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实用机器人制作讲座 ( 八 ) 一 机 器 人 J E l l 电 动 机 及 其 传 动 机 构 电 动 机 是 机 器 人 的 动 力 来 源 俗 称 马 达 ， 简 称 电 机 。 电 机 加 到 齿 轮 组 上 ， 机 器 人 就 能 沿 地 板 跑 动 ； 电 机 加 到 控 制 杆 上 ， 机 器 人 肩 部 就 能 上 下 运 动 ； 电 机 加 到 滚 轴 上 ( r o l l e r ) ， 机 器 人 头 部 就 能 前 后 转 动 ， 扫 视 四周 。 电 动 机 有 很 多 种 ， 然 而 只 有 少 量 的 适 用 于 业余 制 作 的机 器 人 。本 章 将 介 绍 有 关 类 型 的 电机 及 其 应 用 。 用 直 流 ( DC) 电 机 还 是 交 流 电 机 ( AC ) 机 器 人 ， 不 管 动 态 型 还 是 静 态 型 的 ， 都 主要 应 用 直 流 ( D C ) 供 电 。 在 电 子 电路 工 作 中 ， 在 打 开 或 关 闭 电 感 绕 组 以及 机 器 人 运 行 中 都 应 用 DC 电源 供 电 。 少 量 机 器 人 电机 使 用 交 流 ( AC) 供 电 ， 其 中 有 些 是 在 工 业 中 应 用 。 这 里 是 把 交 流 电 转 换 成 直 流 电 源 ， 在 分 别 供 给 机 器 人 子 系统 电 源 。 D C 电 动 机 可 用 于 机 器 人 中 ， 但 并 不 意 味 着 任 何 一 种 DC 电机 都 可 以 采 用 。 选 择 电机 时 ， 必 须 保 证 电机 的可 变 方 向 性 。 少 量 机 器 人 要 求 恰 巧 是 单 向转 动 电机 ，把 电机 设 计 成 在 一 个 方 向 上 运 转 、 停 止 及 变 换 等 功 能 。 DC 电 机 实 际 上 是 双 向 性 的 不 过 采 取 相 应 措 施 ， 可 以改 变 它 的 可 逆 性 ( 双 向性 ) 。 电 机 中 最 关 键 部 位 是 换 向 器 的 电 刷 。 如 果 电 刷 倾 斜 ， 电 机 可 能 就 不 能 换 向 。此 外 有 些 电机 内部 绕 组 布 线 就 会 阻 止 其 双 向运 转 ， 而 只 能 在 一 个 方 向 上转 动 。只 关 注 外 围 或 电机 本 身 去 确 定 电 机 的 特 定 接 线 方 案 是 有 困 难 的 ， 最 好 由 有 经 验 的 电 机 使 用 者 决 定 。 电 机 最 简 易 的 试 验 方 法 ， 是 采 用 适 合 的 电 池 或 DC 电 源 ， 电 源 线 从 电 机 连 到 电池 或 供 电 电 源 端 。观 察 电机 轴 的旋 转 方 向 。再 把 接 电机 两 线 调换 一下 ， 电机 轴 应 向 相 反 的 方 向旋 转 。 连 续 还 是 分 段 运 转 D C 电 机 可 以 连 续 地 或 分 段 运 转 。 其 差 别 在 于 ： 如 图 l所 示 的 连 续 -4 4-电子制作 2 0 0 3年 第 1 2期 一 t 一一 一 望 威 周 茜编译 运 转 的 电 机 ， 加 上 电 源 ， 轴 就 连 续 地 旋 转 。 当 电源 去 掉 轴 就 停 止 ， 或 者 它 不 再 驱 动 给 它 加 的 负 载 。 图 2表 示 步 进 电 机 ， 加 上 电 源 引 起 轴 少 量 旋 转 ， 然 后 就 停 止 。 要 使 它： 连 续 地 旋 转 ， 就 要 供 给 电 机 以 脉 冲式 的电源 。 像连续 DC电机一样 也有 几 f 种 类 型 ， 最 容 易 使 用 的 是 永 磁 型 步 进f 电 机 。 伺 服 电动 机 伺 服 电 动 机 是 连 续 式 电 动 机 的 特 种 类 型 ， 典 型 应 用 时 ， 连 续 DC 电 机 和 反 馈 环 组 合 去 完 成 电 机 的 精 确 定 位 。 伺 服 电 机 一 般 型 式 是 用 在 模 型 和 爱 好 者 无 线 电 控 制 ( RC) 小 汽 车 和 飞 机 里 。 无 线 电 控 制 伺 服 机 构 中 的 核 心 是 连 续 式 DC 电 机 。 