青少年机器人等级考试积木材料介绍

（1）臂/梁的分类与详解

一、什么是孔臂/梁？

孔臂，也叫科技梁，是机器人等级考试实操搭建中非常重要的材料，主要用于结构搭建，所有实操模型都是使用不同类型的孔臂进行连接，搭建出稳定、坚固的框架结构。

二、孔臂/梁的分类

孔臂/梁的作用和钢结构建筑里各式各样的型材是一样的，有多种样式，常见的有直线型厚孔臂、拐弯孔臂、L形厚孔臂、T型孔臂、孔臂圈等几大类。另外根据厚薄程度，还有薄孔臂；根据是否带轴栓，还有带轴栓孔臂。下面我们就逐一介绍其特征，以及应用场景。

1、直线型厚孔臂

直线型厚孔臂是一根两头为半圆形的直梁，又叫孔梁、科技梁、带孔臂、厚连杆、直梁。（说明：孔臂名字的叫法非常多，我尽量把我知道的都罗列出来，避免大家在其他不同的课程、视频、资料或网店看到后对不上号，下面其他类型孔臂的介绍中，我也都会把所有的叫法尽量详细的列出来。）

乐高、小米的厚孔臂圆孔直径均为5mm，两个圆孔之间的中心距为8mm。下图是5单位厚孔臂示意图，5单位厚孔臂又可以叫5孔直梁、5孔梁、1×5科技梁、1×5带孔臂、5孔厚连杆。

5单位厚孔臂结构图

厚孔臂是以孔的数量命名的，下图厚孔臂由上到下，依次为2孔、3孔、5孔、7孔、9孔、10孔、11孔、13孔、15孔。

常见的厚孔臂

厚孔臂在机器人搭建中起到哪些作用呢？在机器人实操模型中，厚孔臂起到类似结构梁的作用，主要用于模型的承重骨架，用来支撑模型。厚孔臂可搭建中小跨度结构，在同一平面的多根厚孔臂连接，可组成模型的面结构。厚孔臂如果水平放置，则承受竖向荷载和梁的自重，达到支撑模型的效果。厚孔臂在荷载作用中主要承受弯矩和剪力，有时也承受扭矩。

下图是之前搭建的实操之一的电动缝纫机模型，使用多根不同规格的厚孔臂搭建了缝纫机稳定牢固的机身、机头结构。想了解这篇文章可以点击这里：机器人（二级）电动缝纫机搭建与滑杆机构原理（10）

使用多根不同规格的厚孔臂搭建的缝纫机

2、拐弯孔臂与双拐弯孔臂

拐弯孔臂带有127.5°钝角，常见的有4×4、4×6、3×7这三个型号，拐弯孔臂又叫弯梁、带孔弯臂、机械折臂。下图是4×6拐弯孔臂示意图。拐弯孔臂根据两边孔的数量命名，数量少的在前。

拐弯孔臂结构图

拐弯孔臂与双拐弯孔臂的比较：

（1）下图右边两个分别是4×6拐弯孔臂、4×4拐弯孔臂；

（2）下图左边那个最大个头的拐弯孔臂则形状比较特殊，其拥有135°的折角，所以它叫双拐弯孔臂，也叫双弯梁、11×5带孔弯臂、大弯梁。

拐弯孔臂与双拐弯孔臂

在机器人实操模型中拐弯孔臂运用的也是非常广泛的，因为拐弯孔臂特殊的形状，可以使模型在整体结构造型上更加灵活多变。

下图是之前搭建的实操之一的电动挖掘机模型，使用拐弯孔臂来连接和固定挖掘机臂与机身。想了解这篇文章可以点击这里：机器人（二级）电动挖掘机搭建与平面连杆机构介绍（8）

使用了拐弯孔臂的挖掘机

而实操模型直升机中，双拐弯孔臂则实现了机身腹部结构的搭建，由于双拐弯孔臂两端的孔是轴栓孔，可以和轴配合，极大地增强机身的稳定性与牢固程度。想了解这篇文章可以点击这里：全国青少年机器人技术等级考试（二级）直升机搭建与原理（1）

