二、馬達的基礎認知：從“看不見的力”到“摸得著的轉動”演講人CONTENTS馬達的基礎認知：從“看不見的力”到“摸得著的轉動”馬達的基礎操作：從“裝上去”到“轉起來”的全流程指南常見問題與解決：從“轉不動”到“轉不穩(wěn)”的排查指南綜合應用：從“單項操作”到“系統(tǒng)設計”的能力進階總結：馬達，是起點，更是未來目錄2025小學機器人馬達使用基礎課件一、引言：從“動起來”到“動得準”——馬達在小學機器人教育中的核心價值作為深耕機器人教育領域12年的一線教師，我至今仍清晰記得2018年帶三年級學生完成第一個“會搖頭的機器人”項目時的場景：當小馬達轉動，機器人的塑料腦袋第一次晃起來，孩子們眼睛里迸發(fā)出的光芒，比實驗室的LED燈還要明亮。那一刻我深刻意識到：馬達不僅是機器人的“動力心臟”，更是打開青少年工程思維的第一把鑰匙。在2025年的小學機器人教育體系中，馬達的使用已從“讓機器人動起來”升級為“讓機器人動得科學、動得精準”。本課件將圍繞“認知-選擇-操作-優(yōu)化”的遞進邏輯，帶領同學們系統(tǒng)掌握馬達的基礎使用方法，為后續(xù)學習傳感器控制、編程聯(lián)動等高階內容奠定堅實基礎。01馬達的基礎認知：從“看不見的力”到“摸得著的轉動”1什么是馬達？——機器人的“肌肉系統(tǒng)”馬達（Motor），學名“電動機”，是將電能轉化為機械能的裝置。如果把機器人比作人體，傳感器是“五官”，控制器是“大腦”，那么馬達就是“肌肉”——它通過轉動（或直線運動）驅動機械結構完成動作。在小學機器人場景中，我們接觸的馬達通常具備以下特征：輸入：直流電源（常見3V/6V/9V，需嚴格匹配電池盒電壓）輸出：旋轉運動（少數為直線伸縮，如部分推桿電機）體積：直徑1-5cm，長度2-10cm（適配樂高、Makeblock等主流搭建套件）安全設計：無高溫外露部件，導線帶絕緣保護套（符合CE兒童安全認證）1什么是馬達？——機器人的“肌肉系統(tǒng)”我曾在教具庫里翻到過2010年的老馬達，金屬外殼發(fā)燙嚴重，導線接口鋒利，對比現在專為兒童設計的防夾手、低發(fā)熱馬達，能明顯感受到教育裝備的進步——這正是我們能安全、高效學習的基礎保障。2馬達的工作原理：電流與磁場的“雙人舞”對于小學生而言，理解復雜的電磁感應原理可能有些困難，但我們可以用“磁石游戲”來類比：馬達內部有一個永久磁鐵（定子）和一個繞滿線圈的鐵芯（轉子）當電流通過線圈時，線圈會產生磁場，與定子磁場“互相推擠”這種推擠力推動轉子旋轉，轉子通過輸出軸帶動外部結構（如車輪、機械臂）去年帶六年級學生拆解報廢馬達時，孩子們用小磁鐵靠近轉子線圈，發(fā)現通電時磁鐵會被“推開”，斷電后又吸回去——這個小實驗直觀驗證了“電生磁”的原理，比課本上的圖示更有沖擊力。3小學機器人常用馬達類型對比|類型|代表型號|核心特點|適用場景|注意事項||-------------|----------------|--------------------------------------------------------------------------|------------------------------|----------------------------||直流電機|TT馬達|結構簡單、成本低；轉速與電壓正相關；無精準位置控制|基礎動力需求（小車驅動）|需配合減速箱降低轉速||伺服電機|SG90|內置控制電路；可精確控制角度（0-180）；扭矩較?。?.8kgcm）|機械臂關節(jié)、舵面轉向|需單獨PWM信號控制|3小學機器人常用馬達類型對比|步進電機|28BYJ-48|按“步”轉動（每步5.625）；定位精準；需驅動板（如ULN2003）|3D打印噴頭、精密定位裝置|接線較復雜，需學習驅動邏輯|01去年校機器人社團的“智能垃圾分類車”項目中，我們用TT馬達驅動車輪（基礎動力），SG90控制機械臂夾?。ň珳式嵌龋?8BYJ-48調節(jié)分類擋板（步進定位），三種馬達各司其職——這正是“根據需求選擇類型”的典型案例。