1、機械設計原則 任何動作的設計，最終都要通過機械去完成 因此：機械部分才是機器人設計中最關鍵的部分 設計原則：以簡單為第一準則。在設計的全過程中，要時刻貫穿盡量使用最簡單、明了、直接的結構去實現所需要功能的設計理念。機器人機械設計原則和內容常用機械零件 齒輪直齒輪：直齒輪是機器人制作結構中最常使用的一種齒輪，呈圓柱形，輪齒均勻分布于外圓柱面，輪齒面垂直于軸，輪齒平行于軸線。 機器人機械設計原則和內容斜齒輪：斜齒輪也呈圓柱狀，輪齒和軸線成一定角度。相對直齒輪，斜齒輪傳動更安靜，可以傳遞更大載荷，承受最高轉速。 機器人機械設計原則和內容蝸輪：蝸輪由蝸桿和蝸輪兩部分組成，可以視為用兩個斜齒輪以適當角度

2、配對傳動。其中蝸桿樣子像螺栓，輪齒具有很小的螺旋角。蝸桿的從動輪使用斜齒輪或直齒輪。蝸輪工作安靜，可以獲得極高的減速比，并具有自鎖功能。自鎖功能意味著當沒有功率輸入的時候，蝸輪依然能夠保持在原位置，不會因重力或其他原因出現反向移動。對于機器人競賽來說，在某些情況下，特別需要自鎖功能。蝸桿和從動蝸輪分別在垂直平面和水平平面上轉動，可作垂直方向轉動。 機器人機械設計原則和內容錐齒輪：又稱傘齒輪，其外形呈圓錐狀。它的輪齒可以是直齒，并和旋轉方向垂直。也有少量傘齒輪的輪齒是彎曲的。傘齒輪可承載的能力比較大，而且和蝸輪一樣，可以作垂直方向旋轉力轉動。 機器人機械設計原則和內容行星齒輪：行星齒輪其實是直齒

3、輪的組合，主要用于承載能力很強而空間卻有限的場合，例如直流電機的變速箱部分。 機器人機械設計原則和內容齒條齒條是在一個矩形長條上，所有齒平行排列成直線的機械零件。它可以固定帶有小齒輪軸轉動的部件，即可以將旋轉運動轉換成直線運動；或者固定齒條部分，當小齒輪轉動時，帶有小齒輪的部件則會在齒條上產生平行移動。 機器人機械設計原則和內容同步輪、同步帶同步輪是一種特殊的齒輪，它與同步帶配合使用。作為力的傳動，同步輪上的齒形、齒距等參數必須和使用同步帶嚴格一致。經同步帶連動的兩個軸的轉動參數則完全同步。當需要多個零件動作完全一致地同步進行時，應采用同步帶機構。同步帶機構必須利用配套的齒形帶輪和同步帶。 機

4、器人機械設計原則和內容皮帶輪和皮帶通過傳動皮帶，將2個皮帶輪相連，在改變轉速情況下進行動力傳送。輪的主要參數有輪的外徑以及輪上的皮帶槽。常見的有矩形、半圓、梯形幾種，皮帶槽的形狀則根據傳送帶的形狀來決定。機器人競賽常先選用合適的傳送帶，再決定皮帶輪的加工。 機器人機械設計原則和內容軸承為減少摩擦力，提高機械效率，軸承是常采用的部件。機器人競賽中使用的是微型軸承，軸承內徑為46ram，外徑為1320ram。軸承加裝單蓋或雙蓋，以防止灰塵進入。軸承內徑中的軸以及外徑安裝孑L都要精確加工成緊配合。對微型軸承的安裝過程，要特別小心，防止其變形或損壞。 機器人機械設計原則和內容軸機器人結構中常使用各種直

5、徑的軸。由于軸相對比較細長，加工困難，價格又高，因此可在金屬構件店購買各種直徑的軸銷來代替，效果很好。直徑分別為3ram、4mm、5ram、6ram、8ram、l0mm的軸銷都能購買到，可用鋼鋸或其他方法加工成合適的長度來使用。 機器人機械設計原則和內容螺桿螺桿也是機器人裝配中常用到的，在家庭裝潢商店可以購買到吊頂用的直徑為68mm的螺桿。在金屬構件商店，還可以買到不銹鋼或黃銅螺桿。對于所需螺桿的長度小于l00mm的情況，可直接購買長螺絲釘來代替。 機器人機械設計原則和內容車輪目前，競賽機器人大多采用輪式或履帶式移動機構，少數雙足機器人也并非真正意義上的雙足。機器人移動使用的車輪，一般由硬鋁加