双拐弯孔臂搭建的牢固的机腹

3、 L形厚孔臂

L形厚孔臂，带有90°直角，所以也称直角梁，或角梁。L形厚孔臂根据两边孔的数量命名，数量少的在前。常见的L形厚孔臂有下面两款：

(1)下图左一为3×5L形厚孔臂，也叫3×5 角梁、2+5 L型厚连杆。

(2)下图右一为2×4L形厚孔臂，也叫2×4 角梁、1+4 L型厚连杆，又因为这个2×4L形厚孔臂带有轴栓孔，所以也叫L形带轴栓厚孔臂。

3×5和2×4L形厚孔臂

在机器人实操模型中，L形孔臂也是非常常见的材料，与拐弯孔臂功能类似，L型孔臂形状有助于模型在整体结构造型上更加灵活多变，也可以起到加固结构的作用。

下图是之前搭建的实操之一的电动稻草人模型，使用L形孔臂将稻草人的身体和底座牢牢的固定在一起。想了解这篇文章可以点击这里：机器人（二级）跳舞稻草人搭建实操（7）

使用了L型孔臂与拐弯孔臂的稻草人

4、T型孔臂

T型孔臂，又叫T形厚连杆，T形梁。T型孔臂的命名是因为其外形像大写的字母T。T型孔臂两侧挑出部分称为翼缘，中间部分称为梁肋，也叫腹板。下图为3x3T型孔臂。

3x3T型孔臂

T型结构相当于是将矩形结构中对抗弯强度不起作用的受拉区挖去后形成的，所以与原有矩形抗弯强度完全相同外，其既可以节约材料，又减轻构件的自重，提高了跨越能力。

下图是之前搭建的实操之一的电动梦幻旋转杯模型，使用T型孔臂将电机固定在机架之上。想了解这篇文章可以点击这里：机器人（二级）梦幻旋转杯搭建与行星齿轮（6）

使用了T型孔臂的旋转杯电机

5、孔臂圈

孔臂圈多为浅灰色，又称框架连杆、孔臂圈梁、方框梁，下图左一为正口型，右一为H型，均为常见的孔臂圈。

常见的两款孔臂圈

两个孔臂圈摞起来比较一下，中间部分是完全一样的，所以你也可以理解为H型是正口型的特殊型号。

两个孔臂圈的侧面对比图

孔臂圈是一种中、小跨度的面结构材料，在同一平面内由多根厚孔臂连接而成，可组成模型的面结构。而与厚孔臂不同的是，孔臂圈在四个方向均有孔，所以在机器人等级考试每一个实操搭建中，孔臂圈都会优先被选做最基本的结构材料，出现在各种模型的框架结构中。

下图是之前搭建的实操之一的后轮驱动小车模型，用两个孔臂圈连接起来搭建了小车的底盘平台，非常牢固。想了解这篇文章可以点击这里：机器人等级考试（二级）后轮驱动车搭建、参观军事博物馆（3）

孔臂圈搭建了后驱车的底盘

6、带轴栓孔臂与薄孔臂

（1）下图均为带轴栓的孔臂。带孔栓的孔臂，可以用在牢固性比较高的连接处。

（2）图中、图右为薄孔臂，图左为厚孔臂，可以比较一下厚度看。薄孔臂比较少见，在机器人技术等级考试中应用比较少。

图中：3*5三角带轴栓薄孔臂

图右：1*3 带轴栓孔臂

图左：2×4L形厚孔臂

带轴栓的三款孔臂

带轴栓的孔臂可以和轴进行非常牢固的连接，增强结构的稳定性与牢固程度。下图是之前搭建的实操之一的石油开采机模型，运用了多个带轴栓的孔臂来加固结构，避免机头在做上下反复采油的激烈运动时带来的对结构的破坏，想了解这篇文章可以点击这里：机器人技术等级考试（二级）石油开采机搭建与曲柄连杆运用（4）

石油开采机上带轴栓的孔臂

这篇文章对孔臂/梁的每个分类都进行了详细的说明，介绍了每个不同类别的孔臂的特点以及应用场景，希望对学习机器人搭建的孩子有所帮助。

（2）十字轴的分类与详解

十字轴，因其横截面是十字形，故称十字轴，也叫十字棒。

十字轴是一种连接和传动的零部件，可以支撑转动部件（比如齿轮），并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩。十字轴因其圆柱形外观，以及十字形横截面，在积木搭建中，不但可穿在车轮轴心、齿轮孔心、电机轴心中，而且其十字形横截面可以保证与十字孔零件连接时可以同步转动，而不会打滑。