RC 伺 服 电 机 不 仅 可 驱 动 机 器 人 沿 地 板 运 动 ， 而 且 也 用 于 操 作 机 器 人 的 四 肢 头 部 等 其 他 部 件 。 l 其他类型电机 ： 在 一 些 爱 好 者 的 机 器 人 中 ， 应 用 其 他 类 型 的 电 机 。除 DC 电 机 ， 步 进 电 机 ， 伺 服 电 机 最 通 用 外 ， 下 列 各 种 可 供 参 考 。 1 无 刷 DC 电 机 。 用 电 子 电 路 控 制 ，通 常 用 在 计 算 机 内作 电 风 扇 ， 或 ：DC， V C D 播 放 机 中 的 电 机 。 2， 开 关 磁 阻 。这 是 没 有 永 久 磁 铁 的 DC 电 机 。 f 3、 同步器 。 也叫无刷 AC电机 。 它 同 步 运 行 在 电 源 电 流 的 相 位 上 。 这 种 ；电机 功 能 很 像 步 进 电机 。 4， 跟 随 同 步 电机 。这 类 电机 一 般 成 对 应 用 ， 主 动 电机 控 制 从 动 电 机 。 主 动 电 机 转 动 引 起 从 动 电 机 以 同 样 转 速 地 旋 转 。 5、 AC 电 感 器 。 这 是 普 通 交 流 电 机 ， 用 于 电 风 扇 ， 厨 房 搅 拌 器 及 其 他 场 合 。 6、 自 同 步 器 。 顾 名 思 义 常 常 指 AC 同 步 电 机 。 注 意 ， AC电 机 不 只是 工 作 在 5 0 6 0 Hz频 率 上 ， 例 如 ， 工 作 在 4 0 0 Hz的 电机 ， 常用 于航 空 和 工 业 部 门 中 。 电机 规格 指 标 电 动 机 有 许 多 规 格 指 标 ， 有 关 其 含 义 和用 途 在 此 作 一 些 简 要 介 绍 。最 基 本 的 有 额 定 电 压 、 电 流 ， 转 速 及 转 矩 ， 试 看 它 们 与 机 器 人 设 计 的 关 系 。 1 、 T 作 电 压 所 有 电 机 运 转 均 和 它 们 的 工 作 电压 相 联 系 的 。 以业 余 制 作 小 型 电机 为 例 ， 这 指 的是 1 5 6 V范 围 。 一 些 高 质 量DC 电 机 标 定 电 压 为1 2 V 或 2 4 V。 机 器 人 制 作 者 最 感 兴 趣 是 低 电 压 型 电机 ， 通 常 工 作 在1 5 V 到1 2 V 之 间 。 大 部 分 电 机 在 电 压 低 于 或 高 于 标 称 值 是 能 够 满 意 的 工 作 。 1 2 V 电 机 运 行 在 8 V， 虽 不 够 有 力 ， 但 能 运 行 在 低 转 速 。 低 于 电 压 标 定 值 5 0 时 ， 电 机 不 能 或 不 能 很 好 地 运 行 。 类 似 地 ， 1 2 V 电 机 可 能 运 行 在 l 6 V 电压 ， 可 以 想 象 ， 轴 的 转 速 增 加 ， 电 机 呈 现 很 强 的动 力 。但 不 建 议 把 电 机 连 续 的 运 行 在 高 于 额 定 电 压 3 O 或 4 0 之 上 。绕 组 过 热 会 引起 永 久 性 损 坏 。 设 计 用 于 高 转 速 的 电 机 ， 可 运 行 在 轴 承 结 构 允 许 的 速 度 上 。 维普资讯 若 不 知 道 电 机 的 额 定 工 作 电 压 要 作 估 算 。 由小 到 大加 不 同 的 电 压 进 行 试 验 ， 通 过 手 摸 外 壳 ， 绕 组 发 生 热 量 最 小 ，这 时 消 耗 功 率 作 为 最 大 功 率 ， 所 对 应 的 电 压 ， 即为 额 定 电压 。用 试 听 法 ， 听 电 机 在 高 转 速 下 发 出 的 声 响 ， 发 出声 响最 小 确 定 为 工 作 电压 。 2 、 电 流 吸 取 电 流 吸 取 是 指 电 机 从 电 源 取 得 必 须 电 流 大 小 ， 通 常 单 位 为 毫 安 或 安 培 。这 是 一 个 重 要 指 标 ， 表 明 电 机 工 作 时 其 负 荷 的 大小 。在 空 载 的 时候 电 机 吸 取 的 电流 十分 低 。但 是 同一 电 机 带 动 轮 子 旋 转 ， 进 而 在 地 板 上 驱 动 机 器 人 行 走 ， 使 吸 取 电 流 可 能 跳 高 3 0 0 ， 5 0 0 甚 至 是1 O 0 0 。 