粤科版高中通用技术选修3：简易机器人制作简易机器人的机械设计

4.车轮及万向轮
在设计机器人的移动机构时，可以采用 车轮。
车轮分为普通车轮及万向轮，如图5-26 所示。如果给机器人装上万向轮，它就可以 很轻松地移动或改变方向。
5.履带及其专用轮
图5-27所示为制作履带机器人 时使用的履带及其专用轮。
二、简易机器人介绍
1.三轮机器人
轮移动机构是轮式机器人的基本移动机构。如图528所示，三轮机器人的后轮用两个电机驱动，前轮用一 个万向轮。这种机构组成简单，旋转角度可从0到无限 大，任意改变。它的旋转中心是在连接两驱动轮的轴心 上，如图5-29所示。
螺母的结构形式很多，六角形螺母的应用最为 普遍。
垫圈主要用以保护被连接件的支撑表面。
2.连接件
在简易机器人的制作过程中，件与件的连接， 如电机与车轮的连接，平板与电机车轮的连接等， 都需要用到连接部件，连接部件有L形的、条形的 等，如图5-23所示。
3.组装板及组装条
图5-24和图5-25所示的是制作简易机器 人用的组装板及组装条，可按照简易机器人 的大小，进行不同的组合。
机械零件及简易机器人介绍
一、机械零件介绍
1.连接标准件
用螺钉、螺母和垫片（图5-22）可 以构成可拆连接。
螺钉的种类很多，按其头部形状的不同，可以 分为圆头螺钉、平头螺钉、六角螺栓、内六角螺栓 等。不同的螺钉大小和形状各不相同。当采用螺钉 连接固定时，如果因螺钉头部外露产生妨碍，则可 以选用平头螺钉。在连接板上钻一个锥形孔就可将 螺丝头隐藏起来，使固定后的表面较为平坦。螺钉 头部沟槽一般为十字（+）形和一字（-）形，也有 六角孔形。
2.四轮机器人
四轮机器人的驱动机构和运动，基本上与三轮机器 人相同。如如图5-30所示，四轮机器人的中间两轮采取 电机驱动，前后两轮用万向轮。与前面的三轮机器人相 比，当旋转角度为0时，由于旋转中心与车体的中心重 合，四轮机器人可以绕车体中心旋转，如图5-31所示。 所以，使用四轮机器人有利于在狭窄场所改变方向，让 机器人按预定的路径运行。

寻迹简易机器人
一、设计要求
设计一个简易机器人，使之可以按照 预定的行走轨迹运动。
二、制作工具
螺丝刀、计算机、工作台。
三、机器人组件
全部组件如图6-1所示。
四、制作步骤
1.硬件组装
（1）头部组装。用2个8孔和1个3孔的组装条，2个6孔 的组装片组装头部，如图6-2所示。用2个长螺丝（M4×12） 将2个8孔的组装条固定在3孔的组装条两侧，用2个短螺丝 （M4×5）将2个6孔组装片分别固定在2个8孔组装条的顶端。 左图图是使用的元件，右图为完成组装后的头部。
（2）组装底座及左电机（图6-3）。组件有1个12 孔组装条、1块11×15孔的组装板和1个电机车轮模块。 该机器人为后轮驱动，所以车轮要装在组装板的靠后 位置。将组装条放在正面左侧，用来固定电机。
（3）组装底座及右电机（图6-4）。组 件有1个12孔组装装条和1个电机车轮模块。 用同样的方法组装右侧的电机车轮模块，注 意使两电机车轮模块对称。
（4）安装万向轮（图6-5）。用螺丝将头 部和万向轮固定在车体上。头部应安在组装板 的上面，万向轮一定要安装在组装板前端的中 间位置。
（5）安装控制板（图6-6）。用4个大 头螺丝将控制板固定在车体上。
（6）安装传感器（图6-7）。将1个传 感器装在头部的下面，注意传感器的发光面 要朝下。
பைடு நூலகம்
（7）接线（图6-8）。首先接电机线，左、右电 机插头为红色，注意将左电机车轮模块装在左侧，右 电机车轮模块装在右侧。然后接传感器线，将传感器 接在in1上，注意不要接反。
2.调试传感器
（1）将一张白纸铺在平放的机器人下面， 指示传感器的发光二极管应变亮；如果将白纸 撤掉，指示传感器的发光二极管应熄灭。