下图是青少年机器人技术等级考试一级、二级用到的十字轴，下面我就分类讲解一下。

常见的各种十字轴

1、限位十字轴（2号轴）

红色的2号十字轴是这一堆灰色、黑色轴里颜色最靓的仔，它是积木里最短的轴。因为2号轴较短，所以常常用来将两个连接器连接在一起，或者是连接连轴器、直角交换器等。

2号十字轴比较短小，所以插入十字孔后，再拔出比较困难，因此两端设计了缺口，是为了方便拔出。

红色的2号轴

2、单数十字轴（灰轴）

单数十字轴基本都是灰色的，故又叫灰轴，比如我们最常见的3号轴、5号轴、7号轴、9号轴，见下图。

灰轴

应用场景：

（1）动力转动，轴在电机和齿轮的带动下，进行动力的传递，下图直升机模型中，前部电机的动力通过轴和齿轮的组合，一步步传递到直升机的尾翼。全国青少年机器人技术等级考试（二级）直升机搭建与原理（1）

十字轴进行动力传递

另外，十字形横截面保证轴和电机连接后，可以被电机带动，从而同步转动，如下图：

电机带动十字轴同转

（2）轴的圆柱形外观刚好可以和孔臂的孔吻合，方便和孔臂配合使用，可以在孔臂的孔里转动，比如车轮的轴。青少年机器人技术等级考试（二级）仿生机械尺蠖实操与原理（2）

十字轴穿在车轮上

（3）轴十字形横截面保证轴和连接器连接后，不会转动，起到固定的作用。机器人等级考试（二级）后轮驱动车搭建、参观军事博物馆（3）

后驱车上用轴固定成的汽车防滚架

3、双数十字轴（黑轴）

双数十字轴基本都是黑色的，故又叫黑轴，比如我们最常见的4号轴、6号轴、8号轴、10号轴、12号轴。上面介绍过的2号十字轴，属于比较特殊的双数轴，此外还有不常见的20号轴等。

黑轴的用途和灰轴没有区别，之所以按单双数分为不同颜色，主要是为了在使用过程中更容易区分不同的型号。

黑轴

4、带截止十字轴（钉头轴）

带截止轴的一端有一个帽，这个帽跟插销一样，可以起到固定轴的作用，防止轴横向移动，因其形状像钉子，故又叫钉头轴。常见的有3号带截止轴、4号带截止轴、5号带截止轴、8号带截止轴。

带截止十字轴

5、凸点十字轴（可插入销孔）

介绍一个特别的3号带截止轴-凸点十字轴，其帽上带有空心凸点，插入销孔中后，凸点的摩擦力可以带动轴转动。

凸点十字轴

6、中间带截止十字轴

中间带截止轴是一个特殊的4号带截止轴，其中间一段是平滑无沟槽的设计，这个设计很有趣，可以防止穿在轴上的齿轮受力后产生横向移动。当然，我们常用轴套解决轴上齿轮的横向移动偏离问题，不过效果肯定不如中间截止轴好。

中间带截止十字轴

7、中间带堵头截止十字轴

中间带堵头截止轴是一个特殊的深灰色的5.5号中间带截止轴，其中间有一个堵头，堵头一端长4.5cm，另一端长1cm。中间堵头轴常用在车轮安装上，比如四驱车或挖掘机的车轮，可以防止车轮行驶中在轴上产生横向位置偏移。另外，也可以用在差速器设计上。

中间带堵头截止十字轴

8、轴套与半轴套

轴套可以将轴固定在指定位置，功能和带截止轴的堵头类似，只是轴套更为灵活，但是没有带截止轴固定效果好。轴套是灰色的，还有一种半轴套，也叫1/2轴套，是黄色的。

轴套与半轴套

套在十字轴上的轴套道和半轴套，和十字棒的十字横截面结合得非常好。

套在十字轴上的轴套道和半轴套

轴套还有一个特别的作用，就是作为滑轮和皮带轮使用，它的侧面有一条缝隙，可以用来穿过橡皮筋或细绳。下图挖掘机中半轴套作为皮带轮使用。机器人技术等级考试（二级）石油开采机搭建与曲柄连杆运用（4）

半轴套作为皮带轮使用

这篇文章则对十字轴的每个分类都进行了详细的说明，介绍了每个不同类别的十字轴的特点以及应用场景。

（3）销的分类与详解

今天介绍机器人等级考试实操中一个非常重要的零件——销，它是积木中的螺丝钉，不但可以把两个、或者三个零件连接起来，也可以作为转动的轴心，用途广泛。销的种类非常多，有摩擦销、光滑销、轴销，更有各种不同的单位，为了在搭建过程中更好地使用销，我们逐一介绍各种不同的销以及使用场景。