大 多 数 永 久 磁 铁 电 机 ， 电 流 吸 取 随 着 负 荷 增 加 而 加 大 ，如 图 3所 示 。 电 机 轴 旋 转 需 要 做 的 功 越 大 ， 所 需 的 电 流 d z 就 越 大 。 在 测 试 电 机 时 ， 厂 家 所 采 用 的 负 载 不 是 标 准 化 的 ， 因 而 在 选 用 中 电 流 吸 取 可 能 大 于 或 小 于 标 定 值 。 电流 员嚣 【 1 b - f t j 电机吸取的 电流随着电机轴 负载成正 比例的增加 要 做 到 这 一 点 ， 即 电机 执 行 它 能 做 的 所 有 工 作 ， 而 且 流 过 它 的 电 流 不 能 大 。轴 停 止 旋 转 ， 电机 也 停 止 。有 的 电 机 ( 不 太 多 ) 厂 家 用 电 机 失 速 时 所 吸 取 的 电 流 大 小 来 标 定 。这 是 考 虑 到 电机 在 严 酷 条 件 下 的 工 作 。除 发 生 短 路 处 ， 否 则 电 机 决 不 应 吸 取 比 这 更 大 的 电 流 ， 如 果 所 设 计 的 系 统 能 处 理 失 速 电 流 ，它 就 能 处 理 任 何 大 小 的 电 流 。军 用 电机 是 典 型地 用 失 速 电流 标 定 。 给 机 器 人 选 择 电 机 ， 总 应 知 道 在 负 荷 下 所 引 导 出 的近 似 电 流值 。大 多 数 万 用 表 可 测 量 ， 用 专 门 电 流 表 测 更 佳 。 注 意 有 些 万 用 表 不 能 测 量 电 机 所 吸 取 的 电流 。大 多 数 数 字 表 不 能测 量 大 于 2 0 0 4 0 0 mA 的 电 流 。 甚 至 业 余 用 微 电 机 的 电流 都 会 超 过此 值 。要 保 证 用 能 测 5 1 0A 电 流 的 表 。 所 吸取的 电流。 电阻值 可改变 但应小 于 2 O 0 电阻要求高瓦数型。 3、转 速 电 机 的 旋 转 速 度 表 示 为 每 分 钟 的 转 数 ( r p m) 。 大 多数 连 续 旋 转 型 D C 电 机 额 定 转 速 为 4 0 0 0 r p m 到 7 0 0 0 r p m。 对 于 特 种 用 途 电 机 ， 例 如 磁 带 录 音 机 ， 电 脑 磁 盘 机 等 ， 其 工 作 转 速 低 于 2 0 0 0 3 0 0 0 r p m。对 于 机 器 人 而 言 这 种 速 度 太 高 。必 须 用 齿 轮 组 将 转 速 减低 到 不 高 于 1 5 0 r p m ( 对 于 驱动 臂 部 和 抓 手 转 速 还 要 低 ) 。 -IR可 以 用 电 子 控 制 法 减 速 。 但 这 种 控 制 是 细调 式 的 ，不 能 把 电机 转 速 从 5 0 0 0 r p m 减 至 5 0 r p m 。 步 进 电 机 的 转 速 不 是 标 定 为 每 分 钟 的 转 数 ， 而 表 示 为 每 秒 钟 的 步 距 数( 或 脉 冲 数 ) 。 角 位 移 正 比 于 脉 冲 数 ， 转 数 正 比于 脉 冲 频 率 。对 比之 下 ， 大 多 数 轻 型 或 中 型 步 进 电 机 等 效 工 作 转 速 为 1 0 0r p m 到 1 4 0 r pm。 4、转 矩 转 矩 是 电 机 施 加 给 负 荷 的 一 种 力 。 转 矩 越 大 它 所 能 带 动 的 负 荷 -IR越 大 ， 在 负 荷 下 电 机 的 转 速 越 快 。 转 矩 减 小 会 使 电 机 转 速 变 慢 ， 带 动 负 荷 困 难 ， 再 减 小 转 矩 ， 负 荷 将 给 电 机 造 成 很 大 损 耗 ， 电 机 因 磨 损 而 停 转 ， 消 耗 大 量 电 流 ( 变 成 热 量 散 发 ) 。 选 择 电 机 转 矩 大 概 是 最 困 难 的 设 计 问 题 。 这 并 不 在 于 转 矩 本 身 ， 而 是 电 机 制 造 厂 商 至 今 还 在 调 整 测 量 标 准 问 题 。工业 电 机 转 矩 标 定 一 个 方 法 ， 军 用 电 机 又 用 另 一 种 方 法 测 定 。 测 量 转 矩 最 基 本 的 方 法 ： 将 一 连 杆 固 定 在 电 机 轴 端 ， 把 重 物 或 测 量 表 装 在 连 杆 另 一 端 ， 如 图 5所 示 。 连 杆 尺 寸 任 意 设 定 ： 1厘 米 、 1英 寸 、 1英 尺 。 