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乐高机器人—齿轮(chǐlún)篇
在机器人的设计(shèjì)中,机械结构是完善系统的一个重要因素。要认识各种各样的传动机构,了解其工作原理及其优缺点,什么时候用哪种传动系统最有效等,从而设计出出色的机器人系统。
:5的传动比产生1:25的传动比,3个1:5的传动比产生1:125的传动比。但必须小心使用,因为乐高组件可能因为机器人不能产生某种动作而损坏。换句话说,如果某一样组件卡住了,乐高马达的速度乘上125产生的速度足以(zúyǐ)扭曲梁,扭断轴或者打破齿轮的齿。
选择适宜的传动比
在选择传动比之前先做一些实验,不要等到搭好机器人的时候才觉察传动机构没有正确地工作。先搭建一个粗糙的模型或者是一个特殊的子模型,调试传动比,直到你满意为止,搭建的模型不需要很结实,也不需要很完整,关键是能否正确地模拟某一个具体的动作以及能处理实际的载重。例如,如果你准备搭建一个爬斜坡〔50%坡度〕的机器人,首先必须计算模型所要承受的所有重量:执行其它任务的马达、RCX、额外的组件等。不能无负载测试,否如此机器人将无法正常工作。
注意(zhù yì):记住,在多级减速过程中,每增加一级就会产生更大的摩擦力,因此,如果想得到最大的传动效率,应该尽可能地降低传动级来到达你所需的传动比。
在机器人套装中,你会发现另外(lìnɡ wài)一种奇怪的黑色齿轮,类似带有螺旋线的圆柱体。它也是一种齿轮。
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,涡轮与常用的24齿齿轮啮合,通过(tōngguò)搭建这个简单的装置,可以发现涡轮的很多特点。用手试着去转动齿轮,你能轻易的转动与涡轮相连接的轴,但不能转动与24齿相连接的的轴。因此涡轮的第一个重要的属性是:它能产生单向传动系统。也就是说,你能用涡轮带动其它齿轮,但不能被其它齿轮带动,产生这个现象的原因又是摩擦力引起的。这个属性可以用于特殊的用途。
涡轮装置(zhuāngzhì)
你可能也注意到了另外一种情况:两根轴是正交的,使用涡轮时,传动(chuándòng)方向必然会改变。
现在再来回到齿轮:我们(wǒ men)已经很熟悉如何计算普通齿轮的传动比。你是否想知道涡轮所产生的传动比呢?先做一个实验:,缓慢转动涡轮轴一圈,同时观察24齿齿轮。可以观察到涡轮每转过一圈,24齿齿轮刚好转过一个齿,我们得到一个结论:涡轮是1齿齿轮,我们在装置中使用了一级传动就得到了24:1的传动比。使用40齿的齿轮可以将传动比提高到40:1。
这个不对称的涡轮装置主要应用在减速和增加扭矩,这个特殊的装置的摩擦力极大以至无法被其它齿轮带动。同样,这么大的摩擦力也会使它的效率大大降低,因为在这过程(guòchéng)中会损耗许多扭矩。这一特殊并不代表它不好。在某些情况下,我们非常需要这种不对称的装置。例如,我们设计的机器人用手臂提起物体。如果使用标准齿轮产生25:1的传动比:当手臂提起物体并停止时会发生什么情况呢?这个对称装置把物体的重量〔势能〕转变成扭矩,扭矩转变成角速度,马达就自行回转使得手臂回落下来。在类似这种情况中,就可以使用涡轮来解决这一问题。涡轮的自锁功能使马达不能回转。
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由此当你希望(xīwàng)带有负载的装置准确、稳定地定位时,或是想获得一个很高的减速传动比,涡轮会非常有用。
(lí hé)齿轮
  接下来,介绍另一个特殊(tèshū)组件:白色的24齿厚齿轮,在它的外表山上有奇怪的斑纹〔〕,它的名字叫做离合齿轮,在接下来讨论它是如何工作的。
(lí hé)齿轮
      实验(shíyàn)很简单:将轴的一端插入离合齿轮,将另一端插入24齿齿轮用作旋钮。用手让后者保持适当的位置,缓慢转动离合齿轮,尽管阻力很大,但还是转动了。这就是它的作用:当扭矩大于额定值时,将产生打滑来保护结构。
    离合齿轮通过限制传动系统中的力来保护马达、组件并解决某些困难的情况。-5Ncm〔Ncm代表牛顿厘米,扭矩的单位〕-5Ncm的扭矩,超出这个范围,它内部的离合结构就开始打滑。
离合有什么用处呢?我们知道,在减速传动中系统会产生很大的扭矩,出现意外时,这个力足以毁坏机构,离合齿轮可以防止这种情况的发生:将传输的力限制到某个值内。
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还有一种情况:齿轮降速很小,且扭矩缺乏以毁坏乐高组件。但如果(rúguǒ)机构卡住,马达停转,这种情况很麻烦,因为这时马达有电流流过,可能会造成马达永久损坏。离合齿轮防止了这种损坏:当扭矩变大时,齿轮就脱离马达。
在某些情况下,离合齿轮甚至可以减少传感器的使用。假设你搭建一个能够完成某些动作的动力装置,比方使某个子机构〔手臂