LEGO设计基础参考知识

       LEGO工艺是好玩,让有趣的结构建造,但他们并不总是好用。事实上,它往往是相当具有挑战性的建立并不在丝毫挑衅散架一个LEGO设备。一个设计良好的LEGO设备应可靠,结构紧凑,坚固。如果大量使用齿轮,齿轮系应能清晰和易于旋转。如果它是一个结构元件,它应该保持在一起正视和抗蚀散架。本章讨论的一些想法创造一个精心设计的LEGO结构,以及乐高工艺系统可能不是很明显的第一眼的一些性质。请记住,有时发现LEGO最好的办法是探索,注重砖,并尝试新的东西。

 

章节

1.基本LEGO长度

2.乐高杠杆

3.齿轮减速

4.链传动

5.差速器

6.测试齿轮系

7.齿轮系

8.齿轮齿条式转向

9.多任务处理汽车

 

1.基本LEGO长度

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       LEGO件有标准尺寸,所以LEGO结构通常是那些尺寸的倍数。基本LEGO单元(FLU)指的是一个简单的砖的高度,并且可以表示在标准单位,例如毫米:垂直FLU为9.6毫米。有趣的是,一砖的长度或宽度和高度之间的比率不是整数,而是两个小整数之比:6至5。(zihu注:FLU=Fundamental LEGO Unit)

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       6:5的比例,再加上三分之一的高度扁平件,允许创建垂直间距,完美匹配单元水平间距,在LEGO梁孔之间的间距。通过使用这些完美的LEGO间距,砖的垂直堆栈可以跨梁进行加固,形成不会分崩离析坚固的结构。

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       上图示出了两个8单位长的LEGO由两个4单位长LEGO梁支撑在端部的一例(由双单位完美间隔隔开);这种结构是非常坚固的。完美的垂直间距的其它组合也是可能的三分之一高度砖;事实上,所有的人都可以计算。下表列出了一些解决方案,这个整数式:用支护完美的垂直间距LEGO结构是建立一个结构坚固的机器的一个关键方法。

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2.乐高杠杆

       制定好LEGO齿轮系,有些人可能会说,是一门艺术。但是,这种艺术可以学习和有一些简单的信息,可以使一个很大的区别。其中要注意的LEGO齿轮的第一件事情就是它们的直径,这表明在什么间距可以将它们啮合在一起。

       自然单位的LEGO齿轮的尺寸是在水平LEGO间隔单元。下表显示的各个乐高齿轮的半径:

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       注意,三个齿轮(即,8齿,24齿和40齿)具有半径,当在对一起使用时,会导致轴间距是基本LEGO水平部间隔的整数倍。例如,8齿齿轮可以使用具有24齿或40齿的齿轮,而不是16齿齿轮。

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(一个8齿齿轮啮合24齿齿轮)

       上图显示了如何一个8齿齿轮将啮合沿LEGO砖啮合了24齿齿轮。彼此按照这个逻辑16齿齿轮仅啮合。齿轮可以在奇对角线被啮合在一起。然而,这需要很小心,因为它是难以实现的间隔是足够接近最佳间距(其可以通过将齿轮’半径来计算)。如果齿轮太近,他们将结合或高摩擦损耗操作;如果他们太远,他们会打滑。下面两幅图表明已经过测试,做工精良斜齿轮的一些(但不是全部)的例子。

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(一个16齿齿轮的角啮合和一个24齿齿轮)

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(一个8齿齿轮的啮合和一个16齿齿轮)

       当构造任何变速箱,尤其是那些涉及齿轮啮合在奇数对角线,重要的是要记住,虽然LEGO齿轮非常实用与各种设计试验方面,其性能随着时间的推移不理想。齿轮啮合,即使在最精心构造的变速箱可能开始穿了,可能有一个更大的趋势在压力下滑。而重要的是要开发一个坚固的齿轮箱,它可能是明智的,以保持它的部件中的齿轮需要更换的机器人已经被构造之后的事件进行访问。

       一个非常高性能齿轮系将是必要的,用于驱动机器人。对于这种类型的齿轮系,下面的规则如下提示:

       1)8齿和24齿齿轮应该被使用。40齿齿轮都还不错,如果能,尽管他们的大尺寸进行适应。

       2)蜗轮(zihu注:蜗轮和涡轮为两个不同的概念,蜗轮主要于应用减速,涡轮主要应用于发动机和增压)可用于快速地组装好齿轮系,虽然蜗轮将导致更大的功率损失。

       3)车轴应完善LEGO间距或接近对角线近似隔开。这是很容易做到,如果车轴被安装在邻近所述相同波束上,或跨使用完美LEGO间距光束。

       4)各车轴应在两个点由经过至少两个梁或梁支撑。这些支撑梁应当彼此分开。如果遵循这两个规则,车轴将保持直线,而不是绑定了大梁内,创造了很多摩擦。

       5) 当多个梁支持相同的车轴,这些梁应牢固地连接到彼此。如果他们不完全一致,上述同样的约束力问题可能发生,齿轮系可能会失去大量的电力。

       6) 车轴可以弯曲。齿轮不应悬挂在一个不支持的轴的末端。齿轮要么应支承车轴或非常接近梁的梁的外侧梁间放。这两种情况都说明在例如齿轮系。如果该齿轮是两个或更多个单元LEGO远离梁的外部,可能会出现问题。

       7)车轴应该不适合得太紧。齿轮和间隔件放在车轴后,车轴应能够来回滑动一点点。这是很容易失去了大量的电能,如果间隔或齿轮压补防的大梁。

 

3.齿轮减速

       传动装置有两个主要目的:传递和转化机械能。为传动系的目的,该齿轮将改变的电动机的高转速和低扭矩到移动机器人所需的低转速高转矩。实验用不同的齿轮比是重要的。齿轮比确定的速度和转矩之间的重要折衷。

       下图示出了样品LEGO齿轮系,可实现243的传动比:1,通过使用5联动对8齿〜24齿的齿轮组合(该齿轮比可以是过分高的机器人驱动器)。有人建议,该齿轮系的副本进行评估建-它是一个高效的设计,并遵循这里提出的规则。

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(LEGO变速箱示例)

 

4.链传动

       采用链条传动,需要耐心的公平。为了找到齿轮间距,将工作链需要大量的试验和错误的设计。如果链太松,则可能重负载下跳过; 如果太紧,就会失去权力。实验是必需的。所述链趋于在较大的齿轮和与车轴之间根本LEGO间距更好的工作。见附录一的关于建立一个良好的链条传动的更多信息。

 

5.差速器

       差动齿轮是用来帮助汽车转弯。差速齿轮(中途设置在两个轮之间)允许一个车轮转动以比其它更大的速度。即使轮可以转动速度不同,所述差分的作用是指由电动机产生的转矩相等,半轮轴在其上的车轮被安装之间分配。假设机器人的重量就足够了,并适当地分布,机器人应该能够转动,其驱动电机在满功率,而不会造成任何车轮打滑。在机器人结构上,这意味着,一个车轮可完全停滞,而其他将继续旋转。因为打滑车轮的避免,表面和机器人之间的静摩擦力保持提供更好的翻译的旋转力的线性力。

       提供的LEGO套件既有简单的差速器齿轮和两个齿轮差速器。两个齿轮差速器允许的任一个16齿或24齿圆柱齿轮的末端传动齿轮的传动系的选项。普通差速器有一种鞭策和冠齿轮28齿,这需要以达到减速的网格以及一些有创意的,但不是不可能的间距之间的交叉。

       虽然你可能会决定不使用差分作为传递电动机动力的驱动轴的手段; 这并不意味着无用差是。当两个独立驱动的驱动桥,差动齿轮,再加上一个轴角编码器的车轮之间直接放置,有可能被用来作为辅助定向传感器而不显著影响驱动轮的操作。例如,如果与差动齿轮的车辆有一驱动轴旋转以每分钟X转(rpm),所述差速器壳体将位于X的转速旋转,以及,只要该车辆直接前进或后退。如果车辆是在驱动轴的中间恰好绕点,差速器壳体不会旋转,由于在壳体内的锥齿轮然后将全速运行。基于这些端点和一些实验中,程序可以被写入,以确定车辆的运动的曲率半径。这种方法也可应用到直接在传动系中使用的差分,但它会是不可能的差速器壳体可以是静止的,而驱动马达是在行动。