重 物 可 以 是 一 盘 导 线 或 者 是 加 了 负 荷 的 弹 簧 秤( 如 图 所 示 ) 。 启 动 电 机 ， 带 动 连 杆 旋 转 。 连 杆 吊 起 的 重 量 大 小 ， 就 是 电 机 的 转 矩 。 标 定 转 矩 这 里 用 的英 制 。如 果 连 杆 长 度 为 1英 寸 ( 1英 寸 = 2 5 4厘 米 )， 吊 起 的 重 量 为 2英 两 ( 1英 两 =2 8 3 4 9 克 )， 那 么 就 是 电 机 有 2英 两 一英 寸 的 转 矩 。 d z 可 表 示 为 英 寸 一英 两 。 连 杆 长 度 单 位 常 取 决 于 所 加 重 量 的 单 位 。 重 量 表 示 为 克 ， 杠 杆 长 度 取 为 厘 米 ( g e m) 。 重 量 为 磅 ， 连 杆 则 取 为 英 尺 ( m- f t ) 。同 样 ， 可 反 过 来 表 示 为 厘 米 一 克 或 英 尺 一 磅 。但 有 些 电 机 单 位 标 定 混 乱 。 5 、失 速 或 工 作 转 矩 大 多 数 电 机 是 用 工 作 转 矩 来 标 定 的 ， 或 给 它 施 加 力 ， 轴 就 连 续 的 转 动 。在 机 器 人 应 用 中 ， 它 是 一 个 重 要 的 参 数 。因 为 它 决 定 了能 够 带 动 多 大 负 荷 ， 去 保 证 电 机 旋 转 。 怎 样 测 量 工 作 转 矩 ， 厂 家 间 各 不 相 同 ， 结 果 有 很 大 差 异 。除 非 有 精 心 制 作 的 滑 动 式 联 合 测 试 台 、 精 密 仪 表 ， 各 种 各 样 测 试 器 具 、 夹 具 等 ， 否 则 业 余 进 行 这 种 测 试 是 不 现 实 的 。 若 你 选 用 的 电 机 没 有 给 出 工 作 转 矩 这 参 数 ， 就 必 须 对 它 的运 行 能 力 作 一 估 算 。把 电 机 装 在 三 合 木 板 或 金 属 板 上 ， 再 给 它 加 上 轮 子 ， 使 它 滚 动 在 地 板 上 。 如 果 电 机 支 撑 板 座 ， 带 了 这 些 重 量 ； 电 机 带 动 了 在 座 板 上 达 4 0 或 5 0磅 重 物 连 续 的 运 转 ，这 就 是 可 以 驱 动 机 器 人 的 良 好 电 机 。 电子制作 2 0 0 3年第 1 2期 - 4 5- 维普资讯 有 的 电 机 经 过 试 验 ， 不 宜 带 动 重 负 荷 ， 但 适 用 于 带 动 臂 部 ， 手 部 及 其 他 机 构 。 这 可 将 电 机 夹 在 台 钳 上 ， 自 己设 想 动 手 做 一 些 小 试 验 ， 确 定 电 机 能 带 动 多 大 负 荷 及 它 的旋 转 能 力 。经 过 粗 略 地 试 验 ， 您 心 中 就 有 数( 标 准 ) ， 用 于 选 用 其 他 电 机 了 。 失 速 转 矩 ： 通 常 不 由 厂 家 提 供 ， 或 它 是 一 个 附 加 的 运 行 转 矩 ( 在 步 进 电 机 中 特 别 重 要 ) 。 失 速 转 矩 是 在 轴 夹 紧 时 电 机 所 施 加 的 一 种 力 。失 速 转 矩 与 工 作 转 矩 之 间 有 一 种 间 接 的 关 系 ，虽 然 每 一 电 机 有 不 同 失 速 转 矩 ， 在 机 器 人 设 计 去 选 择 电 机 时 要 用 失 速 转 矩 这 个 参 数 。 齿轮及齿轮减速装置 前 已 提 到 ， 电 动 机 的 一 般 转 速 ， 对 大 多 数 机 器 人 而 言 是 太 快 了 。 机 器 人 的 运 动 系 统 要 求 电机 转 速 为 7 0 r p m 到 1 5 0 r p m。高 于 此 速 度 的 机 器 人 只 会 在 地 板 上 滑 动 ，或 碰 撞 在墙 上 或 人 身 上 。 臂 部 、 手 部 及 大 多 数 其 他 机 构 的 子 系统 甚 至 要 求 更 低 的 转速 的 电 机 。在 臂 与 肩 部 接 合 定 位点 上 ，转 速 必 须 低 于 2 0 ram 甚 至 要 达 到 5 r p m 到 8 r p m。 降 低 电 机 转 速 通 常 有 两 种 方 法 ： 制 造 大 电 机 ( 不 实 际 ) 或 加 装 啮 轮 减 速 装 置 。 