1.链传动的结构及带传动和齿轮传动的区 别。
2.链传动如何传递运动和力？ 3.以变速自行车的链传动为例，分析和讨 论链传动比，并给出公式。 4.计算不同飞轮(从动轮）齿数时的传动 比。 5.设计一种试验方法，验证计算得出的传 动比。
总结
与摩擦型带传动相比，链传动无打滑现象，因而能 保持准确的传动比；又因链条不需要像带那样张得很紧， 所以作用在轴上的压轴力较小；链传动能在温度较高、 有水或油等恶劣环境下工作，与齿轮传动相比，链传动 易于安装，成本低廉；在远距离传动时，结构更显轻便。
带传动原理
知识窗
根据传动原理不同，带传动可分为摩擦传动型和 齿合传动型两大类。 （一）摩擦传动型
摩擦传动型当主动带轮转动时，依靠与带轮表面 的摩擦力带动从动带轮转动，从而传递运动和力，绝 大部分带传动属于摩擦型带传动。
摩擦型传动中，根据带的截面形状不同， 可分为普通平带传动；V型带传动；多楔带传 动；圆带传动。
带传动与链传动
一、带传动
在机床、汽车和机器人等各种机械传动装置中，广 泛应用着带传动，如图所示，带传动一般由固定于主动 轴的带轮1（主动轮）、从动轴上的带轮2（从动轮）和 张紧在两带轮上的传动带3组成，当主动轮转动时，通 过传动带将运动和力传递到从动轮，使从动轮和从动轴 转动。如果主动轮的直径小于从动轮，则带传动是减速 传动，反之为增速传动。
总结
其缺点是需要润滑以减少条与链轮之的磨损：传动 的平稳性差，会产生噪声；且只能用于平行轴间的传动 链传动主要用在要求工作可靠，且两轴相距较远，以及 其他不宜采用齿轮传动的场合如摩托车和电梯中传动的 应用。
今天的学习到此结束，大家都同步带传动， 靠带上的齿与带轮上的齿槽的齿合作用来传递 运动和力，同步带传动时，带与带轮之间不会 产生相对滑动，能够获得准确的传动，因此它 兼有带传动和齿轮传动的特性和优点。

零件连接及加固为了搭建一个稳固的构，要利用来自三 个维度的支撑。
搭建的例子
搭建过程
讨论与合作
在搭建机器人的过程中，除了要注意其结 构的稳固，还要注意重心的位置分析以下哪种 搭建方式更稳固。
设计与实践
活动任务 搭建不同结构的简易机器人。
活动过程及结果
今天的学习到此结束，大家都学会了么？
谢谢
拼装式简易机器人制作
一、了解拼装式简易机器人
拼装式机器人又称积木式机器人，它是利用多种类 型的组件来拼装简易机器人的机械部分。
（一）拼装式简易机器人套件的零件及其搭建
拼接式高易机器人的“身躯”有各种结构，可以 通过组件拼装来实现。
零件尺寸 拼接式简易机器人套件的零件都以固定的
规格制造，以便于拼接，所以了解各个零件的 长、宽、高比例是搭建的基础。

2.红外传感器 平台式简易机器人ห้องสมุดไป่ตู้2个红外发射管和1个
红外接收模块共同构成红外传感系统，它主要 用来检测前方。左前方和右方的障碍物，检测 距离为10～80cm图4－3是当方有障碍的情况。
（三）平台式简易机器人的部分传感器 3.碰撞传感器
设计与实践
活动目标 1.掌握不同传感器的意义。 2.合理使用机器人了解不同的功能。 3.总结传感器的特点和不足。
设计与实践
活动方式 3-5个人为一组进行活动，每组可以选择12个活动展开。
活动成果
每个小组展示所选择活动的成，果并介简易机器 人使用的传感器、程序的设计思路在调试过程中遇到 的问疑和改进的方法等，提出还没有解决的问通，与 全班同学一起进行探讨和交流，通过活动增强对传感 器的了解，并填写表格。
课后作业
（三）平台式简易机器人的部分传感器
1.左、右光敏感器 我们已经学过光传感器的原理，在这种简
易机器人中，光敏传感器的输出信号是模拟信 号，左、右光敏传感，分别与模拟输入口PEO、 PEI相连。光传传感器的输出出信号经过模数 转换后变为数字信号，其输出范力0～255亮度 越高输出的数值越小。
（三）平台式简易机器人的部分传感器
平台简易机器人制作
一、了解平台式简易机器人
（一）平台式简易机器人的控制系统 平台式简易机器人控制系统的核心是单机片和外部
存储器，外围有电源电路通信电路、接口电路、驱动电 路、硬件扩展总线等等，其控制结构图如下。
（二）平台式简易机器人的行走
平台式高易机器人是通过两个驱动轮和两个随动 轮来行走的，通过改变电动机输入电压的方式来控制 电动机的转速，经过三级直轮系将电动机的转动传给 驱动轮，满足它行走的速度和转矩。
根据不同传感器的特点及不足写一份总结，要求 字迹工整，条理清晰。

