设计、任务目标与评分标准。同时配套丰富实践训练题，如搭建蹦跳行走机器人、自动装卸动力车、水污染监测机器人等，明确成绩评定标准，推动读者将所学知识转化为实战能力。

三、特色与价值

本书最大特色在于 “趣味化呈现 + 系统化知识 + 实战性操作” 的三维结合。以大量实物照片还原组装过程，用通俗语言解读专业原理，每个项目均设置 “项目目标 - 分析 - 准备 - 实施 - 总结” 完整闭环，鼓励读者突破图解限制，探索多样化解决方案。同时融入马斯洛需求层次理论与人工智能发展趋势，引导读者思考技术学习与未来发展的关联。

作为机器人入门与创新培养的实用指南，本书不仅传递机械、电子、计算机等核心技术知识，更注重创新思维与实践能力的塑造，为读者打开机器人世界的探索之门，助力其在人工智能时代实现能力成长与自我突破。