乐高机器人教案.pdf

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起的，尽管摩擦力是无法避免的，但我们应尽量减
小摩擦力，因为摩擦力在转换过程中会抵消一部分扭矩。
齿轮传动机构
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 1:5 传动比
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 9:1 的传动比
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。
涡轮
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 中，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 涡轮装置
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
中的装置，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