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(一个简单的LEGO差变速箱)

 

6.测试齿轮系

       回驾驶是测试齿轮系的好方法。电动机应该被删除(如果它是连接)和一个车轮放置在缓慢输出轴。当车轮用手转动使所有的齿轮应自由旋转。如果齿轮系是非常精心设计,齿轮将继续为纺一两秒钟的输出轴被释放之后。

 

7.齿轮系

       当构建齿轮系,将只传输小的力量,很多的设计规则不适用。一些通常的问题可能会变成是优点。例如,它可能需要有一个“滑”时,它被卡住,从而使电机不失速,然后用橡胶带和滑轮驱动器将是合适的变速器。24齿冠齿轮 – 除了被完全可用作为一个正常的24齿齿轮 – 将功能在预定的90度的角度,只要它是仅发送小的力。

 

8.齿轮齿条系转向

       齿轮齿条式转向采用一个马达转动的小齿轮(乐高齿轮),其然后转移到机架(平坦LEGO块与对应于齿轮齿间距的槽)至右侧或左侧。这允许非常精确和顺利的转向,使用一个步进电机时尤其如此。下面三幅图显示的顶部,侧面和一个使用齿条和小齿轮的简单LEGO转向机构的前视图。这是不可能的,这确切结构将是直接适用于工作的机器人; 然而,它应该提供一个开始。

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(齿轮齿条式转向顶视图)

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(齿轮齿条式转向侧视图)

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(齿轮齿条式转向前视图)

 

8.多任务处理汽车

       有时,一个机器人可能需要执行7或更多种不同的机械动作。这可能是个问题,因为每个机器人仅能够供电六个不同的电机。但是,也有利用马达来执行多种功能的方法。显然,一个电机可以被用来驱动同时两个单独齿轮系,但随后都齿轮系都依赖于彼此。如果有一个摊位,然后他们俩失速,它是不可能把一关不失另一个。

       对于多任务的电机的一个可能的策略是将车轴偏离中心。现在的齿轮像个凸轮。传动系统将被间歇地破碎为“camgear”和传动系进来和不接触。下图示出了LEGO齿轮凸轮的一个例子。一个马达可用于2齿轮系的电源通过设置一个“camgear”间歇地驱动一个齿轮则另一(下图)。这种方法将是最实际的,如果需要的齿轮反复把一个革命的一部分,然后缩回。凸轮将旋转齿轮的局部革命和橡皮圈可以用来恢复原来的位置。这将是一个浪费的马达转动短距离前进然后反向一遍又一遍,运动必然是不一致的。因此,如果这样的动作是需要的,采用一个凸轮由另一个齿轮系驱动的可以是一个有用的解决方案。

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(Camgear)

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(凸轮驱动两个齿轮间歇性)

       另一种可能性为多任务的电动机将是使用正向和反向于不同的功能。它是可以驱动的电动机只在一个旋转方向上,仍然能够在反向行驶。该解决方案是一种机械传动。在上图的驱动轴可转动顺时针或逆时针取决于哪个的大齿轮被接通由电动机。选择的一种方法而大齿轮是转折点是通过使用机械传动像图中所示的上图。要注意的是相同的齿轮减速,可以实现用于前向和通过插入上自由旋转轴的齿轮到齿轮减速反向运动是有用的。额外的齿轮的尺寸是不重要的与问候齿轮减速,所以相应的齿轮的尺寸将取决于仅在便利和齿轮之间的适当的啮合距离。

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(双向传动系)

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(机械传动原型)

       在图中所示的手动变速箱只有一个原型。我们的想法是能够使用正向和反向从单一马达对于独立的任务。实际实现的细节留给您。在所示的设置中,驱动到墙壁移动的齿轮从一个齿轮系到另一个,或者使所述机器人改变方向不改变,其中所述马达的旋转方向。一个问题是如何前进了。简单地使用橡胶带或弹簧返回到原来的齿轮系,没有足够的时间将已通过允许机器人从墙 壁背离得很远。用位的独创性和机械试验的,这是可能的多任务电机。