齿 轮 减 速 常 用 于 小 汽 车 、 白 行 车 、 洗 衣 机 和 许 许 多 多 另 外 的 电 机 驱 动 机 构 里 。 l 、齿 轮 的 功 能 齿 轮 有 两 种 重 要 的 功 能 。 首 先 ， 一个 齿 轮 的 转 速 可 以 大 于 或 小 于 与 它 啮 合 的另 外 一 个 齿 轮 的 转 速 。齿 轮 又 能 增 加 或 减 小 功 率 取 决 于 齿 轮 如 何 定 位 调 整 。齿 轮 还 可 将 力 简 单 的 从 一处 传 递 到 另 一 处 。 如 图 6所 示 ， 小 齿 轮 啮 合 到 大 齿 轮 上 ， 小 齿 轮 直 接 由 电 机 驱 动 。小 齿 轮 转 一 圈 ， 大 齿 轮 转 半 圈 。 就 是 电 机 2 齿轮传动 比 轮 减 速 l -4 6-电子制作 2 0 0 3年 第 1 2期 带 动 小 齿 轮 转 速 为l O 0 0r p m ， 大 齿 轮 转 速 为 5 0 0 r p m。 齿 轮 传 动 比为 2： 1 。 要 注 意 ， 电 机 转 速 的 降 低 又增 加 了它 的转 矩 。输 出功 率 接 近 其 输 入 功 率 的 2倍 。 由 于 在 减 速 过 程 中 齿 轮 的f 摩 擦 损 耗 若 干 功 率 。如 果 主 动 齿 轮 与 从 动 齿 轮 尺 寸 相 同 ， 转 速 既 不 增 加 也I 不 减 小 ， 转 矩 不 受 影 响 ( 忽 略 小 的 摩 擦 损 耗 ) 。 在 机 器 人 设 计 中 可 以 用 相 同 尺 寸 的 齿 轮 将 功 率 从 一 轴 传 送 到 另 一 轴 上 。 2、建 立 齿 轮 减 速 装 置 齿 轮 上 的 齿 提 供 两 齿 轮 间 的 有 效 啮 合 ， 将 力 从 一 个 齿 轮 传 输 给 另 一 个 齿 轮 。 有 相 同 尺 寸 的 齿 的 齿 轮 ， 通 常 用 它 圆 周 上 的 齿 数 来 表 征 的 ， 例 如 图 6， 小 齿 轮 有 1 5 齿 ， 大 齿 轮 有 3 0 齿 ， 不 同 齿 数 的 若 干 齿 轮 可 以 一 个 接 一个 地 互 相 啮 合 起 来 ，如 图 7所 示 。 在 齿 轮 上 接 上 转 速 表 就 可 测 出 其 转 速 。 从 而 获 得 下 列 两 点 ： 图 8 的 结 构 是 分 级 降 低 电 机 转 速 。 这 里 主 动 齿 轮 驱 动 大 轮 毂 齿 轮 ， 有 小 齿 轮 永 久 的 固 定 在 大 齿 轮 轴 上 ， 接 着 有较 小 齿 轮 与 它 啮 合 驱 动 。小 轮 毂 齿 轮 驱 动 从 动 齿 轮 产 生 最 终 输 出 速 度 ， 即 5 0 , -p m 。 重 复 这 一 过 程 ， 知 道 输 出 转 速 是 输 入 的 很 小 部 分 为 止 。 这 种 结 构 广 泛 用 于 电 机 齿 轮 减 速 系 统 。 3 、具 有 齿 轮 减 速 装 置 的 电 机 具 有 齿 轮 减 速 箱 的 直 流 电 机 使 用 最 方 便 ， 如 图 9 所 示 。 无 线 电 控 制 装 有 齿 轮 箱 的 电 机 用 于 机 器 人 很 理 想 2 0齿主动轮驱 动其余从 动齿轮旋转 ， 它们有不同转速 ， 取决于它们 的直 径 ( 1 ) 当 小 齿 轮 带 动 大 齿 轮 ， 转 速1( R C) 伺 服 电 机 已 装 有 齿 轮 减 速 装 总 是 减 低 。 ( 2) 当 大 齿 轮 带 动 小 齿 轮 ， 转 速 总 是 升 高 。 在 需 要 将 电 机 转 速 从5 0 0 0 r p m 减 低 到 5 0 r p m 时 ， 就 需 要 足 够 大 的 传 动 比 ， 1 0 0： 1 。 只 用 两 齿 轮 就 能 完 成 ， 例 如 ， 主 动 齿 轮 有 1 O个 齿 ， 从 动 齿 轮 有1 0 0 0 个 齿 。 1 0 0 0 齿 的 齿 轮 大 于 驱 动 电机 本 身 。 在 同 轴 上 安 装 齿 轮 达 到 齿 轮 减 速 置 ， 而 步 进 电 机 则 不 需 要 此 装 置 。 免 得 自 己 去 寻 找 减 速 齿 轮 装 到 电 机 上 。 在 选 择 齿 轮 电 机 时 ， 最 主 要 了 解 齿 轮 箱 的 输 出 速 度 ， 而 不 在 于 电 机 的 实 际 转 速 。 