03|減速電機|310電機|內置齒輪箱（減速比1:30-1:100）；低轉速、大扭矩；適合直接驅動大負載|重物提升、大型機械結構|注意電壓匹配避免堵轉|0202馬達的基礎操作：從“裝上去”到“轉起來”的全流程指南1前期準備：工具與安全規(guī)范“工欲善其事，必先利其器”，操作馬達前需準備以下工具和材料：硬件：馬達本體、配套導線（帶香蕉頭/杜邦頭）、電池盒（3-9V可調）、螺絲刀（十字/梅花）、扎帶（固定線路）軟件：編程平臺（如Mind+、ArduinoIDE）、仿真軟件（如V-REP基礎版）安全裝備：絕緣手套（備用）、護目鏡（操作尖銳工具時佩戴）安全規(guī)范是操作的“紅線”：禁止直接連接220V交流電（所有小學教具均為低壓直流）導線接口未完全插入前不接通電源（防止短路）馬達運行時避免用手直接觸碰轉軸（可能夾傷或燙傷）1前期準備：工具與安全規(guī)范長時間運行后需檢查馬達溫度（超過50℃應停機散熱）我曾目睹學生因未插緊導線導致短路，電池盒瞬間發(fā)熱，好在及時斷電未釀成事故——這提醒我們：安全意識比操作技巧更重要。2物理安裝：從“固定”到“聯(lián)動”的機械設計安裝馬達的核心是“穩(wěn)固連接+傳動匹配”，具體步驟如下：01選擇安裝位置：根據機器人結構需求，確定馬達的安裝面（如小車底盤、機械臂基座），確保輸出軸方向與運動方向一致。02例：小車驅動馬達應水平安裝，輸出軸與車輪軸對齊；機械臂旋轉馬達需垂直安裝，輸出軸連接關節(jié)轉盤。03固定馬達本體：使用配套螺絲或卡箍固定，確保馬達在運行中無松動（可用手指輕搖測試）。04技巧：在螺絲與外殼間墊軟墊片（如橡膠圈），可減少振動噪音。05連接傳動機構：通過齒輪組、皮帶、聯(lián)軸器等將馬達輸出軸與負載連接。062物理安裝：從“固定”到“聯(lián)動”的機械設計注意：傳動比需匹配（如驅動大車輪需減速箱降低轉速提升扭矩）；皮帶需調整松緊度（過松打滑，過緊增加馬達負荷）。去年社團制作“爬樓梯機器人”時，學生直接用馬達軸連接車輪，導致爬樓梯時扭矩不足。我們引導他們加裝一級齒輪減速（大齒輪帶小齒輪），問題迎刃而解——這正是“傳動匹配”的重要性體現。3電路連接：從“導線”到“信號”的電力傳輸電路連接需遵循“正負極對應+信號線正確”原則，以直流馬達（TT馬達）和伺服電機（SG90）為例：3電路連接：從“導線”到“信號”的電力傳輸3.1直流馬達（無控制板）正極（紅線）→電池盒正極（或電源模塊正極）01負極（黑線）→電池盒負極（或電源模塊負極）02注意：調換正負極可改變旋轉方向；串聯(lián)電阻可降低轉速（需計算阻值避免過載）033電路連接：從“導線”到“信號”的電力傳輸3.2伺服電機（需控制器）電源端（紅線）→5V電源（控制器或外接電源）01地線（黑線）→GND（公共負極）02信號線（黃/橙線）→PWM引腳（如Arduino的9號引腳）03技巧：使用萬用表測量電源端電壓（應為4.8-6V），電壓過低會導致舵機無力。04去年有學生誤將伺服電機電源端接9V電池，導致內部芯片燒毀——這提醒我們：必須嚴格核對馬達的額定電壓！054編程控制：從“轉起來”到“聽指揮”的指令設計小學階段常用圖形化編程（如Mind+）控制馬達，核心邏輯是“輸入指令→控制器處理→輸出信號→馬達執(zhí)行”。4編程控制：從“轉起來”到“聽指揮”的指令設計4.1直流馬達控制（以Arduino為例）當運行開始時：設置引腳2為輸出（控制正轉）設置引腳3為輸出（控制反轉）重復執(zhí)行：引腳2高電平，引腳3低電平（正轉2秒）所有引腳低電平（停止0.5秒）引腳2低電平，引腳3高電平（反轉2秒）所有引腳低電平（停止0.5秒）擴展：通過PWM調節(jié)引腳占空比（0-255）可控制轉速（如設置引腳5為PWM輸出，數值100為中速）。4編程控制：從“轉起來”到“聽指揮”的指令設計4.2伺服電機控制（以Mind+為例）當按下A鍵時：舵機（9號引腳）轉到0度（機械臂收回）當按下B鍵時：舵機（9號引腳）轉到90度（機械臂水平）當按下C鍵時：舵機（9號引腳）轉到180度（機械臂展開）注意：需先初始化舵機庫（#include<Servo.h>），并定義舵機對象（Servomyservo;）。去年校賽中，學生用“舵機+電位器”實現了機械臂角度隨旋鈕同步變化，這個項目直觀展示了“輸入-處理-輸出”的閉環(huán)控制邏輯，成為當年的“人氣作品”。03常見問題與解決：從“轉不動”到“轉不穩(wěn)”的排查指南1馬達完全不轉——從“電”到“機”的逐層排查遇到馬達不轉時，可按以下步驟排查：檢查電源：用萬用表測量電池電壓（低于額定值20%需更換）；確認導線接口無氧化（用橡皮擦清理）。