6、工而成，車輪的直徑根據機器人底盤離地的要求并參考移動速度而定。直徑小，底盤距地近，重心低，穩定性較好。一般選擇車輪的直徑為6080mm。加工要求同心度高；對于車輪中心的軸孑L，要求最好外嵌大于l0mm厚的黃銅外套。軸套上等分鉆三個緊固孔，孔內壁攻M3或M4螺紋，以便將動力軸固定在車輪外。為增大機器人移動時與地面間的摩擦力，防止打滑，要將車輪外圈加工成矩形槽，以橡膠等摩擦力大的物質包裹在車輪外圈。比較簡單可行的方法之一，是選擇合適內徑的橡膠密封圈緊緊套在車輪的矩形槽內。因此，車輪的最終尺寸要和能得到的橡膠密封圈型號與內徑相吻合。密封圈可在橡塑商店內買到。 機器人機械設計原則和內容萬向輪使用兩輪驅

7、動的機器人，常將兩驅動輪作為主動輪安裝在后部兩側，而在前部正中央位置安裝一個萬向輪，主要用以支撐。萬向輪在受力情況下可向任意方向轉動，將機器人設計成帶有一個萬向輪的三輪結構，可以減小轉彎半徑。由于前部萬向輪的靈活性，機器人可以按要求實現運動控制。 機器人機械設計原則和內容鏈條鏈條是一種很好的傳動帶，最常見到是自行車和摩托車上的傳動鏈條。它不易打滑，傳動可靠，傳動承載力較強。可選用摩托車體內部使用的小型鏈條，在摩托車維修店就可購到。一般是一條鏈，兩個配對鏈輪，價格便宜，質量好。鏈條的尺寸可以根據需要加長或減短，鏈條兩端的鏈輪在安裝時應在同一平面上，這樣，鏈條在同一直線上傳動效率高，不易滑脫。同時

8、，安裝的鏈條要松緊適度。 機器人機械設計原則和內容履帶使用履帶也是競賽機器人常用的移動方式之一。它比車輪移動慣性小，容易控制，但速度比輪式低。履帶移動機構比較復雜，自制困難，加工造價高，一般從玩具廠選擇合適的尺寸，購買全套部件裝配使用，或者直接購買履帶式玩具加以改裝。使用寬的同步帶進行再加工，也可充當履帶使用。 機器人機械設計原則和內容連軸器顧名思義，連軸器的功能就是將主動軸和從動軸連接起來，從而使驅動軸隨主動軸轉動。連軸器有剛性連軸器和彈性連軸器兩類，每類又有兩端相同軸徑和不同軸徑之分。剛性連軸器要求在安裝中，主動軸要和驅動軸完全同心轉動，否則因受力不平衡等原因，極易造成相連部件的損壞。 機

9、器人機械設計原則和內容常用機械結構機器人機械設計原則和內容變速機構我們知道的移動機器人，多數以電機驅動，但電機速度一般每分鐘近6000轉。速度雖然很高，但電機輸出轉動力矩卻很小，無法驅動機器人移動。為了增加驅動力，就要使用減速機構，進行速度和力矩變換。機器人機械設計原則和內容齒輪減速箱兩個不同齒數的齒輪分別連在主動軸和從動軸上，兩軸的轉速比，反比于兩軸上齒輪的齒數比。變速箱中使用多組齒輪配合，可將主動軸轉速進行各種減速輸出到從動軸，許多電機將齒輪箱直接裝在電機前部，作為電機的一部分使用。可以選用不同轉速的電機，以適應不同轉動力矩的需要，也可以更換不同變比的電機齒輪箱部分。 機器人機械設計原則和