应 注 意 ， 装 齿 轮 的 电 机 工 作 转 矩 和 失 速 转 速 有 很 大 的 增 加 。 这 时 ， 电 机 的 转 矩 参 数 是 指 齿 轮 箱 输 出 的 转 矩 ， 而 不 是 电 机 本 身 的 。 大 多 数 齿 轮 减 速 系 统 ， 其 输 出 轴 与 输 入 轴 不 是 处 在 同 心 的 位 置 。 有 的 减 速 箱 ， 输 出 轴 与 输 入 轴 处 于 箱 体 同 一侧 。两 轴 相 交 处 于 9 0。 时 ， 这 种 减 速 装 置 叫做 “ 直 角 驱 动 ” 。机器 人 制 作 是 要 选 择 最 适 用 的 减 速 装 置 。 作 者 认 为 ， 两 根 轴 处 在 箱 体 相 反 边 侧 上 是 各 种 应 用 的 良好 选 择 。直 角 驱 动 也 很 有 用 ， 但 价 格 较 高 。 在 选 用 没 有 齿 轮 减 速 箱 的 电 机 ， 就 必 须 装 上 减 速 箱 ， 如 图1 O 所 示 ， 或 维普资讯 从开架式 AC电机取 下的齿轮减 速箱 ， 输 入、 输出轴处在 同一侧 者 自 己 做 。 但 会 有 下 列 若 干 缺 陷 。 ( 1 ) 电 机 轴 直 径 与 要 做 的 齿 轮 箱 不 同 ， 必 须 确 保 电 机 与 减 速 箱 良 好 的 配 合 。 ( 2 ) 很 难 找 到 合 适 的 减 速 箱 ， 通 常 从 废 旧 电 机 上 拆 下 。 旧 AC 电 机 是 减 速 箱 的一 个 来 源 。 ( 3) 在 制 作 齿 轮 减 速 箱 时 ， 要 确 保 所 有 齿 轮 轮 毂 尺 寸 相 同 。齿 轮 啮 合 精 确 地 配 合 一 致 。 ( 4) 加 工 齿 轮 箱 要 保 证 一 定 的 精 度 ， 否 则 ， 很 小 误 差 就 能 引 起 齿 轮 啮 合 不 当 。 4、齿 轮 的 构 造 齿 轮 由齿 构 成， 齿 有 各 种 形 状 、 尺 寸 、 走 向 的 。 最 常 用 的 有 直 齿 圆 柱 齿 轮 。 其 齿 是 沿 着 轮 的 外 缘 分 布 着 ， 如 图 l 1所 示 。 该 齿 轮 多 用 于 主 动 轴 和 从 动 轴 互 相 平 行 的场 合 。直 齿 圆锥 齿 轮 是 处 在 齿 轮 表 面 上 ， 而 不 是 边 沿 上 。多 用 于 把 功 率 传 输 到 垂 直 轴 上 。 斜 齿 圆 柱 齿 轮 具 有 类 似 的 功 能 ， 但 它 的 设 计 不 是 用 于 减 速 。 直 齿 圆 柱 型 、 直 齿 圆 锥 型 和 斜 齿 圆柱 型 齿 轮 是 可 逆 转 的 。 也 就 是 ， 除 了齿 轮 传 动 比很 大 之 外 ， 可 以 从 齿 轮 系统 两 端 任 意 一 端 去 驱 动 齿 轮 ， 这 样 就 可 以 增 加 或 减 低 输 入 转 速 。 涡 轮 垂 直 地 传 输 功 率 ， 像 直 齿 圆 柱 齿 轮 、 斜 齿 圆 柱 齿 轮 一 样 ， 而 其 功 能 设 计 是 单 一 的 。 涡 轮 ( 蜗 杆 ) 类 似 螺 杆 。螺 杆 提 供 功 率 。 它 的 运行 像 是 螺 杆 啮合 被修 改 了 的直 齿 圆 柱齿 轮 。 涡 轮 系 统 专 门 设 计 用 于 大 规 模 减 速 。传 动 机 构 是 不 可 逆 转 的 。不 能 用 直 齿 圆 柱 齿 轮 驱 动 蜗 杆 。 这 点 很 重 要 ， 因 涡 轮 系统 有 一 种 自动 联 锁 的 能 力 。 涡 轮 特 别 适 用 于 机 器 人 臂 部 机 构 。 用 一 般 的 齿 轮 系 统 ， 由 于 重 力 作 用 ， 一 旦 驱 动 电 机 失 去 动 力 ， 臂 部 就 下 垂 或 跌 落 。 齿 轮 齿 条 传 动 像 直 齿 圆 柱 齿 轮 展 开 的 一 个 扁 平 螺 杆 。 它 的 基 本 功 能 是 将 旋 转 运 动 变 换 成 直 线 运 动 。 齿 轮 齿 条 传 动 也 有 自锁 特 性 不 过 不 像 涡 轮 传 动 那 么 强 烈 。 齿 轮 的 齿 尺 寸 用 齿 节 表 示 ， 大 致 的 计 算 是 齿 轮 的 齿 数 除 以 齿 轮 的 直 径 。 例 如 ， 齿 轮 直 径 为 2 英 寸 ， 有 4 8 齿 ， 齿 节 就 是 2 4。 