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【入门】13、PVCBOT【11号】机械猩猩·翻筋斗机器人

时间:2011-12-23 12:38来源: 作者:机器人 点击:

  在控制系统基本维持不变的情况下,计划接下来的几个项目都还是在机械结构上下功夫,而且更侧重于模仿生物界中动物的行为模式,即“仿生机器人”。虽然我们入门阶段的机器人都以BEAM也就是简单的仿生机器人为主,但是比起前面介绍的各项目机器人,接下来的仿生运动机器人在运动方式上更是与动物相似和接近。

  这里首先介绍的是一个翻筋斗机器人,由于无论从外形上(上肢长下肢短),还是从翻筋斗的行为来看,都很像一只大猩猩,所以定名为“机械猩猩”。

 

  

【入门】13、PVC-Robot【11号】机械猩猩·翻筋斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

 

  本项目的机械猩猩的控制电路相对比较简单,主要还是在机械结构和传动机构上有着特别的设计。

 

 

 

  一、基本原理

  1.1、驱动原理

  1.2、机械结构

  1.3、电路原理

  二、准备工作

  三、制作过程

  3.1、引擎

  3.2、减速箱

  3.3、总装

  3.4、调试

  四、效果展示

  五、项目总结

  一、基本原理

  本项目为翻筋斗机器人,其主要通过减速电机驱动一个简单的杠杆机构来实现身体的翻转完成连续的翻筋斗行为。

 

  1、驱动原理

  本项目机器人可以翻筋斗,主要依靠双臂把身体支撑起来,然后逐步转动身体,最后实现身体的翻转来完成翻筋斗,其原理就类似大猩猩翻筋斗一样,当然也类似我们人类。

  实际上,本项目和前面的PVC-Robot 6号、PVC-Robot 10号翻跟斗机器人的原理是一样的,前面之所叫“翻跟斗”,看成是它自己走路不稳,跌跌撞撞载跟斗的意思;而这里用“翻筋斗”,其实意思是作为高级灵长类(包括人类和类人的猩猩等)的动物的一种娱乐方式了。

  当然,真正的高级灵长类动物翻筋斗还是比我们这个机器人要灵活,我们这个机器人翻筋斗全程都依赖手臂转动,动作还很慢很笨重;而灵长类动物除了利用手臂支撑外,还借助腿部、腰部的力量,动作可以很快很轻巧。

 

  

【入门】13、PVC-Robot【11号】机械猩猩·翻筋斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

 

 

  2、机械结构

  本项目的机器人其实是利用了杠杆原理进行翻筋斗的。

  阿基米德说过:“给我一个支点,我就可以翘起地球”,从中学的物理课我们就了解杠杆原理,知道使用杠杆可以省力。

 

  

【入门】13、PVC-Robot【11号】机械猩猩·翻筋斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

 

 

  杠杆可以省力是众所周知,如果外力(F)的杠杆力臂(L1)比较长,而重力(G)的杠杆力臂(L2)比较短,根据杠杆公式(F*L1=G*L2),就可以得知外力(F)可以小于重力(G),且外力的力臂(L1)越长,则所需要施加的外力(F)就可以越小,即越省力

  如果杠杆反过来用,也会导致杠杆也可能是费力的。也就是说,如果外力(F)的力臂(L1)小于重力(G)的力臂(L2),那么外力(F)就必须大于重力(G),且重力的力臂(L2)越长,则所需要施加的外力(F)就越大,即越费力

 

  在本项目中,其实就是碰到了杠杆费力的情况。由于结构的原因,电机施加的外力(F)的力臂(L1)是很短的,而重力(G)的力臂(L2)是很长的。而且支撑机器人转动的手臂越长,力臂(L2)就越长,而力臂(L1)则几乎不变。

 

 

  

【入门】13、PVC-Robot【11号】机械猩猩·翻筋斗机器人 - PVC-Robot - PVC-Robot

 

  也就是说在“杠杆费力”这种情况下,电机需要承受比机器人本身重量还要大得多的压力,这也是为什么本项目机器人的电机必须附带有能够增加电机输出力量的齿轮减速箱。与此这类似,前面的PVC-Robot 6号、PVC-Robot 10号翻跟斗机器人也都是需要采用减速电机。

 

  · 减速机构 ·

 

  我们采用电机作为动力,为了实现翻筋斗,电机必须输出足够的动力,并且要求是输出左右两侧同轴的转动轴。

  通过 PVC-Robot 6号——传动结构,我们都知道减速齿轮箱能够把电机“高转速、低扭矩”转换为“低转速、高扭矩”,即通过减速齿轮箱把电机的转速减下来,把输出的扭矩(动力)提高起来。

 

  本项目我们采用的是带微型减速齿轮箱的电机,但是由于该型号电机的一些不足以及本项目的一些特殊需要,我们还需要对该电机进行一定的改造完善:

  1)该微型减速电机所带的齿轮减速箱,使得转速已经降得比较低,但是输出的扭矩(动力)也不是太高,动力还是有点不足。

  2)该微型减速电机是单侧输出转动轴的,无法满足本项目机器人要左右两侧同轴驱动连杆的要求。

 

  为此,我们决定为该微型减速电机再增加一级减速齿轮,即:

  1)通过进一步降低转速来提高扭矩(动力);

  2)这增加的一级齿轮我们采用一种称之为“蜗杆”的结构与齿轮配合组成新的减速机构,同时把单侧输出转动轴变为双侧输出转动轴。

 

  这里可能有朋友会问,为什么这里不全部采用常规齿轮而是还要用蜗杆呢?

  确实,通常情况下我们是可以全部采用常规齿轮来减速,但是在这里我们受到了所采用的减速电机的形状和体型的制约,不得已而借助了涡杆来减速。

  1)假如采用常规齿轮,小的齿轮不好安装,齿轮轴会顶住电机;而大齿轮虽然便于安装,可以让齿轮轴远离减速电机,但是大齿轮却导致减速比太大,最终可能会把输出的转速降得过低导致机器人行动过慢;

  2)假如采用蜗杆,可以配合小的齿轮,同时利用蜗杆机构能够让转轴的方向垂直改变的特性,既确保了减速比不至于过大,也不会因为顶住电机本身导致安装不方便。

  可见采用蜗杆是本项目改造减速电机的最好选择。

 

  

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