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谢谢
简易机器人控制电路的构建
一、简易机器人控制系统的构成
在《技术与设计2》中，我们已经了解了控 制及控制系的基本知识。控制系统通常划分为 输入、控制和输出3个基本组成部分。简易机器 人的控制系统随着功能的不同而有各式各样的 电路。简易机器人控系统的构皮如图2－32所示。
一、简易机器人控制系统的构成
控 制 系统的 输 入部分通常由各种传 感 器 组 成：输入部分相当于人的感官 ， 输 入信息可以 有多种形式，可以 是 力 、 也可以是温度 、 光 照 强度、声音、磁场等环境参数的变化。
一、简易机器人控制系统的构成
输出部分由继电器 、 电动机、机械装置等 组成 ， 它相当于人的肢体，它的作用是执行控 制部分的命令以完成各种操作，输出 信 号可以 是位移，如电动机的转动，继电器中衔铁的运 动，也可以是 声 音 、 光等，如蜂鸣器发出 的 报 警声。
二、简易机器人控制电路的构建
构建简易机器人的控制系统，需要将前面 介绍的直流电动机、各种传感器以及单片机巧 妙地组合起来 。 简易机器入的控制系统通常制 作在一块控制电路板上，实现的方法通常有两 路及其他控制电路 来 实 现 。 另一种方法则是在 已有的简易机器人控制电路板的基础上，扩展 传感器及其他控制电路来实现。
二、简易机器人控制电路的构建
例 如 2-33 死 某 足 球 机 器 人 的 控 制 电 路 板 ， 它又单片机、通信电路、电源电路、传感器输 入接口、电动机驱动电路等构成。其结构图如 图2-34所示。
设计与实践
活动项目
从以下活动中选取一项（也可自主选择项 目），构建简易机器人的控制电路 1．能够“避障”的简易机器人。 2．能够灭火的简易机器人。 3．足球机器人。

继电器的种类很多，可以按工作原理、结构特征、负 载大小、防护特征等分类，常见的有电磁继电器、固态继 电器、晶体管继电器、温度继电器、时间继电器等。
本节以电磁继电器为例讲解继电器的原理。
电磁继电器的结构
单片机与继电器的连接
四、电机
电机(本书指电动机)在第一章就介绍过，机器人的机械 结构相当于人的四肢，用来行走、操作等。驱动机器人关节 动作的装置叫驱动装置。简易机器人的驱动装置绝大多数由 电机担当。
LED的使用方法
Lபைடு நூலகம்D与单片机接口电路
二、蜂鸣器
简易机器人使用蜂鸣器发出声音。对发声器件进行编 程，我们就可以凭声音来判断机器人工作是否正常，有时 听声音比看LED发光更方便。
压电蜂呜器是由压电陶瓷发声元件和振荡电路组成的 电声元件。
压电蜂鸣器实物
压电蜂鸣器的符号
三、电磁继电器
几种继电器
继电器是当输入量(或激励量)满足规定条件时，能在 一个或多个电器输出电路中产生跃变的一种器件。简单理 解就是用一种电源控制另一种电源通断的器件。
一、发光二极管
发光二极管(LED)是很常用的显示器件，手机的信号显 示灯、PC机硬盘及光驱的指示灯等都是例子。简易机器人 控制电路板上有若千个发光二极管，用来显示各种工作状 态。
外形
符号
二极管是一种半导体器件，根据施加电压的极性， 产生导通和不导通两种效果。二极管由N型半导体(半 导体中的电子携带电荷流动)和P型半导体(电子迁移 所剩空穴携带电荷流动)结合而成，结合面被称为PN 结。LED是二极管的一种，其原理是在PN结让电子与 空穴再次结合，此时产生的能量以发光的形式释放出 来。
简易机器人常用输出元件
学习导航 1、简易机器人上常用的输出元件有儿