通 用 的 齿 节 有 1 2 ( 大 的 ) ， 2 4， 3 2和 48 。 特 精 细 的 齿 轮 有 齿 节 6 4，但 仅 限 于 小 型 传 动 系 统 ， 如 无 线 电 控 制 模 型 。 遇 到 另 外 制 式 的 齿 节 ， 例 如 公 制 必 须 仔 细 地 选 配 齿 轮 ， 使 其 齿 节 完 全 相 同 。否 则 齿 轮 就 不 会 正 确 地 齿 合 ， 会 引 起 很 大 的 磨 损 。 每 个 齿 的 齿 面 上 的 斜 率 叫 做 压 力 角 。一 般 应 用 的齿 轮 压 力 角 为 2 0 0 。 有 些 齿 轮 特 别 是 高 质 量 的 涡 轮 和 齿 条 的压 力 角 达 1 4 5 o o 有 人 主 张 ，即 使1 齿 节 相 同 ， 也 不 要 混 淆 压 力 角 不 同 的 两 个 齿 轮 。 因 为 齿 轮 不 能 完 全 啮 合 ， 会 引 起 很 大 的 磨 损 。 齿 轮 的 定 位 可 能 不 同 ， 大 多 数 直： 齿 圆 柱 齿 轮 的 齿 垂 直 与 齿 轮 边 沿 。 但 标准直齿圆柱齿轮 斜齿圆柱齿轮 一标 准的直齿 圆柱齿 轮与斜齿 圆柱 齿轮 f 1 2 ) 对比。 后者用于减小齿隙( 齿隙在两齿 轮 啮合时固有缺陷 ) 。有的斜齿 圆柱齿 轮 将旋转 变换为直角运动 齿 也 可 能 倾 斜 一 定 角 度 ，如 图 1 2所 示 ， 这 种 情 况 叫 做 螺 旋 齿 轮 。 在 实 际 中 ， 还 有 另 外 一 些 特 殊 几 何 形 状 的 齿 轮 。 例 如 ， 双 齿 轮 ， 两 行 齿 互 相 补 偿 ； 人 字 形 齿 轮 在 相 反 角 度 上 的 两 个 螺 旋 齿 轮 。 这 种 设 计 为 了 降 低 齿 隙 游 现 象 。 啮合 中的 齿 隙 会 引 起 齿 轮 前 后 摆 动 。 带轮 、 传 输带 及链 轮 、 链条 类 似 于 齿 轮 的 是 带 轮 、传 动 带 、 链 轮 、 轮 链 条 。带 轮 与 传 动 带 一 起 使 用 ， 链 轮 与 链 条 一 起 用 。带 轮 与 链 轮 具 有 与 齿 轮 相 同 的 功 能 。 区 别 仅 在 于 ， 带 轮 和 链 轮 中 间 分 别 采 用 传 动 带 和 链 条 传 输 功 率 而 齿 轮 是 直 接 地 传 输 功 率 。 应 用 带 轮 一传 输 带 或 链 轮 一链 条 的 优 点 是 ， 机 器 人 的 机 器 零 件 不 需 要 单 独 地 调 试 。应 用 齿 轮 需 要 高 精 度 的 装 配 。 希 望 精 度 达 到 百 分 之 一 英 寸 ， 防 止 齿 轮 倾 斜 ， 及 啮 合 太 紧 而 产 生 的 反 向 束 缚 力 。传 动 带 和 链 条 使 用 于 宽 松 场 合 ， 如 果 耦 合 太 紧 ， 传 动 带 和 链 条 就 有 拉 断 地 危 险 1 1 、传 动 带 和 带 轮 带 有 各 种 形 状 和 尺 寸 。人 们 熟 知 在 汽 车 里 用 的 带 轮 和 传 动 带 ， 若 在 机 器 人 中应 用 又 似 乎 太 笨 重 。因而 人 们 从 复 印 机 、传 真 机 、 V CR及 其 他 电 子 设 备 中 寻 找 。 可 以从 废 旧装 置 、 剩 余 物 资 中选 用 价 格 便 宜 的 电 机 。 带 轮 有 V 型( 在 轮 上 有 V 型槽 ) 和 齿 型 的 。齿 型 的 选 配 传 动带 不 仅 宽 度 与 带 轮 配 合 良好 ， 而 且 要 有 相 同 的 齿 距 。 2 、链 轮 和 链 条 要 保 证 传 输 机 构 同 步 性 ， 最 好 采 用 链 轮 和 链 条 。 大 型 机 器 人 可 用 3 8 英 寸 自行 车链 条 。 大部 分 小 型 机 器 人 采 用 1 4英 寸 链 条 ， 从 剩 余 物 品商 店 可 买 到 。 金 属 链 条 可 用 预 定 长 度 ， 经 常 拆 掉 或 接 上 若 干 链 节 。 减 短 或 加 长 链 条 。强 度 不 高 的 钳 式 链 节 的塑 料 链 条 ， 比 较 容 易 调 节 。 电动机的安装 每 种 电 机 需 要 不 同 的 安 装 机 构 。 