10、內容(2)鏈輪變速將轉動鏈條套在兩個齒數不同的鏈軸上，可將從動軸變速。我們知道速度和齒數成反比，觀察自行車的腳蹬輪和后軸相連的小齒數從動輪便可一目了然。變速自行車由多組齒輪構成多變速機構，來改變自行車速度和驅動力，以適應各種路況的需要。 機器人機械設計原則和內容(3)皮帶輪變速這是使用兩個直徑不同的皮帶輪來達到變速的目的，如圖21所示。由于兩皮帶輪外圓周長不同，也可以達到速度變換的目的。當載荷過大時，皮帶會在皮帶輪上產生滑動，因而不適合做精確的傳動，但是這種缺陷卻使此類結構具有過載保護功能，避免當異常情況發生時所造成的機械損壞。 機器人機械設計原則和內容移動機構，對可控機器人最基本的移動要求如

11、下：當以各種速度前進或后退時，整體穩定，不傾倒。能按直線方式前進或后退。左右轉彎半徑小。按程序指令快速前進或迅速停止。 機器人機械設計原則和內容常用的移動結構單萬向輪結構：即兩驅動輪加一萬向輪的三輪方式，其中萬向輪又有前置或后置的區別。雙萬向輪結構：即兩驅動輪在后部，前部兩側各裝萬向輪一個。三驅動輪結構：即三個輪以120。均勻分布在水平面上，任一驅動輪可以轉動或滾動兩種方式工作。當機器人向任一方向移動時，處在運動方向線的第三個輪停止轉動，而向平行于前進方向滾動。這種輪的結構比較特殊，作為前進的驅動輪時，車輪由動力軸驅動轉動，而作為支撐的第三輪時，則構成輪的著地小輪，繞本身小軸滾動。這種結構的最

12、大優點是轉動半徑為零，在比賽場上機動靈活 機器人機械設計原則和內容四驅動輪結構：四驅動輪的結構有兩種，一種是使用汽車方式，即四輪前后兩側對稱分布。行駛穩定，可控性好，但轉彎半徑大。另一種是使用以上介紹的特種輪，四輪對角線分布。這種結構的靈活性很好，效率也比較高，但造價貴，設計、安裝要求也較高。 機器人機械設計原則和內容履帶式移動結構：這種結構的穩定性特別好，轉彎半徑為零。但速度較慢，噪聲較大。 機器人機械設計原則和內容改變旋轉方向機構用兩個直齒輪直接嚙合的結構，可使從動齒輪旋轉方向和主動齒輪完全相反。如果在主動齒輪和從動齒輪問加過橋齒輪，三個齒輪直接嚙合，則從動輪的轉動方向將和主動輪完全一致。

13、傘形齒輪可使主動輪和從動輪轉動直角發生變化。蝸桿蝸輪兩者的旋轉方向為直角。機器人機械設計原則和內容皮帶輪機構當主動軸與從動軸相距較遠時，可以使用皮帶與皮帶輪，皮帶輪與皮帶間依靠張力形成的摩擦力來傳遞動力。 機器人機械設計原則和內容1)皮帶傳動的速度變換 設主動輪直徑為D1，轉速為N1，從動輪直徑為D2，轉速為N2D1N1=D2N2 機器人機械設計原則和內容(2)皮帶傳動的方向皮帶的安裝主要有兩種方式，最常用的是平行式帶傳動，如圖22所示，從動軸與主動軸旋轉方向 一致機器人機械設計原則和內容交叉式帶傳動，從動軸與主動軸旋轉方向相反機器人機械設計原則和內容機器人機械設計原則和內容當兩旋轉軸相交，而

14、角度較小時，可直接使用皮帶傳遞動力。如圖機器人機械設計原則和內容當兩旋轉軸交角很大時，兩軸中間要增加過橋輪 機器人機械設計原則和內容(3)皮帶材料 當連續旋轉時，使用環形橡膠帶。密環圈的彈性雖不如橡膠帶，也可代用。 當兩軸距離較遠而又無法找到合適的環形橡膠帶時，也可用直徑為23ram的聚胺酯橡膠帶來代替，用火將兩接頭熔化后粘接成環形傳送帶使用。 機器人機械設計原則和內容凸輪機構 凸輪機構的作用是將旋轉或直線運動轉換成其他形式的運動。 機器人機械設計原則和內容(1)平面凸輪平面凸輪可以將旋轉運動轉換成縱向運動。在轉動軸上安裝凸輪，在凸輪外緣上安裝一個可以滾動的桿狀零件，俗稱推桿，推桿下部緊挨凸輪