檢查電路：斷開馬達，短接導線測試電源是否正常（導線應輕微發(fā)熱，無反應則電源故障）。檢查機械：手動轉動馬達輸出軸（正常應順暢無卡頓；卡住可能是齒輪卡死或軸承進灰）。檢查控制信號（針對伺服/步進電機）：用示波器測量信號線是否有PWM信號（伺服需50Hz方波，步進需脈沖信號）。去年社團的“智能澆灌機器人”曾出現水泵馬達不轉，最終發(fā)現是水管堵塞導致馬達堵轉，電流過大燒斷了導線——這提醒我們：機械負載異常也會導致電氣故障。2馬達抖動/異響——振動與傳動的平衡問題抖動或異響通常由以下原因引起：安裝不穩(wěn)固：馬達螺絲松動，運行時與機身共振（重新固定并加墊片）。傳動不同軸：輸出軸與負載軸未對齊（用直尺檢查同軸度，調整支架位置）。齒輪磨損：齒輪間有異物或齒牙破損（清理異物，更換磨損齒輪）。電壓不穩(wěn)：電池電量不足導致轉速波動（更換滿電電池或使用穩(wěn)壓電源）。我曾帶學生用“聽-看-摸”法診斷：耳朵聽異響位置，眼睛看傳動是否跑偏，手摸馬達外殼是否異常發(fā)熱——這種“感官排查法”對小學生而言更易掌握。3馬達過熱——電流與散熱的平衡管理馬達正常運行溫度應低于50℃（手摸不燙），過熱可能是：堵轉：負載過大導致馬達停轉，電流全部轉化為熱量（減少負載或更換高扭矩馬達）。電壓過高：超過額定電壓10%以上（如6V馬達接9V電源）（更換匹配電源）。散熱不良：馬達被密封在無孔殼體內（增加散熱孔或加裝小風扇）。長時間連續(xù)運行：超過30分鐘未停機（設計程序加入間歇停止指令）。去年夏天，學生用馬達驅動長時間運行的“自動擦窗機”，導致馬達過熱變形。我們改進設計，在程序中加入“運行2分鐘→停止30秒”的循環(huán)，問題徹底解決——這正是“熱管理”在小學機器人中的實際應用。04綜合應用：從“單項操作”到“系統(tǒng)設計”的能力進階1基礎項目：“會避障的小車”設計目標：使用直流馬達驅動車輪，配合超聲波傳感器實現遇障停車。硬件清單：TT馬達×2（驅動輪）、減速箱×2、車輪×2、萬向輪×1、超聲波傳感器×1、Arduino板×1、電池盒（6V）。編程邏輯：當運行開始時：初始化超聲波傳感器（Trig=2，Echo=3）設置馬達引腳（IN1=4，IN2=5控制左馬達；IN3=6，IN4=7控制右馬達）重復執(zhí)行：測量距離=超聲波測距()1基礎項目：“會避障的小車”設計如果距離20cm：馬達停止（所有引腳低電平）否則：左馬達正轉（IN1高，IN2低）右馬達正轉（IN3高，IN4低）拓展：可增加“遇障倒車+轉向”功能（通過控制左右馬達差速實現轉彎）。2進階項目：“智能機械臂”設計目標：使用伺服電機實現多關節(jié)協(xié)同運動，抓取指定物體。硬件清單：SG90伺服×3（肩部、肘部、腕部）、機械臂支架套件、舵機支架×3、Arduino板×1、5V電源模塊。編程邏輯：定義變量：肩角度=90，肘角度=90，腕角度=90當按下“展開”鍵時：肩角度從90→180（每步1，延時50ms）肘角度從90→150（每步1，延時50ms）腕角度從90→0（每步1，延時50ms）當按下“收回”鍵時：2進階項目：“智能機械臂”設計腕角度從0→90（每步1，延時50ms）肘角度從150→90（每步1，延時50ms）肩角度從180→90（每步1，延時50ms）拓展：可加入紅外傳感器檢測物體位置，實現自動抓取。010203043項目設計的核心思維——“需求-功能-組件”的映射無論是基礎還是進階項目，設計邏輯都應遵循：明確需求（如“避障”需要測距+停車）拆解功能（測距→傳感器；驅動→馬達；控制→控制器）選擇組件（超聲波傳感器+直流馬達+Arduino）驗證優(yōu)化（測試中調整馬達轉速、傳感器靈敏度）去年指導學生參加“未來工程師”比賽時，他們設計的“災區(qū)物資搬運機器人”正是通過這種思維，將“搬運”需求拆解為“驅動-提升-夾持”三大功能，分別匹配直流馬達（驅動）、減速電機（提升）、伺服電機（夾持），最終獲得省級獎項——這印證了“系統(tǒng)化設計”的重要性。05總結：馬達，是起點，更是未來總結：馬達，是起點，更是未來從認識馬達的“電磁魔法”，到親手讓它“聽指揮轉動”，再到用它實現復雜的機器人功能，我們完成了