EV3机器人：制作稳固蜗轮机械手

工厂是生产各种生活用品的地方，但是有些冶金、电子、原子能等相关行业，由于其有害作业或劳动强度大等原因，工人直接操作非常困难，而机械手能模仿人手臂的某些动作和功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全。机械手的样子有很多种，今天我们也来做一个吧！

知识

一、认识机械手

1.机械手

1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手。这是人类机械史上第一次发明机械手，同时也是人类在机械领域的一个新的突破。

现今的生活，在科技日新月异的进展之下，机械人手臂与人类的手臂最大的区别就在于灵活度与耐力度。 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手，也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

2.各式各样的机械手（图15-1）

图15-1 各式各样的机械手

二、LEGO EV3材料介绍

1.认识器件——蜗轮

在机器人套装中，你会发现另外一种奇怪的黑色类似带有螺旋线的圆柱体，它就是蜗轮（图15-2）。蜗轮通常会与齿轮进行啮合，并且会连接两个互相垂直的轴，也就是说通过蜗轮的传动可以改变力的方向，而且蜗轮可以增大扭矩，减小角速度，并且可以使被传动的齿轮具备自锁的功能。

图15-2 蜗轮

蜗轮与常用的24齿的齿轮啮合，通过搭建如图15-3所示这个简单的装置，可以发现蜗轮的很多特点。用手试着去转动齿轮，你能轻易地转动与蜗轮相连接的轴，但不能转动与24齿相连接的轴。蜗轮能产生单向传动系统，这是它的重要属性。你能用蜗轮带动其他齿轮，但不能被其他齿轮带动，产生这个现象的原因是摩擦力。通过观察我们发现两根轴是正交的，使用蜗轮时，传动方向必然会改变。

之前我们已经知道如何计算普通齿轮的传动比。你是否想知道蜗轮所产生的传动比呢？先做一个实验：搭建图15-3中的装置，缓慢转动蜗轮轴一圈，

图15-3 蜗轮装置

同时观察24齿齿轮。可以观察到蜗轮每转过一圈，24齿的齿轮刚好转过一个齿，我们得到一个结论：蜗轮是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。

蜗轮装置主要应用在减速和增加扭矩，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，蜗轮会非常有用。这个特殊的装置的摩擦力极大以致无法被其他齿轮带动。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。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。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，就可以使用蜗轮来解决这一问题。蜗轮的自锁功能使马达不能回转。

小知识

所谓蜗轮的自锁功能是指：只有蜗轮这个轴是可以人为旋转的，而齿轮的轴是不能被人为旋转的，齿轮只能依靠蜗轮的传动而转动。

2.蜗轮蜗杆的特点

1）可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑。

2）两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构。

3）蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪声很小。

4）具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。如在起重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用。

5）传动效率较低，磨损较严重。蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。

6）蜗杆轴向力较大。

实践

1.任务要求：制作蜗轮机械手模型，具体要求如下

（1）坚固、稳定。

（2）美观、操作简单。

（3）能抓住轻小物体。

2.准备器件（图15-4）

图15-4 蜗轮机械手零件图

3.动手搭建

图15-5

第一步：完成机械手一侧，取1根7孔梁，在第3、5孔上分别加装1个长连接销和1个短连接销，如图15-5所示。(www.xing528.com)

图15-6

第二步：取1根3U梁与长连接销相连接，1根4×2直角梁与短连接销相连，如图15-6所示。

图15-7

第三步：再取1根4×2直角梁，通过长连接销连接在3U梁外侧，2孔端与第二步2孔端对齐，不要相连，如图15-7所示。

图15-8

第四步：取2根8U轴，通过第三步4×2直角梁4孔端的十字孔，并用半轴套固定，轴套补齐所差的一个单位，如图15-8所示。

图15-9

第五步：将2个十字形连接器十字孔连接在8U轴上，使十字形连接器圆孔相对，用轴套补齐所差的一个单位，半轴套固定，如图15-9所示。

图15-10

第六步：取1根10U轴，将其穿过第三步相重叠的2根4×2直角梁2孔端的上孔中，外侧加轴套固定，如图15-10所示。

图15-11

第七步：取蜗杆，将其连接在10U轴内侧，如图15-11所示。

图15-12

第八步：对照第一～三步对称完成机械手另一侧，并与10U轴相连，用轴套固定，如图15-12所示。

图15-13

第九步：加装手柄，在多出来的这根轴上加装手柄式连接销，完成手柄，如图15-13所示。

图15-14

第十步：取2根3U轴，穿过24齿直齿轮中心十字孔，如图15-14所示。

图15-15

第十一步：将带24齿直齿轮的3U轴穿过十字形连接器圆孔，使齿轮与蜗杆咬合，如图15-15所示。

图15-16

第十二步：取3×7直度梁，3孔侧十字孔与齿轮背面多出的轴相连接，如图15-16所示。

图15-17

第十三步：将齿轮向上，完成蜗轮机械手，如图15-17所示。

回顾

开动脑筋，解决以下问题，完成本课任务：

（1）本课搭建机械手中使用了什么特殊的器件？

（2）蜗轮在功能上有什么作用？它是如何用它来操作机械手的？

拓展

通过本课对蜗轮的认识有了简单了解，了解了其与齿轮的配合。机械手的模样多种多样，你能否使用蜗轮结构制作出其他样子的机械手？动手试一试。