15、面，當凸輪隨轉動軸作旋轉運動時，推桿則作上下往復運動。為減少摩擦，在推桿下端安裝滾子。 機器人機械設計原則和內容(2)移動凸輪移動凸輪可以將水平移動轉換為上下運動。當滑板作左右水平運動時，安裝在平板上的推桿就會上下往復運動。機器人機械設計原則和內容(3)凸輪機械應用擺動機構：將桿的一端固定在鞘軸上，而在動力轉軸上安裝一個橢圓形零件，此零件僅貼于擺桿下部，當動力軸轉動時，擺桿就會產生上下運動，形如招手動作 機器人機械設計原則和內容跳動機構 安裝在動力軸上的凸輪形如半個橢圓形，當動力軸轉動時，這個機構就會產生緩慢上升，快速下降的運動。使用曲柄機構產生的往復運動是比較平穩的，而凸輪機械最大的特點是能

16、產生不均勻的往復運動，即運動具有一定的突變性。 機器人機械設計原則和內容曲柄機構最典形的曲柄例子是發動機的曲軸。曲軸通過連桿和汽缸活塞相連，曲軸的轉動運動轉換成活塞的上下往復運動。機器人使用偏心輪結構，在動力軸上固定一轉軸，而距輪中心一定的距離處，安裝一固定軸。 機器人機械設計原則和內容導軌曲柄的滑動機構：在驅動軸上連接一曲柄，曲柄的另一端連接到帶有導軌的長桿上，當曲柄轉動時，長桿就會在導軌上實現往復運動。 機器人機械設計原則和內容雙滑塊組合機構：在曲柄滑塊機構中，在滑塊部件上開一長槽，槽內裝有固定的銷軸，滑塊上的長槽就可以起到導軌的作用。在曲柄滑塊的機構中，通過兩個滑塊與曲柄組合，制成一種能

17、夠實現在直線上往復運動的機構。 機器人機械設計原則和內容連桿機構連桿機構將長度不同的幾個桿絞鏈起來，并能靈活地轉動，將輸入的旋轉運動轉換成各種形式的動作。曲柄擺桿機構：此機構將旋轉運動變為搖擺運動或將搖擺運動變為旋轉運動。機器人機械設計原則和內容雙曲柄機構：在驅動軸上安裝的曲柄的旋轉力的作用下，兩個連桿均作旋轉運動。機器人機械設計原則和內容平行四連桿機構：平行四連桿機構總是保持相互平行運動。連桿機構、曲柄滑塊機構及組合知識， 機器人機械設計原則和內容曲柄滑塊機構：最基本的連桿機構是由四個桿構成的四連桿機構，若將其中一個桿固定，將擺桿作成帶有導向槽(或滑塊)的結構并可以滑動，將旋轉運動轉變為往復

18、運動，即曲柄機構中介紹的曲柄滑塊機構。這種機構經常用在機器人動作設計中，以曲柄滑塊為基礎，可以形成許多構思巧妙的動作機構。機器人機械設計原則和內容常用動作機構根據競賽的規則要求，應采用適當的動作機構，以滿足不同的競賽場合的需要。要求參賽隊員在深入了解基本動作機構的基礎上，發揮集體的聰明才智和創新思維，靈活運用他們對凸輪機構、連桿機構、曲柄滑塊機構及組合知識，設計制作出簡單、穩定、動作順暢以及不易損壞的機械機構，這是獲勝最重要的條件。 機器人機械設計原則和內容提升機構使用鏈傳動：當主動軸和從動軸距離較遠時，使用鏈條能準確地傳遞運動。使用連桿機構：采用曲柄擺桿機構，擺桿前部連接提升物部分，后端連曲柄，當驅動軸帶動曲柄作旋轉時，可使擺桿前端的物體部分上下運動。使用曲柄滑塊機構、平行曲柄機構和多連桿組合機構，可以將動作力矩增加。使用帶傳動：將物體以一定壓力夾在兩寬幅傳動帶中間，可以將物體做平移、傾斜移動或垂直移動。使用繩索傳動：使用釣魚線作為繩索來制作卷揚提升機構，不僅簡單而且效果較好。 機器人機械