在 电 机 有 自 己 的 安 装 硬 件 和 固 定 孔 时 ， 安 装 很 方 便 ， 用 这 些 硬 件 将 电 机 安 装 在 机 器 人 上 ， 要 注 意 ，E l本 和 欧 洲 制 造 的 电 机 通 常 采 用 公 制 螺 纹 ， 必 电子制作 2 0 0 3年第 1 2期 - 4 7- 维普资讯 须 选 用 正 确 尺 寸 的 螺 栓 。 有 的 电机 安 装 却 不 大 方 便 固 定 孔 位 置 不 当 ， 或 者 电 机 完 全 没 有 任 何 备件 将 它 安 装 在 机 器 人 上 。只 能 用 夹 具 、 托 架 固 定 件 、 木 质 零 件 、 角 铁 等 去 安 装 电 机 。 例 如 图 1 3所 示 ， 安 装 托 架 是 用 6 英 寸 T 型 镀 锌 铁 板 所 制 成 。所 钻 的 大 孔 是 主 动 轴 和 齿 轮 由 此 穿 过 ， 托 架 的 两 部 分 用 螺 母 、 螺 栓 和 垫 圈 连 接 起 来 。 然 后 托 架 用 角 铁 和 标 准 件 装 在 机 器 人 的底 座 上 。附 加 一 个 主 动 齿 轮 和 链 轮 做 成 这 种 电 机 结 构 ， 困 难 就 不 大 了 。 每 个 电 机 托 架 制 作 时 间 约 9 0 分 钟 。 表 示 在 图 1 4 是 另 一 个 例 子 。 这 里 电 机 的 安 装 孔 在 轴 的 一 端 ， 但 对 机 器 人 设 计 上 ， 这 些 孔 的 位 置 是 错 误 的 。 用 一 般 的 扁 平 角 铁 去 固 定 电 机 。 这 是 一 个 正 确 的 方 法 。 其 他 的 安 装 方 案 也 能 满 意 地 工 作 。 你 也 可 用 金 属 或 塑 料 制 作 自 己 的 安 装 托 架 。 切 割 所 需 尺 寸 的 托 架 ， 钻 固 定 孔 。 这 种 工 艺 在 伺 服 电 机 用 于 模 型 无 线 电 控 制 汽 车 和 飞 机 中 也 是 有 益 的 。 如 果 电 机 缺 少 固 定 孔 ， 可 以 采 用 夹 具 去 定 位 它 。在 商 店 里 买 到 的 u 型 螺 栓 ， 就 是 好 的 解 决 办 法 。 选 择 足 够 大 的 u 型螺 栓 以 配 合 相 应 的 电机 。把 螺 栓 加 工 成 圆 形 对 于 有 圆 形 外 壳 的 电 机 是 适 宜 的 。 还 可 用 塑 料 和 木 料 做 成 固 定 座 ， 防 止 电 机 底 座 滑 动 。 切 割 塑 料 或 木 料 ， 按 尺 寸 做 成 圆 形 ， 并 与 电 机 外 壳 形 状 相 配 合 ， 工 具 可 用 带 锯 、 锉 刀 等 。 电机轴的连接 将 电 机 轴 连 接 到 齿 轮 、 滚 轮 、 控 制 杆 及 其 他 机 器 零 部 件 上 ， 这 大 概 是 最 困 难 的 任 务 。 然 而 有 一 个 例 外 ， 就 无 线 电 控 制 ( R V C) 伺 服 电 机 比较 容 易 安 装 ， 因 为 这 属 于 业 余 机 器 人 制 作 。 电 机 轴 有 许 多 不 同 尺 寸 ， 以 及 大 部 分 电 机 ( 不 是 所 有 的 ) 是 从 物 资 处 理 商 店 买 来 的 ， 轴 限 定 于 电 机 指 定 特 定 的 应 用 。 一般 的 轴 尺 寸 对 于 小 型 业 余 制 作 用 电 机 为 1 1 6英 寸 和 1 8英 寸 ； 对 于 大 型 电 机 和 齿 轮 箱 轴 为1 4、 3 8、 5 1 6 英 寸 。 齿 轮 轮 毂 一 般 是 1 4、 1 2、 5 8英 寸 ， 这 就齿轮 需 买 缩 径 轴 衬 。对 于 滚 轮 、 链 轮 ( 用 于 链 条 和 定 时 带 轮 ) 和 轴 泵 也 要 同 样 地 去 做 。 齿 轮 和 链 轮 一 般 必 须 用 螺 钉 固 定 的 方 法 安 装 到 轴 上 ， 如 图 1 5所 示 。 有 时需 要 “ 压 紧 配 合 ” 。大 部 分 改 良齿 轮 、 链 轮 已 配 有 螺 钉 ， 或 已 插 入 ， 以 备 使 用 。 如 果 在 它 们 上 面 没 有 螺 孔 ， 就 要 钻 孔 并 套 上 螺 纹 。 若 不 用 螺 钉 ， 可 用 两 个 方 法 连 接 。 第 一 法 加 键 和 销 ， 把 齿 轮 和 链 轮 固 定 在