乐高机器人.pdf

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擦力，因为摩擦力在转换过程中
会抵消一部分扭矩。

最大的乐高齿轮是 40齿的，而最小的是 8齿的。这样，使用两个齿轮传动
时，最大可以得到 1：5的传动比。(如图 )

图 传动比1:5
如果还想得到更高的传动比，应该使用多级变速系统（加速或减速），我们
称它为齿轮传动链，如图 。在这个装置中，第一级传动比为 3：1，第二级传
动比为 3：1，这样，总的传动比就为 9:1。图 的传动比9:1
齿轮传动链可能会产生让你难以置信的能量，因为它能将扭矩转化为角速
度，两个 1：5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
足以扭曲梁，扭断轴或者打破齿轮的齿。
选择合适的传动比
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发觉传动机
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牢固， 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，否则机器人将无法正
常工作。
注意：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达到你所需的传动比。

在机器人套装中，你会发现另外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。在图 ，涡轮与常用的 24齿齿轮啮合，通过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。

图
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，传动方向
必然会改变。
现在再来回到齿轮：我们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： 搭建图 ，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。由此当你希望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