前引
根据机器人的功能和应用的不同，其机械设计的差 异很大。图3-43所示的工业机器人由固定支撑和机械手 组成。而图3-44的排障机器人是由用于行走的腿、实现 操作的机械手和支撑体组成。
简易机器人的机械设计一般有固定形式和 拼装形式两种。
一、简易机器人的腿
目前，简易机器人的腿主要有履带式、轮式和足 式等。
根据简易机器人功能的不同，其操作装置也不相同。
今天的学习到此结束，大家都学会了么？
谢谢
Hale Waihona Puke 设计与实践分析和讨论采用齿轮传动四轮形式的简易 机器人的行走。
讨论与分析 请大家讨论：
1.电动车驱动的是哪两个轮子？ 2.齿轮传动是如何将电动车的转动传递给 车轮的？
制作要求： 1.分析和讨论如图的六腿和单腿的运动规律
。 2.实现六足 3.根据制作过程中出现的问题，进行调整和
完善。
知识窗
二、简易机器人的手抓
家庭幼儿园社区是孩子发展的三大环境但长期以来在狭隘的教育思想观念影响下大多数人认为孩子的教育即幼儿园教育忽视了家庭社区两大环境的存在陷入了幼儿教育的误区
简易机器人的机械设计
机器人
机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它 既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也 可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任 务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业 ，或是危险的工作。

至此，机械手终于组装完成了。用手轻轻旋转电 机轴，机械手能动起来吗？
探究尝试
1.电机的旋转运动是怎么转变成机械手臂的升降 运动的？都用到了前面学过的哪些？ 2.用一个接触传感器作为机械手升降的行程限位 开关，再把控制器分别与继电器模块和行程开关 连接，你能编制一个程序控制机械手拾起一个下降的控制：
第五步：完成了升降台底座、升降台臂、风扇平 台、传动装置及驱动装置的制作后，就可以按照 图4.32将整个升降台组装起来了。
二、抓球机械手
人类的双手就是一个既灵巧又复杂的执行机构，可以完 成抓、夹、握、拨、捏等操作，以至干目前还没有研制出完 美的替代品。在工业自动化生产线上，机械手是种常见的执 行机构。机械手的形状各异，功能也各不相同，但有一个共 同的特点是能将物体从甲地点搬移到乙地点。在这一方面， 它与人手完成的功能是一样的，不过结构要简单一些。鉴于 机械手的重要性，下面我们就来制作一个抓球机械手。该机 械手的操作任务在第一章项目设置中已经表述清楚，请同学 们依照表4.1的形式讨论制订抓球机械手的设计方案。图 4.34为抓球机械手的一种结构设计选择，其组装步骤如下：
简易机器人机械系统的设计与 制作
学习导航
1.如何根据设计任务制订机器人机械系 统的设计方案？ 2.怎样把驱动装置、机械传动机构、执 行机构及机体组合在一起？ 3.机器人移动载体有哪几种结构形式？
现象与问题
右图为第一章中同学们组装成的机 器人移动小车，它可以完成前进、后退、 转弯等动作。
讨论
1.在制作该移动小车时，你事先明确该小车所要完成的任务 吗？ 2.如果你来设计该机器人，如何制订设计方案？ 3.移动小车为什么选择三轮移动方式，而不采用履带及腿足 式移动方式呢？
图4.27给出了灭火升降台机械系统的具体结构，它是 根据表4.1的分析得出的结果，漂亮吗？机体基本上采用拼 装式结构，驱动装置（电机）、传动装置位于底部，风扇 的安装平台则被安排在缩放机构的顶部，整个机械系统由 平面连杆机构、齿轮传动机构、带传动有机地结合而成， 现在就让我们来组装它。