下图是常见的销，以及带销的连接器。

销及带销的连接器

1、摩擦销

摩擦销的圆柱表面上分布有多个小凸起颗粒，主要来加大销和连接件之间转动的摩擦阻力，适用于2或3个部件之间的静态连接。

摩擦销分为短摩擦销和长摩擦销。

（1）短摩擦销

短摩擦销，即2单位摩擦销，又叫1×2摩擦销，多为黑色，所以也叫黑销。黑销是销类家族里，用得最广泛的一种。

搭建时如果遇到对稳定度要求比较高的部件连接，切记一定要用黑销。有的孩子会发现黑销比较难拔，所以会偷巧用更容易拔出的光滑销，造成搭建之后结构不稳定。

黑销

下图是短摩擦销（黑销）连接两根孔臂的例子，两根孔臂围绕黑销的转动的话，摩擦阻力是比较大的，所以具有一定的稳定性。

黑销连接两根孔臂

（2）长摩擦销

长摩擦销，即3单位摩擦销，又叫1×3摩擦销，多为蓝色，所以也常叫蓝销，或蓝色3单位销，也有叫长两头栓摩擦销。与短摩擦销不同，长摩擦销则用于3个零件之间的静态连接，其他特征则与短摩擦销一样。

蓝销

下图的长摩擦销连接了3根孔臂的例子，可以支撑起来一定的角度，因为销的转动摩擦阻力比较大。

蓝销连接三根孔臂

2、光滑销

也叫光销，与摩擦销相比，光滑销圆柱表面光滑，摩擦阻力非常小，用于需要转动的部件之间连接。光滑销除了短光滑销、长光滑销外，还有1/2销和1/4销。

（1）短光滑销

短光滑销，即2单位光滑销，又叫1×2光滑销，多为灰色，所以也常叫灰销。灰销的圆柱表面非常光滑，销和连接件之间可以转动摩擦阻力非常小，适用于2个部件之间的动态连接。

灰销

下图是短光滑销连接两根孔臂的例子，两根孔臂围绕短销的转动摩擦阻力非常小，孔臂可以灵活的转动，所以更多是用在连杆的设计中。

灰销连接两根孔臂，摩擦阻力很小

在六足步行机器人搭建中，其六足需要灵活的运动，用到了不少的光滑销，下图中红色圆圈内的都是光滑销，均处在需要灵活转动的关节位置，而蓝色圈起的摩擦销，则处在需要固定的位置上。机器人（二级）仿生六足步行机器人搭建及三角步态模拟（11）

六足步行机器人中销的运用

（2）长光滑销

长光滑销，即3单位光滑销，又叫1×3光滑销，多为米色，所以也常叫米色销。与短光滑销相比，它可以将3个带销孔的零件动态连接起来。

米色销

下图是长光滑销连接三根孔臂的例子，孔臂围绕长销的转动摩擦阻力非常小，孔臂可以灵活的转动，同样也无法形成稳定的支撑。

长光滑销连接3根孔臂，摩擦阻力很小

（3）1/2销和1/4销

1/4销在机器人技术等级考试实操搭建中用不到，我们重点介绍1/2销。1/2销是为薄壁零件的连接设计的（薄壁零件厚度为1/2单位）。

1/2销

下图是1/2销连接了3个薄壁零件的例子，因为1/2销是光滑销，三个薄壁可以灵活转动。

1/2销连接薄壁零件

3、轴销

轴销，又叫十字销，以常见2单位的轴销为例，其一半（1个单位）是轴，另一半（一个单位）是销，所以也叫半十字轴半销。根据销的那一段表面是否有小凸起颗粒，可分为摩擦轴销和光滑轴销。下图是光滑轴销和摩擦轴销的比较，注意观察摩擦轴销上有小凸点。

光滑轴销和摩擦轴销

我们用光滑轴销和摩擦轴销，分别连接直线型孔臂和L型孔臂轴孔测试一下。

（1）轴的一头插入L型孔臂的轴孔内，因为十字截面和轴孔完全契合在一起，所以这一段是完全固定不动的。

（2）销的一头插入直线型孔臂的孔洞里，摩擦销与孔洞的摩擦力会对销转动产生较大阻力，需要一定的力量才能转动；光滑销与孔洞的摩擦阻力比较小，销会很灵活的在孔洞力转动。

光滑轴销和摩擦轴销连接比较

除了2单位轴销，还有3单位轴销，也叫1×3十字轴带短销，但这个不常见，如下图。