下图的手摇钻是利用圆锥齿轮传动的原理 来工作的。当用手柄摇动大圆锥齿轮时，通过 与钻头相连的小圆锥齿轮的齿合，使钻头的旋 转速度变快，这是增速传动。
讨论与分析
（四）蜗杆蜗轮传动
蜗杆蜗轮传动如图，蜗杆蜗轮的两轴在空间交错， 两轴间的夹角一般为90°。
（五）齿轮系
前面已经讨论了各种齿轮传动知直齿圆柱齿轮、圆 锥齿轮和蜗杆蜗轮传动等，它的传动形式都很简单。然 而实际的机械传动往往很复杂，在主动轴与动轴的距离 较远、要求较大传动比及多方向变换等情祝下，仅用一 对齿轮传动就蜗杆蜗轮传动是不够的，必须通过一系列 相互合的齿轮组成的传动装置将主动轴的运动传递到从 动轴。这种由一系列互相合的齿轮组成的传动装置称为 齿轮系，图所示的简易机器人中应用了齿轮系。
齿轮传动
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一.了解齿轮传动
齿轮传动在现代机械中是应用最广泛的传动方式之 一，例如机械钟表的齿轮传动，齿轮传动的类型有很多， 在简易机器人中主要用到的有直齿面柱齿轮传动、齿条 与齿轮传动、圆锥齿轮传动和蜗杆蜗轮传动等。
（一）直齿圆柱齿轮传动
直齿圆柱齿轮传动是在两个齿轮在同一平 面上互相咬合组成。
讨论与分析
（二）齿条与齿轮的传动 齿条与齿轮传动如图所示。齿条与齿轮的
齿合能实现从转动到直线运动的转换。当固定 在转轴上的主动齿轮转动时能够移动的从动齿 条将形成直线运动，其中，从动齿条直线运动 的方向如图中箭头所示。
齿轮与齿条的运动
简易机器人的齿条与齿轮传动能通过主 动齿轮的转动来改变车轮的方向。
（三）圆锥齿轮传动
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谢谢

ຫໍສະໝຸດ 图4·4机器人手爪抓握鸡蛋
机体的作用相当于人体的躯干，机器人的驱动 装置、传动装置、执行机构三者都要安装在机体上。 机体要有足够的强度，以保证机器人在实现各项功 能时足够坚固，其作用类似于自行车的车架，汽车 的底盘等。
综上所述，在机器人的机械系统中，传动装置起着 非常重要的作用，它把驱动装置输出的单一运动形式变 化成多种运动方式，满足不同执行机构的要求。机器人 中传动装置最为复杂，也最富有创意，因此本章重点介 绍各种机械传动的方式。
机械系统的组成
学习导航 1、机器人机械系统由哪几部分组成？ 2、常见的机械传动方式有哪些？
在第一章中我们提出了一种高台灭火机器人 的设计方案。为了解释简易机器人机械系统的组 成，图4·1给出了一个灭火机器人机械系统具体 结构的示例，它由驱动装置、传动装置、执行机 构和机体4部分组成。这与实用机器人的机械系 统组成是一致的。
图4·1灭火机器人结构举例
人体运动的动力来自于肌肉的伸缩，汽车开动需要 发动机，遥控玩具车则通常需要电机驱动。机器人与任 何机械一样，也有赖于驱动装置来产生运动，完成各种 动作。图4·1中简易机器人的驱动装置是微型电机，图 4·2中家庭服务机器人采用气动人工肌肉作为驱动装置。 机器人的驱动装置还包括汽缸、液压缸等。
谢谢
执行机构是用来完成特定作业任务的装置。例如，机床 的刀具用于对毛坯进行切削加工，自行车的轮子和车把分别 实现滚动前行和转向，消防车的高压水枪则扮演灭火的角色 等。显然，机器人应该借助不同的执行机构去完成不同的作 业任务，焊接机器人的执行机构是焊枪，喷涂机器人的执行 机构是喷枪，清洁机器人的执行机构是清水喷淋头和刷子， 而灭火和巡线运球机器人的执行机构分别为风扇和手爪。图 4·4中机器人的执行机构(手爪)正在抓握一个鸡蛋。